焦爐煤氣回收粗苯工藝的設計

姜德惠

（承德中灤煤化工有限公司，河北承德 067000）

煤炭資源自古以來便是國家重要的能源之一，推動了國家經濟與工業的快速增長。 而煤炭資源在使用時也具有其特別的優勢條件，不同形式的煤炭以不同的形式用于不同的行業。 例如，如今的發電依然有很大比例依靠火力發電，而居民生活中也離不開煤氣，煤炭燃燒時會釋放很大的熱量，主要用于煉鋼企業[1]。 焦炭是焦化廠中煤焦的產物，其中75%的煤在焦化過程中轉化為焦炭， 其余25%的煤轉化為各種化學物質和氣體。據統計，可以從焦爐煤氣，粗苯和煤焦油中提取數百種焦化過的產品，為各行各業的發展提供了強大助力。 為了實現粗苯回收效果的提升，本文對此展開了研究。

1 粗苯介紹

1.1 粗苯性質

煤焦化過程中產生的粗苯不溶于水， 易燃，易爆且有毒。 粗苯是各種有機化合物的混合物。在工業應用中，粗苯可以由丙酮，苯酚和其他物質制成，也可以加工成橡膠，纖維和其他產品。 而且，粗苯還可以提純以生產甲苯、二甲苯、純苯等化工物質[2]。 所以，為了保證生產過程及使用過程的安全性，并且使得焦煤與煤炭資源的產品都能在最大效率下發揮作用，從焦爐煤氣里回收出苯便顯得尤為重要。 這對于焦爐煤氣的安全性與經濟效益來說都是具有積極意義的。 粗苯的詳細性質如表1 所示。

表1 粗苯詳細性質

1.2 粗苯價值

粗苯是一種有價值的化學原料。 煉焦爐氣體通常包含25g/m3～40g/m3的粗苯，塔中煉焦爐氣體中的粗苯含量通常為2g/m3～4g/m3。 粗苯是眾多焦化廠回收的主要目標， 主要包含各類物質， 例如苯，甲苯，二甲苯和三甲基苯。 隨著原油價格繼續上漲，苯及其衍生物的價格也有所回暖[3]。 所以，絕大多數的焦煤公司對于苯回收的環節都投入了大量的技術與人力， 甚至對于一些公司而言，維持公司主要經營的收入來源成為了粗苯的銷售。在回收方法中應用范圍最廣，使用程度最高的方法主要有兩種，分別是洗油吸收法和活性炭吸收法，這兩種方法均為物理方法，而洗油吸收法的應用程度要高于活性炭吸收法。 吸油吸收法最初是由德國的某位科學家在19 世紀中期提出的，在一戰時首先被德國應用，并在多個國家被廣泛采用。 富油是利用蒸汽蒸餾溶解在富油中的苯系物，根據設備的不同，可以獲得輕質苯的一種產品或輕質苯和中性苯的兩種產品，制重苯和萘溶劑油的三種產品[4]。 富油變成苯后的洗油稱為貧油，可將該貧油送入苯吸收過程進行再循環。 活性炭吸附法出現的時間比洗油吸收法的時間晚一些， 是由德國人恩格哈特在20 世紀早期提出的，并隨后應用于各大城市的煤氣廠中，自1920年后，英國、法國、荷蘭等部分國家也都運用該方法。 和前一種方法比起來，該法主要的優勢是需要投入的資金與設備少，能耗少，并且回收效率較高。 然而因為活性炭的價格并不低，自1950 年以來很少在工業中使用[5]。 目前，化學公司正在逐步轉向深加工渠道，但是許多焦化廠正在越來越多地追求粗苯生產。 粗苯的生產高度依賴于工藝設備的效率。

1.3 粗苯工藝

粗苯回收主要分為兩步，分別是苯的最終冷洗和粗苯的蒸餾。 而在這個過程中運用的設備，對于進行過程的效率、使用原材料的消耗及最終的收益情況都有極大的影響，究其根本是粗苯在提取過程中需要極其穩定的環境。 幾乎所有的焦化廠里運用的熱交換頭均為浮頭管式熱交換器、螺旋板式熱交換器或者波紋板式熱交換器等[6]。而洗油與粗苯因其化學性質的不穩定，所以非常容易爆炸，并且粗苯也是非常危險的介質，所以必須選擇安全且適宜的運輸泵，保證運送過程的安全。 通常，對于攜帶粗苯的泵，均采用密封程度高與安全性能高的泵， 很多時候是使用罐頭泵，這可以從根本上預防出現泄漏等的安全事故，并且安裝空間小。 在回收工程中，選擇適宜且品質優良的設備可以保證生產粗苯的品質與安全。 現如今，在科學技術不斷進步的基礎上，設備可以達到的效率與節約的能源越來越高，尤其如今粗苯不僅在市場上有較好的發展形勢，而且在粗苯行業中也具有更好的經濟發展優勢，在這種情況下， 提升粗苯回收效果越發引起人們的關注，目前關于粗苯回收的理論研究較多，下一節將對其進行詳細介紹。

2 粗苯回收理論研究

現在，運用吸收法來回收苯可劃分為壓力吸收法、常壓吸收法與負壓吸收法三種。 在這三種方法中，壓力吸收法因其高能耗，更多地被運用于長距離輸送方面。 而常壓吸收法所取的壓力范圍，僅比正常大氣壓多一點，所以運用范圍較大[7]。 負壓吸收法絕大多數在煤氣系統的進化方面發揮主要作用。 所以，綜合回收過程中所涉及各項流程的實際操作情況與經濟情況等，此次以大氣壓吸收法為例來進行實驗操作。

3 工藝選擇

由于需要使用較多的工藝以實現粗苯回收，為此，本章節繼續對粗苯回收工藝的選擇進行研究，可得到粗苯回收工藝的選擇主要包括兩個方面： 洗苯工藝的確定、脫苯工藝的確定。

3.1 洗苯工藝的確定

苯清洗工藝即運用我們所選擇的大氣壓吸收法將焦爐煤氣里的粗苯分離出來，筆者行文此次主要涉及的清洗方法是清洗油吸收法。 而現實生活里， 焦油也可以成為凈化原料的主力之一。這里面以苯為原料來進行清洗操作時具備耗材低、容易上手等優勢，但是這便無法避免其不具備高清潔效率的劣勢，所以循環洗油和焦油洗油比起來要運用到更多的原材料[8]。 綜上，我們最終決定運用焦油洗油方法來完成清洗步驟。

3.2 脫苯工藝的確定

焦化廠里運用的苯塔一般都為氣泡塔。 它的形狀大多為圓形或條狀，材料通常是鑄鐵或不銹鋼。 管式爐里一般運用三層之后的塔板來進行升溫處理，其具備更好的耐適性，并且操作相對穩定。 當塔的氣液兩相負荷顯著變化時，仍然可以保持較高效果。 缺點是結構復雜，安裝和維護不便且昂貴[9]。 同時，由于托盤效率低，在相同的處理能力下， 主塔需要更大的直徑和更大的面積，并且通常配備有混凝土結構框架，這需要大量的工作。 近年來，鑄鐵氣泡塔已逐漸被不銹鋼氣泡塔所取代。 不銹鋼氣泡塔泡罩是一種具有高傳熱效率的不銹鋼構件，在相同處理能力下，其直徑比鑄鐵塔小1～2m。 塔筒壁薄，操作重量輕，并且塔筒部分被焊接。 可以用鋼平臺替換混凝土框架，從而節省工程成本。 盡管不銹鋼塔的成本高昂，但在使用壽命和維護周期方面，總體消耗仍然相對較低。

苯清洗操作后， 富油必須經過脫苯操作，然后才能運到原油泵中。 在正常情況下，粗苯通過蒸餾以蒸氣形式釋放。 但是，在實際生產中，將富油加熱到250℃以上才可以達到理想的效果，而在工業上加熱到250℃以上是不可能的。 因此，富油通常被蒸汽和管道加熱以達到上述目的。 該管式爐加熱蒸餾方法表明，粗苯具有較高的回收率和較低的能耗特性。 因此，本文中的脫苯工藝是通過在管道中加熱和蒸餾來實現的，以減少粗苯回收過程中的不必要的浪費和損失，提高粗苯回收效果，從而為實現本文研究目的提供必要保障。

而且采用這種方式可穩定脫苯塔的塔壓，從而降低蒸氣壓波動的影響，在蒸氣壓大幅度波動且時間較長的情況下，苯塔頂部的溫度和壓力會根據蒸氣量而變化，這直接影響粗苯的質量和生產效率。 除了控制粗苯以穩定質量和生產，粗苯在塔中的回流速率外，還可以使用過熱蒸氣來減少蒸氣量的影響和改變。 同時，如果蒸氣壓過高并且苯塔內的壓力升高，則苯蒸氣會通過排氣管排出，從而避免損失。 粗苯冷卻器的進水溫度必須控制在19℃以下，以便可以將苯蒸氣冷凝到粗苯冷卻器中的最高溫度。

4 設備的選型設計

在本節中，我們選擇并設計用于苯清洗操作的苯清洗塔和用于脫苯操作的導管。

4.1 洗苯塔填料的選擇

研究表明，在一定程度上添加填料的比表面積可以在一定范圍內擴大洗油和焦煤氣二者的接觸，進而能夠加強該過程的運行效率與最終的輸出效率。 所以，我們可以在進行苯回收的過程中，將不銹鋼波紋或者是磁性環為填充物運用到清洗步驟中[10]。 而隨著工作的不斷展開，會有一些殘留的物質在儀器內，所以必須安排間隔時間的清洗。 所以，考慮到儀器的清洗與使用，就要選擇有更高強度與耐溫性的填料。 因為瓷環強度不高，因此使用不銹鋼波紋作為包裝材料，以減輕工人的勞動強度。

4.2 管式爐的選擇

能否高效率取得安全的出苯與管式爐內管道的質量有很大的關系[11]。 為了確保管道的整體性能，應用316L 作為熱管和導管的材料，其具有強大的抗點蝕性，能夠讓導管許多性能變得更加優異，從而擴大服務范圍，因此316L 可以使管式爐使用時間得到有效延長， 減少粗苯回收過程中的資源浪費和成本浪費。 此外，316L 可以提升粗苯回收效率， 對粗苯回收而言是一種極佳的材料。

此外，在加熱富含油脂的油時，它使用級聯加熱方法來減少加熱過程中的能耗。 首先，在對流段中加熱熱交換器的富油， 富油進入輻射區后，進一步升高溫度以控制富油溫度并達到蒸餾效果，同時降低系統能耗。

總之，此次研究主要針對焦油煤氣中粗苯的回收問題，以理論為基礎，研究了在實際操作過程中所涉及的設備選取以及各個步驟方法的選擇等問題，重點論述了苯的清洗過程和脫苯時的工藝。 在探究的過程中，我們也注意到許多操作進行過程中必須要注意的細節問題，這對于今后粗苯的回收工作具有一定的啟發意義。 但為了深入提升粗苯回收效果，在接下來的研究過程中還需要進行進一步的分析實驗。