低階煤熱解項目煤氣熱量及焦油的回收工藝

單 丹

（太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300450）

能源是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。我國石油、天然氣資源不豐富，但煤炭資源較為充足。隨著我國現(xiàn)代化步伐的不斷加快，能源短缺的現(xiàn)象也越來越嚴重，積極發(fā)展煤炭尤其是低階煤的分質(zhì)利用技術(shù)和高效潔凈利用技術(shù)，對我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

我國從20世紀80年代開始發(fā)展煤熱解技術(shù)，并借鑒煉焦行業(yè)對高溫焦爐氣用水激冷降溫然后冷卻的工藝，對熱解煤氣進行處理。該工藝不僅無法高效回收煤氣中的大量熱能，更會產(chǎn)生大量含酚及氨氮等有害物質(zhì)的廢水，極大制約了低階煤熱解系統(tǒng)整體能效提升及產(chǎn)品高值化利用。因此，從節(jié)能、環(huán)保等角度來考慮，開發(fā)“熱解氣的凈化分離和能量梯級利用技術(shù)”是目前煤熱解項目發(fā)展的主要方向和潛力所在[1-2］。

某低階煤熱解項目采用干燥、熱解工藝處理原料末煤。其工藝流程主要為：原料煤依次通過干燥窯、熱解窯進行低溫干餾，生產(chǎn)的提質(zhì)煤作為產(chǎn)品外售，生產(chǎn)的熱解氣通過焦油回收工段回收焦油；除去焦油后的煤氣進入煤氣脫硫工段，脫硫后的熱解煤氣作為回爐燃料為窯爐系統(tǒng)提供熱量。其中，焦油回收工段包括煤氣的熱量回收及相應裝置中焦油的冷凝回收，是該工藝流程的技術(shù)難點。

Aspen Pl us模擬軟件是由美國麻省理工學院于20世紀70年代開始研發(fā)的大型化工流程模擬軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展和優(yōu)化，已成為目前業(yè)界公認的標準化工流程模擬軟件。該軟件具有完備的物性數(shù)據(jù)庫，依據(jù)熱量和物料平衡基本原理，通過已經(jīng)建立的單元操作模型，可對工藝流程進行模擬求解，得到合理的工藝條件[3]。

本文針對焦油回收工段，利用Aspen Pl us模擬軟件，構(gòu)建煤氣熱量與焦油回收工藝流程，以焦油性質(zhì)與析出特征為基礎，形成基于溫度梯度的熱解煤氣分級處理技術(shù)，逐級回收熱解煤氣所含熱量，并實現(xiàn)不同餾程焦油產(chǎn)物分質(zhì)回收。

1 工藝流程

1.1 模型的建立

根據(jù)項目提供的干餾煤氣中焦油的性質(zhì)和不同品位熱量分質(zhì)回收要求，設置換熱設備。通過傳熱過程間接冷卻煤氣，以回收煤氣顯熱，副產(chǎn)蒸汽，并回收冷凝下的焦油。焦油回收工段工藝流程初步設定為：來自除塵器的干餾煤氣[流量12 000 m3/h，溫度430℃，壓力-10 kPa（G）]首先進入廢鍋A降溫，煤氣中的焦油通過冷凝回收，同時副產(chǎn)蒸汽。隨后煤氣進入廢鍋B冷卻，進一步冷凝回收焦油，同時副產(chǎn)常壓蒸汽。廢鍋A和廢鍋B回收的焦油，加壓送入焦油換熱器降溫到80℃。隨后煤氣分別進入間冷器A、間冷器B，通過與循環(huán)水間接換熱，將煤氣冷卻降溫到30℃送出界區(qū)，同時油水冷凝回收。

上述流程中的4個換熱器，不僅進行煤氣換熱，還將焦油冷凝下來。在Aspen Pl us軟件的基礎模型中，并沒有十分合適的單個單元模型可直接用來模擬該過程。故選用軟件中的換熱器模型Heat er X和分離器模型Fl ash2的組合形式，模擬該工藝中的換熱器。焦油回收工段模擬流程如圖1所示，模擬流程圖中的符號說明見表1。廢鍋A的干餾煤氣S1、除氧水CW1的換熱通過FG1(Heat er X)完成，隨后降溫的煤氣S2進入F1(Fl ash2)，在規(guī)定出口壓力和絕熱條件(Q=0)下，完成氣液平衡的計算，模擬焦油冷凝。其余三個換熱器同理。廢鍋A和廢鍋B冷凝下來的焦油溫度較高，需降溫到80℃送入罐中儲存。故選用軟件中的混合器Mixer、泵Pump和Heat er X的組合，模擬加壓進入焦油換熱器換熱。即從廢鍋A和廢鍋B冷凝下來的焦油J1和J2，進入MIX1(Mixer)混合，隨后物料J3通過泵PUMP1加壓后，物料J4進入JYH（Heat er X）換熱，在規(guī)定J5焦油出口溫度80℃條件下，完成流程模擬。

圖1 焦油回收工段模擬流程圖

表1 模擬流程符號說明

表2 低階煤熱解煤氣組成 %

圖2 焦油組分處理流程

1.2 組分的定義

低階煤熱解煤氣組成（煤氣中灰塵質(zhì)量濃度為20 mg/m3）見表2。其中，焦油成分復雜，組分多，通常無法得到其詳細的化學組成。目前，焦油在模擬中的處理方法是采用虛擬組分，即將焦油餾分切割成有限數(shù)目的窄餾分，每一個餾分都視為一個純組分，稱為虛擬組分。在模擬計算過程中，通過輸入蒸餾曲線、油品密度、平均分子量等性質(zhì)參數(shù)，可以生成油品的虛擬組分。該項目輸入焦油的蒸餾曲線數(shù)據(jù)和密度作為基礎，Aspen Pl us對焦油組分處理流程如圖2所示。

1.3 物性方法的選擇

物性方法的選擇是決定模擬結(jié)果準確性的關鍵步驟。Aspen Pl us基于物性方法的選擇來計算熱力學性質(zhì)和傳遞性質(zhì)。該項目除焦油以外，煤氣選擇RKS-BM物性方法，該方法用于非極性或弱極性混合物的物性參數(shù)計算，如CH4、CO2、H2等[4]。焦油類型選擇Assay（Aspen Pl us中的油品評價數(shù)據(jù)庫），物性方法選擇BK10，該方法用于石油混合物的物性計算。

1.4 參數(shù)匹配調(diào)控

對于廢鍋A和廢鍋B，需考慮副產(chǎn)蒸汽和焦油冷凝二者之間的匹配調(diào)控，以形成基于溫度梯度的熱解煤氣，逐級回收熱量，并實現(xiàn)不同餾程焦油產(chǎn)物分質(zhì)回收。焦油性質(zhì)及相關參數(shù)見表3。

表3 焦油性質(zhì)及相關參數(shù)

焦油運動黏度計算公式見式（1）[5]：

式中：υ為運動黏度，cm2/s；T為溫度，K。

根據(jù)式（1）計算50℃～430℃下焦油的運動黏度，發(fā)現(xiàn)溫度200℃以上時，焦油的流動性較好。

對廢鍋A進行參數(shù)設計：考慮到副產(chǎn)蒸汽及焦油性質(zhì)，利用Aspen Pl us軟件的設計規(guī)定（Design Spec）模塊，指定產(chǎn)物CW2的氣相分率為采集變量，設定Tar get和Tol er ance分別為1.0和0.001。廢鍋A物流S2出口溫度作為操控變量，設定變化范圍為200℃～300℃。在以上條件下運行模擬，流程收斂。結(jié)果得出廢鍋A出口溫度為280℃時，可得到3.8 MPa（G）品質(zhì)的蒸汽，同時焦油無冷凝。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，運行過程中廢鍋A換熱管壁面溫度不能過低，否則冷凝的焦油容易附壁，形成較難清除的焦油渣。

對廢鍋B進行參數(shù)設計：熱解煤氣S3進料溫度為280℃，利用Aspen Pl us軟件的設計規(guī)定（Design Spec）模塊，以干餾煤氣S1中焦油含量為總量，指定焦油冷凝產(chǎn)物J2析出質(zhì)量比為采集變量，設定Target和Tol er ance分別為0.8和0.001；廢鍋B物流S4出口溫度作為操控變量，設定變化范圍為100℃～200℃。在以上條件下運行模擬，流程收斂。同時考慮副產(chǎn)常壓蒸汽，使用優(yōu)化（Opt imizat ion）和約束條件（Const raint）模塊，完成流程優(yōu)化，結(jié)果得出廢鍋B出口溫度為120℃時，可得到常壓品質(zhì)的蒸汽；同時焦油回收質(zhì)量為4 174 kg，回收率為0.8，焦油在較高溫度得到冷凝回收，無水分混入，純度高。廢鍋B作為主要焦油回收裝置需要進行有效設計，通過保證換熱管壁面光滑，合理選擇換熱管尺寸，設置焦油導流收集裝置，設備采取保溫等措施，保證焦油有效冷凝，防止換熱器焦油結(jié)渣。

同理，分別使用上述三個模塊對焦油換熱器、間冷器A和間冷器B進行參數(shù)設計。廢鍋A和廢鍋B回收的焦油J3通過泵加壓到0.4 MPa（G），送入焦油換熱器降溫。焦油換熱器的進水溫度設定為30℃，出口焦油J5溫度設定為80℃。通過設計規(guī)定（Design Spec）模塊，指定出水溫度作為采集變量，進水流量為操控變量，可得到焦油換熱器的出水溫度40℃，用水量5 t/h。間冷器A的進水溫度設定為30℃，間冷器B的進水溫度設定為16℃，間冷器B煤氣S8出口溫度設定為30℃。通過優(yōu)化(Optimization)和約束條件（Const r aint）模塊，約束間冷器B出口煤氣S8焦油質(zhì)量濃度＜50 mg/m3，優(yōu)化流程模擬，使間冷器A和間冷器B的總用水量最少，得到間冷器A出水溫度40℃、用水量303 t/h，間冷器B出水溫度20℃、用水量32 t/h。間冷器A和間冷器B回收產(chǎn)物均為油水混合物。其中焦油質(zhì)量共計921 kg，回收率為0.18。以上工藝流程的設備操作條件見表4，公用工程消耗及產(chǎn)品規(guī)格見表5。

表4 設備操作條件

1.5 焦油分質(zhì)回收

對廢鍋A、廢鍋B（實際運行考慮廢鍋A有可能有焦油冷凝情況）回收的焦油混合物和間冷器A、間冷器B回收的油水混合物，進行分質(zhì)回收。溫度偏高的焦油不可直接進入分離罐，因為當溫度升高時，揮發(fā)出的氣相增大，不僅造成組分損失，而且會使容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。同時重油為沸溢性油品，當儲存溫度升高時，由于熱傳遞作用，可引起內(nèi)部水的汽化，使水的體積膨脹，從而引起油品沸溢和噴濺現(xiàn)象，造成大面積火災。故廢鍋A和廢鍋B回收的焦油先自流流入焦油罐（油封，防止煤氣泄漏），隨后通過液位與閥門、泵的連鎖控制，將焦油連續(xù)送入焦油換熱器降溫到80℃后，送入焦油分離罐進行分質(zhì)回收。間冷器A和間冷器B回收的油水混合物自流流入中間罐（油封，防止煤氣泄漏），通過液位與閥門、泵的連鎖控制，將油水送入油水分離罐中。

回收的焦油按密度可分為水下油（密度大于1 000 kg/m3）和水上油（密度小于1 000 kg/m3）。水下油可用于高壓加氫制得石腦油、柴油組分等產(chǎn)品。水上油可用于調(diào)和燃料油和燒火油。上述混合產(chǎn)物可以通過靜置分層進行分質(zhì)回收。分別設置2個焦油分離罐和2個油水分離罐，一個罐裝滿后，通過液位指示、閥門的連鎖控制或手動閥門開關操作，切換至另一個罐，2個罐交替工作，并根據(jù)靜置分層時間和儲罐大小設置周期時間，將罐中分層好的焦油和輕油、輕油和污水送出界區(qū)。出站產(chǎn)品規(guī)格見表6。

表5 公用工程消耗及產(chǎn)品規(guī)格

表6 出站產(chǎn)品規(guī)格

2 工藝評價

國內(nèi)目前在建的熱解煤氣項目多采用水激冷直接冷卻工藝，具有冷卻效率較高，煤氣壓力損失較小，不易堵塞等優(yōu)點，同時具有工藝流程復雜，動力消耗較大，循環(huán)氨水冷卻器易堵塞等缺點。由于熱解煤氣經(jīng)水洗后，溫度降低，基本已無能量回收價值，其能量最終只能依靠大量的循環(huán)水（制冷水）帶走，導致生產(chǎn)能耗居高不下；工藝中使用的急冷水用泵加壓循環(huán)，導致循環(huán)水中的酚、油含量逐漸增大，后續(xù)水處理難度及成本居高不下[6]。以上兩點都會影響項目的經(jīng)濟效益。

相較于水激冷工藝，該工藝最大的優(yōu)勢便是節(jié)能效果顯著，其主要換熱器熱負荷見表7。

表7 主要換熱器熱負荷MJ/h

模擬結(jié)果顯示，采用該工藝，廢鍋A和廢鍋B每小時可分別回收4 843 MJ和5 829 MJ的熱量，副產(chǎn)3.8 MPa(G)中壓蒸汽2t和低壓常壓蒸汽2.2t。采用該工藝每年可副產(chǎn)蒸汽3.024萬t（裝置運行時間按7 200h考慮），可節(jié)約標煤約0.389萬t（蒸汽折標系數(shù)均按0.128 6 kgce/kg考慮）。由于其回收了部分余熱，使得系統(tǒng)冷卻裝置的負荷降低了一半之多，因此整個裝置的投資較低。此外，采用該工藝可節(jié)約大量循環(huán)水，從而節(jié)省了此部分投資，運行成本也較低。焦油回收中，全過程油水均為靜態(tài)分離，省了水激冷工藝中激冷水循環(huán)加壓的過程，因此污水中油、酚、COD含量低，污水易處理，且處理成本低。同時由于焦油回收過程是在控制溫度下的分段回收，出站煤氣焦油質(zhì)量濃度26 g/m3，焦油回收率為98%，產(chǎn)品重油、輕油不含水，輕油與水的密度相差較大，油品分離效果較好，因此輕油中含水量也較低，油品品質(zhì)有了很大提升。產(chǎn)品可按需分類銷售，使項目具備更好的經(jīng)濟性。

綜上所述，該工藝針對430℃中低溫干餾煤氣，以焦油性質(zhì)與析出特征為基礎，形成了基于溫度梯度的熱解煤氣分級冷凝工藝技術(shù)，逐級回收熱解煤氣所含熱量，并實現(xiàn)了不同餾程焦油產(chǎn)物的分質(zhì)回收。從投資、運行成本和節(jié)能效果上看，均優(yōu)于傳統(tǒng)無熱回收工藝。

3 結(jié) 語

低階煤通過熱解可實現(xiàn)煤炭資源的分級綜合利用及能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，可緩解國內(nèi)油氣短缺的現(xiàn)狀，是煤炭清潔利用的新興發(fā)展方向。其中，熱解煤氣的熱量回收和焦油回收技術(shù)的工藝研發(fā)，即從低階煤中分別得到熱能、蒸汽、焦油、煤氣等多種產(chǎn)品，是目前國家鼓勵的煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)研究的重點方向。對于中低溫熱解煤氣，以焦油性質(zhì)與析出特征為基礎，通過相變換熱與焦油回收的匹配調(diào)控，可實現(xiàn)熱解煤氣熱量梯級回收利用及熱解焦油產(chǎn)物分質(zhì)回收。該工藝優(yōu)勢明顯，能高效潔凈利用煤炭，提升環(huán)境效益和經(jīng)濟性，是中低溫熱解煤氣熱量回收利用的有效途徑。