焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统研究与实践

2017-07-31张恒健金义忠李家庆李太福梅青平

分析仪器 2017年3期

关键词：样气焦炉煤气焦油

张恒健金义忠,3 李家庆李太福梅青平

(1. 重庆科技学院，重庆 401331；2. 重庆城市管理职业学院，重庆 401331；3. 重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆 400041)

焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统研究与实践

张恒健1金义忠1,3李家庆1李太福1梅青平2

(1. 重庆科技学院，重庆 401331；2. 重庆城市管理职业学院，重庆 401331；3. 重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆 400041)

焦炉煤气样气处理系统是在线分析样气处理系统的技术制高点之一，焦炉煤气中的焦油、萘等有害污染物的处理非常困难，至今都未能完全解决。本研究提出的焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统，能够很好适应焦炉煤气含尘量高，焦油和萘污染严重的特殊样气条件，具有体积小、免维护、零排放和响应快速的优点。采用该样气处理系统组合构建的焦炉煤气干法防爆氧分析系统已进入工程应用考核阶段。本设计的原位处理和原位分析，由于是干法样气处理技术，能够实现氧含量的高准确度在线分析，对安全生产有特殊的重要意义。

焦炉煤气焦油原位整体式干法处理样气处理系统高准确度

1 引言

焦炉煤气是高热值的可燃性工业废气，可广泛用于燃烧发电、多种化工原料、城市煤气等领域[1，2]。焦炉煤气含有大量煤焦油、萘等污染物质，必须予以清除，电捕焦工艺是捕集清除焦油、萘等污染物的有效手段。焦炉煤气在电捕焦过程中(如图1)，需要对焦炉煤气中氧气含量进行在线监测，当氧气含量达到0.8%时要报警，达到1.5%时会有发生爆炸事故的风险，焦炉煤气氧气含量的实时在线准确监测，对于保障安全生产绝对重要[3]。

2 焦炉煤气在线氧分析的技术史回顾

焦炭行业采用在线氧分析仪对焦炉煤气氧含量进行实时在线监控，以确保焦炉煤气生产的正常运行。为了实施对焦炉煤气样气中焦油和萘等污染物的有效处理，确保氧分析仪及其系统的可靠运行，设计可靠的样气处理系统是至关重要的[4]。焦炉煤气样气处理系统是在线分析样气处理技术的技术制高点之一，是至今都未能完全解决的工程应用难题[5]。焦炉煤气工艺流程图见图1，某焦化厂焦炉煤气的样气组分见表1。

表1 某焦化厂焦炉煤气的样气组成

图1 焦炉煤气工艺流程图

上世纪90年代初，焦炉煤气电捕焦工艺流程就开始有氧含量监测，焦炉煤气在线氧分析系统的样气处理系统，多家分析仪器厂长期探索采用水洗涤、煤油洗涤、柴油洗涤、酰油洗涤等除焦油的原始方法，都没有取得具有工程意义的成功。例如，某国企的原机电部获奖新产品XGF-406型焦炉煤气过程氧分析系统，采用大容积的柴油洗涤筒静态洗涤除焦油、萘等污染物，样气处理系统的后级出现严重污染，一年半时间损坏了两台氧分析仪[6]。有些系统集成商的样气处理系统采用抽气泵、蠕动泵、电磁阀等常规部件的复杂设计，不能满足工程应用真正意义的防爆要求，这些都是技术很不成熟的样气处理系统设计[7]。

焦炉煤气样气处理的主流技术是由英国仕富梅公司发明的，以蒸汽喷射泵取样探头为主体的湿法技术路线：利用蒸汽喷射泵取样，焦炉煤气中的焦油和萘经高温蒸汽(140℃)汽化后输送到分析柜，然后用动态循环水冷却和洗涤，气水分离后输送给在线氧分析仪检测分析。此技术路线虽然有效，但是尚有严重技术缺陷：水洗涤会造成SO2、CO2等组分的小比例溶解流失，以及水中原来溶解氧部分释放的原因，会造成样气有一定程度的失真，溶解和释放都和多变量相关，无法定量确定其影响误差，实践表明，氧含量会有正的系统误差，大约0.1%O2，从而明显降低了分析准确度。另外，系统的长寿命周期也难有效保证。某工程用户的进口设备，因发生焦油污染物堵塞样气管路而停用。此技术方案主要的产品结构相对复杂，要使用高温蒸汽和冷却水源，安装、使用不太方便，维护量也较大。

重庆凌卡分析仪器有限公司采用LKP104型蒸汽喷射取样探头和LKP204型组合式高效动态水洗涤分离器的核心技术，处理焦炉煤气中的焦油和萘，能够达到免维护的工程应用效果。

长期流行的焦炉煤气样气处理的湿法技术路线，显而易见存在技术缺陷和不足。有鉴于此，很有必要探索、研究和实践干法样气处理的技术路线。新设计的焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统，以干法原位处理法取代湿法处理，是焦炉煤气样气处理技术突破性的创新探索。

3 探索焦炉煤气在线分析的创新空间

焦炉煤气一般采用洗涤法(即湿法)除尘，除焦油、萘等污染物，但会因水中溶解氧的部分释放而造成明显的正向系统误差。氧气为非极性分子，容易被极性水分子极化。氧分子可以和水形成水合物O2·H2O和O2·2H2O，氧因此有一定溶解度，氧气难溶于水，而不是不溶于水。自然状态的水，空气中的20.7%的氧会在水中形成一定的溶解氧，在洗涤焦炉煤气时，样气中的氧一般情况下小于1%，原来水中的溶解氧会释放出一部分，氧分压才能达到新的动态平衡，从而产生正的系统误差，凡是湿法样气处理都有可能产生这种无法避免的系统误差。但是目前为止，焦炭行业所有工程项目都还在采用在这种并不理想的湿法技术路线[8]。

本设计“焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统”是焦炉煤气样气处理技术颠覆性的创新探索，采用的是原位处理法，在取样点直接抽取、原位处理和原位分析，采用干法处理取代传统的湿法处理。传统的焦炉煤气样气处理系统维护量较大，维护周期短。研究少维护甚至免维护的在线氧分析系统，也是工程应用应该突破的技术课题。

4 原位整体式焦炉煤气样气处理装置的研制

金义忠教授早在2009年就提出“原位处理法”这一新的技术概念[9]，本设计就是采用干法技术路线的原位处理法、原位分析，有效保障分析仪及系统长寿命周期的协调运行[10]。干法样气处理装置和分析仪组成的在线分析系统就地原位安装在取样点处，样气处理系统对焦炉煤气(样气)进行原位处理，样气在输入到分析仪测量气室之前，都不和水、蒸汽或其它液体有任何接触，所以是干法技术路线。这种原位处理是在长期免维护的状态下进行的，这种整体优化设计，使长寿命周期的协调运行真正成为现实[11]。

焦炉煤气原位整体式干法样气处理装置(以下简称原位处理装置)原理结构如图2所示，其外形结构图见图3，其外形图见图4。原位处理装置主体部分有高效水冷却器和高效除雾过滤分离器两部分组成，总高度31公分。构成原位整体式干法样气处理系统时，还有深入煤气管道的带粉尘分离罩的取样管组件。

图2 焦炉煤气原位整体式干法样气处理装置原理图

图3 焦炉煤气原位整体式干法样气处理装置外形结构图

5 基于干法原位处理的焦炉煤气防爆分析系统

在蒸汽喷射采样泵的抽吸驱动下，焦炉煤气的样气进入采样管，由于粉尘分离罩基于斯托克斯定律(Stokes)的物理分析作用，进入采样管的粉尘、焦油、萘等污染物会大比例减少。样气上升经过特殊结构的高效水冷却器(冷却水流量约4L/min)，被冷却降温后，在高效除雾过滤分离器中实现气水分离，高效除尘、除雾(0.3μm 99%)，处理产生的冷凝液连同粉尘，靠自重沿采样管回流到煤气管道中，从而实现最初的干法样气处理和免维护。基于原位法原位处理的防爆氧分析系统详见图5。

图4 焦炉煤气样气处理装置外形图

图5 焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统原理图

本装置采用LKF2型超微孔SiC疏水型高效过滤器，长期工程应用仍有被焦油和萘污染进而堵塞的后顾之忧，所以设计了高温蒸汽程序控制外反吹扫。由于过滤器是疏水型的表面过滤原理，才使外反吹设计行得通。高温蒸汽用于抽气和反吹，用两个高温蒸汽防爆电磁阀切换气路，实现防爆要求。蒸汽喷射泵抽吸样气，以激光氧分析仪要求的流量通过测量气室。高温(140℃)反吹蒸汽将过滤器外表面聚集的焦油、萘等污染物汽化后，从样气管反吹回煤气管道中，从而实现长期工程应用的免维护。抽气后的混合气也回流到煤气管道中，实现零排放。

6 结论

焦炭行业的焦炉煤气回收利用，是节能减排最典型的重大工程项目之一。为保证安全生产，必须采用焦炉煤气防爆氧分析系统，实时在线监测焦炉煤气中的氧含量。焦炉煤气粉尘含量高，焦油和萘等污染严重，其他行业十分有效的常规取样和样气处理方法在此都不适用，不但气路和部件容易污染和堵塞，甚至损坏氧分析仪。

焦炉煤气原位整体式干法样气处理系统，能适应焦炉煤气含尘量高，焦油和萘污染严重的特殊样气条件，能向氧气分析仪提供无尘、无水、无焦油的合格样气，能实现低成本的无堵塞连续取样、原位处理及原位分析，并且具有体积小、免维护、零排放、响应快速的优点。该产品已经投入工程应用考核。

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Research and practice on coke-oven gas in-situ integrate dry sample gas handing system.

Zhang Hengjian1，Jin Yizhong1,3， Li Jiaqing1， Li Taifu1， Mei Qingping2

(1.ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;2.ChongqingCityManagementCollege,Chongqing401331,China;3.ChongqingLinkaAnalyticalInstrumentsCo.,Ltd.,Chongqing400041,China)

This paper described the advantages of in-situ integrate dry sample gas handing system, such as small size, low maintenance, zero discharge and quick response. It can be used for high accurate on-line analysis of oxygen content.

coke oven gas; tar; in-situ integral structure; dry-processing method; sample gas handing system; pin-point accuracy