煤炭直接液化硫酸亚铁催化剂溶液配制高效运行方案优化探讨

刘涛

摘 要：针对硫酸亚铁在溶解运行中存在板结、溶解效率不足、酸气腐蚀、物料管控等问题或缺陷进行原因分析，并有针对性地提出解决措施，提升物料溶解效果，满足安全、稳定运行，积极保障煤炭液化装置油收率。

关键词：硫酸亚铁催化剂;溶液配制;运行方案优化

煤炭直接液化制油技术，是以煤炭为主要原料制取可以广泛应用的石油类产品，该项技术在发展变化中逐步趋于完整、成熟。近年来煤炭液化技术的研究又有了大的发展，催化剂在煤炭化学转化过程中受到广泛重视。煤炭直接液化制油所用催化剂按其活性大致可分为三类：一是铁系催化剂;二是Ni、Mo系石油加氢催化剂;三是Zn、Sn等熔融氯化物。而催化剂参与煤炭液化反应，按形态和加入方式不同可分为分散型催化剂、负载型催化剂、均相催化剂等。在实际应用中，煤直接液化制油多选用分散型催化剂，其制作方法就是将催化剂原料配制为一定浓度的溶液，加入到煤或油煤浆中以达到有效分散活性的目的，从而更好地实现煤到油的转变。本文就针对铁系催化剂溶液配制进行一些学习性探讨，结合运行中存在问题提出一些可行的解决措施应用于实际生产，提升溶液配制综合运行效率。

1 存在的主要问题

硫酸亚铁在配制溶液中主要存在：一是硫酸亚铁在溶液配制中，水溶液所用热媒蒸汽助溶存在缺陷，如采用中压（1.1MPa蒸汽，180℃）蒸汽助溶时间不易过长，否则就会导致溶液温度过高，影响反应装置对物料的使用，而短时间、小流量又对物料溶解效果不佳，加之硫酸亚铁溶解温度又局限在一定温度范围，一般在40-50℃溶解效率最好;二是搅拌方式的选用对物料溶解效率、溶液浓度、运行能耗、设备维护费用等存在的问题;三是硫酸亚铁溶解过程中存在物料板结（物料未能有效溶解）影响池体有效容积，清池频率较高（一年两次之多），费用较大（一次清池费用在10万以上）;四是溶解过程中采用蒸汽进行助溶，池内热溶液引发溶解池内的酸雾、水汽向外逸散对厂房内设施、设备的腐蚀影响;五是硫酸亚铁固料采用装载机人工加入过程中溶液的飞溅以及固料对池内加热管、池壁等的损害;六是所储硫酸亚铁物料粉尘及结晶水析水（硫酸亚铁固料含有七个结晶水）所形成的酸性水（pH=1-2）对料场地面的腐蚀、物料储存自身所形成的酸脂物对物料自身的影响，运输车辆拉运中硫酸亚铁析出的水化物对周边道路、环境的影响;七是整个储料场及溶解池防渗措施的缺陷，长期运行显现出的物料下渗、地基下沉问题。

2 改进措施

2.1 溶液配制运行方案对比与选优

在实际运行中不断尝试、对比硫酸亚铁物料溶解效率提高的方法，并通过必要的试验方法进行试验，在实际运行中得到良好效果。首先，从增加搅拌以及搅拌方式的选用上，提升物料溶解效率。受实际情况的制约，物料溶解池体形状有圆形、长方形，但池型对物料溶解影响程度不大，主要影响因素为溶解温度和搅拌动力。

第一种搅拌方法，采用机泵对溶解池内物料打循环进行喷射搅拌，从运行情况以及池内物料前后沉积情况来看，运行效果良好，但是最大的不足是机泵因结晶物、液体腐蚀等造成机封泄漏频率高，一年机封更换费用约两万多元（年更换机封约8-10套）;能耗大，一年电费约八万多（33kW电机，24h连续运行），综合考虑经济性差。

第二种搅拌方法，利用配制溶液水、蒸汽搅拌，利用水、蒸汽冲力来搅动物料溶解，同时补充溶解所需的热量，受溶解池容积限制、装置用量变化、溶液温度指标要求，搅拌时间与工艺运行形成矛盾，溶液搅拌时间不足，溶解效果不佳，物料在溶解池内形成板结物，池体运行时间缩短，增加清池频率，运行成本加大。

第三种搅拌方法，采用工厂风相向对流搅拌。在硫酸亚铁溶解池内不间断供入工厂风对溶液形成连续扰动来达到对物料的充分搅拌溶解。供风线与蒸汽助溶线间隔布置，通过调节风量、蒸汽量，一则实现对溶解池内物料搅拌，二则借助风量合理调控溶液温度在合理范围，实现风与蒸汽相互作用，克服蒸汽助溶温度控制的不足，溶液温度既达到溶解合理温度区间，也有效满足装置对物料温度的需要。通过前期小样实验，硫酸亚铁溶解过程中通入工厂风搅拌，硫酸亚铁在强酸环境下，溶液铁离子浓度未发生明显变化。后期单池改造运行一年后，池内板结物较以往减少约三分之二，清池时间缩短一半，清池维修费用降低近30%。运行中溶液浓度、密度稳定，与以往相比无大的波动，采样检测浓度值几乎都在装置需要的工艺指标上限值内。在运行成本上该种方式动能消耗最小，维护费用最小。目前，在运溶解池全部采用工厂风搅拌运行。

2.2 溶液配制中溶解池內所产生酸雾、水汽治理

硫酸亚铁溶解池，因人工间断倒料、观察池体运行、溶液状态，溶解池在设计上为敞口运行，在实际运行中池内产生的酸雾、水汽在溶解池上方弥漫、扩散，对厂房内钢梁、天车轨道、工艺管线等造成不同程度的腐蚀影响，特别在北方的冬季和气温变化幅度大的夜间，厂房内雾气浓度较大直接影响作业人员视线，对正常的物料接卸、倒料都作业存在着极大地安全隐患。酸雾、水汽在厂房屋顶冷凝后形成水滴大面积下落，下落的水滴经常易造成电器设备腐蚀损坏，对运行设备安全运行也十分不利。实施酸雾回收治理已迫在眉睫，我们针对酸雾性质及危害制定相应的方案。

第一种方案，针对溶解池内逸散出的酸雾、水汽集中收集，之后将这类物料送到一个特制的喷淋塔内用冷却水进行喷淋冷却，使酸雾、水汽冷凝变成冷凝液，由塔底排放到溶解池中，以达到回收利用。该方案参与运行设备多，设备材质、后期维护等各项费用较大。

第二种方案，在硫酸亚铁溶液溶解池上方加盖以密封整个溶解池，溶解池加盖上方采用管道通过风机抽出溶解池内的蒸汽并输送到换热器上方壳程筒体内。同时用水泵经过冷却水管道将外部水源（来自自来水或新建水池，为洁净水）输入换热器管程内，由于换热器壳程内的废蒸汽温度较高，而换热器管程内冷却水的温度较低，两种介质通过换热管管壁两侧进行热量交换，使废蒸汽的温度降低并冷却达到酸蒸汽冷凝成液体，同时酸气中的水蒸汽也同时冷却或冷凝成水，积存在换热器壳程筒体下方，然后用循环水泵将壳程筒体内的废液抽出到溶解池内，完成含酸废蒸汽的回收全过程。对于还余留在换热器壳程筒体上部的部分未完全冷凝的废蒸汽或一次换热未完全冷凝的废蒸汽气体，再通过换热器筒上部的副线管道连接到风机进风端的管路上，在风机抽出溶解池内气体的同时，再通过风机抽取换热器壳程筒体内上部的余留气体，重新输送到换热器内进行二次循环冷却分离。这个过程在喷淋塔分离过程中始终保持存在，但其再循环分离的气体量同样较少。

第三种方案，在池体上方安装三个抽气罩，采用离心风机直接将池体上方产生的酸气、水雾等直接抽出汇集后排至一个密闭的水槽内，由槽内水直接吸收，水槽设有溢流管线，当水槽水位超高后溢流到硫酸亚铁溶解池内，水槽设有液位、温度、压力监控，水槽吸收液位过低时，水槽设有自动补水装置进行自动补水。排气管线设有低点凝液排液系统，管线内产生的凝液及时排至溶解池内回收。

2.3 精细化管控满足保环境、保质量

硫酸亚铁在长距离运输过程，鉴于物料自身存在析水的情形，物料运输车辆底部采用防渗材料进行防护，克服物料在运输途中析渗出的酸性物料对运输车辆和道路造成的危害。对运输车辆在运输、装卸中产生的零散物料集中回收利用，杜绝随意丢弃造成周边环境危害。

在物料储存场所，严格防渗措施和析出结晶水回收措施，同时做好储存场所粉尘防控措施和卫生定期清理制度。储存物料执行先来先用，物料加注时进行提前备料，对块状物料进行破碎、混匀，注入时控制注入量，克服物料注入对池内设施造成损坏;场地循环储用，定期检测、分析，提高物料有效使用，克服不合格物料和无效管控物料对环境和生产造成次生危害。

3 总结

煤炭直接液化技术所使用的铁系催化剂，对促进该工艺油收率有着重要作用，从每一个环节细化工艺管控意义重要。在实际运行中存在不同的问题，我们需要从物料、设备、工艺、管理等诸方面不断改进思路，立足经济、环境、安全去创新，力争以最为合理的运行方案促进煤炭直接液化技术高效、健康地发展。

参考文献：

[1]吴秀章.煤炭直接液化工艺与工程[M].北京：科学出版社，2015.