PSA技术在焦炉煤气净化中的应用

2022-01-10谢国进黄光永

冶金设备 2021年6期

谢国进黄光永

（广西科技大学机械与汽车工程学院广西柳州545006）

1 前言

近年来，国内一些中厚板厂陆续新建一批中厚板热处理生产线，总体来说，国内中厚板专用品种生产能力仍较低，品种结构难以满足市场需求。某钢企为提高中板的专用板比例，扩大产品品种范围、提高产品档次，一期建设一条中板常化热处理生产线，主要用于钢板的正火和回火。依据不同热处理要求，钢板在热处理炉内经加热、保温，完成钢板常化、高温回火和中温回火的热处理要求，以改善钢板的性能。常化热处理炉设计用气量为7000Nm3／h，焦炉煤气净化前后的指标见表1，对原料焦炉煤气进行精制净化处理，脱除焦炉煤气中的有害成分，避免给后续使用煤气设备寿命、大气及环境造成影响。

表1 焦炉煤气净化前后指标

2 净化流程介绍

焦化厂通过动力介质管网，将焦炉煤气输送到中板常化热处理生产线厂房，经过煤气净化装置净化后，供常化热处理炉使用。净化流程框图及工艺流程如图1、图2所示，焦炉煤气管网压力为3kPa～9kPa，首先进入电捕焦油器除去焦油，再进入由二塔组成的脱硫塔，通过脱硫剂脱除焦炉煤气中的硫化氢，然后进入由三塔组成的PSA变压吸附塔，经过硅胶、活性炭吸附剂进行脱苯脱萘后，将精制净化后的煤气送往常化热处理加热炉。对于变压吸附（PSA）操作单元，其正常运行时，二塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态的不同阶段，吸附和再生交替操作，通过自动开闭程控阀门得以实现。再生吹扫气采用加压精制煤气，吹扫后的含苯气返回其它煤气主管网下游。

图1 焦炉煤气净化装置流程框图

图2 焦炉煤气净化装置工艺流程图

焦炉煤气净化装置系统为全密闭系统，没有三废排放，特别是没有传统蒸汽再生所产生的大量污水，操作环境好，采用加压精制气再生工艺，彻底解决了现场操作环境污染和废水排放与处理问题，不使用电加热器，降低了设备运行能耗。另外，系统采用脱硫＋PSA精制工艺的方法，精制再生能耗低、吸附剂使用寿命长，产品气体质量有保证，所有操作切换均为全自动操作，操作简单可靠。

3 净化原理及设备

该套煤气净化装置主要采用电捕焦油、氧化铁脱硫及PSA变压吸附脱苯脱萘技术。焦炉煤气首先经过电捕焦油器去除焦油，避免吸附剂被焦油粘结，脱硫塔中的填充焦炭，可吸附煤气中的水分，保证脱硫剂不会被煤气中的水分板结。煤气脱硫采用的是干法脱硫工艺，干法脱硫有活性炭法、氧化铁法、氧化锌法以及分子筛法等工艺方法［1］。比较湿法脱硫方法，干法脱硫效率高，适宜处理含H2S较低的煤气，不产生脱硫剂废液、投资低、工艺操作也较简单。变压吸附（PSA）是一种新型的气体吸附分离技术，基本原理为：利用吸附剂对混合气体中的各组分具有选择吸附的特性，通过增压来实现对混合气体的吸附分离，通过降压来实现吸附剂的再生，以此来完成对不同气体的分离［2］。

电捕焦油器均由筒体、沉淀极、电晕极、上下吊架、气体再分布板、吹洗管、绝缘箱和馈电箱等部件组成。蜂窝式电捕焦油器是由通道截面为正六边形的蜂窝管组成，具有结构紧凑合理、没有电场空穴、空间利用率高、重量轻、耗钢材少和捕集特性好等优点。焦炉煤气中，含有0.1μm～100μm的颗粒状悬浮焦油雾，电捕焦油器入口焦油雾含量≤100mg／Nm3，可通过电捕焦的方法脱除，电捕焦油器的捕集效率在99%以上，保证了出口焦油雾含量≤10mg／Nm3。在电捕焦油器沉淀极（阳极）和电晕极（阴极）之间的高压直流电场作用下，煤气中的焦油雾、粉尘、水雾等被捕集在沉淀极上，最终靠自身重力沿极板下落，通过焦油出口排出。根据焦炉煤气处理量为7000Nm3／h，选择的蜂窝式电捕焦油器技术参数见表2。

表2 蜂窝式电捕焦油器的技术参数

脱硫塔由二塔组成，脱硫压力4.0kPa～8.0kPa，脱硫温度≤40℃，内装填料，包括瓷球、焦炭及脱硫剂等，填充料在脱硫塔内的布置如图3所示。焦炭的作用：1）焦炉煤气首先经过预处理；2）除去部分焦油；3）吸附煤气水分。根据本气源条件，脱硫装置每小时脱除H2S约16.5kg，故采用干法脱硫技术，气体中的硫化氢与脱硫剂接触发生反应生成硫化铁［3，4］：

图3 脱硫剂及填料装填图

由于煤气中存在少量的氧气，生成的硫化铁进一步氧化并析出硫磺：

当焦炉煤气中的O2／H2S≥3时，这一脱硫─再生过程将不断进行，直至脱硫剂空隙被堵塞而失效。

PSA吸附塔有三塔组成，吸附压力2.0kPa～8.0kPa，吹扫压力8.0kPa～20.0kPa，工作温度≤60℃，内装吸附剂，用于脱除萘和苯。吸附塔装填料包括：瓷球、硅胶、活性炭，填充料在PSA吸附塔内的布置如图4所示。脱苯脱奈方法采用的是变压吸附，变压吸附（PSA）的循环周期短，吸附剂利用率高，吸附剂用量相对较少，不需要外加换热设备，被广泛用于大气量多组分气体的分离与纯化。对变压吸附（PSA）操作单元，其正常运行时，二塔处于吸附状态，另一塔处于再生状态的不同阶段，吸附和再生交替操作通过自动开闭程控阀门得以实现。PSA吸附塔中的吸附剂在使用一定时间后，由于萘、苯及NH3、HCN等吸附在其表面与空隙内而失去吸附能力，从而使吸附剂失去脱苯及脱萘能力，此时，需进行吸附剂的再生，以除去其表面和空隙内吸附的苯和萘，恢复其吸附能力。吸附塔从吸附切换到再生操作状态，利用加压后的已净化煤气冲洗吸附剂床层来再生吸附剂，使得吸附在吸附剂上的萘、苯等杂质被解析并随煤气排出吸附塔，从而使吸附剂得到再生。

图4 吸附剂及填料装填图

在变压吸附（PSA）中，用加压后的净化精制煤气对PSA吸附塔中吸附剂进行反吹再生，需要采用专门的焦炉煤气加压风机。选用的是单吸入、双支撑、离心式风机，型号：C（M）120－1.156／1.023，升压：13.3kPa，进口工况流量：120m3／min，进行三级加压。通过从加压后的主管道引出分管，采用程控阀控制反吹时间及流量，对吸附剂进行再生。

PSA变压吸附技术应用于焦炉煤气净化系统中，运行一段时间后，净化精制的煤气能满足技术指标要求，保证了常化热处理生产线的正常生产运行，该精制净化装置系统具有以下优点：

1）工艺流程简单，操作简便，适应杂质变化的能力强，瞬时杂质含量升高时，装置仍然可以达到预定指标。

2）系统为全密闭系统，没有三废排放，解决了现场操作环境污染和废水排放与处理的问题。

3）吸附塔的内部结构非常有利于更换吸附剂和脱硫剂，焦炉煤气首先经过预处理，再进入脱硫和吸附，这样吸附剂不会被焦油粘结，脱硫剂不会被煤气的水分板结，可以非常轻松的更换吸附剂和脱硫剂。

4）塔内复合或者混合床装填技术，既保证了精制装置指标，又降低了关键设备被堵塞的可能性。

5）选择全自动控制的程控蝶阀控制切换方法，阀启闭灵活可靠，降低了工人劳动强度，同时碟阀的流通面积大，使得气体流通阻力减小。

6）重要工段均设计有备用塔，当故障时，可切除一个塔继续生产，实现装置的在线检修，提高了该净化装置的可靠性。