煤气水分离装置含尘重芳烃处理方法分析

张汕，闫玫霖(伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 835000)

0 引言

在煤化工生产过程中，煤气水分离工艺为核心技术，关系到能否顺利完成煤炭资源的高效转化。实际利用煤气水分离装置对粗煤气进行处理，其中不仅含有大量水蒸气，同时也含有焦油、脂肪酸、粉尘等各种杂质。经过反复洗涤、冷却处理后，需要对得到的煤气水进行气化，实现水中溶解气、焦油和固体颗粒等各种物质分离。而期间生产的含尘重芳烃成分复杂，包含的粗苯、酚类等属于贵重化工原料，未能得到合理处理，将引发严重能源浪费的同时，给环境带来污染。因此有效处理含尘重芳烃是实现煤炭资源清洁、高效利用所需解决的重要问题。

1 煤气水分离装置的运行

根据煤气水分离装置工作原理可知，首先利用冷却系统对煤气水进行冷却，然后通过减压膨胀方式对水中溶解气体进行分离。经过膨胀器处理后，根据无压重力沉降分离的原理，将气体通入到焦油分离器和油气分离器，由于油、焦油等各种组分的密度存在差异，能够实现各组分分离。将剩余气体融入过滤系统，可以进行过滤净化，部分返回煤气化装置进行循环利用，部分利用酚氨回收装置进行处理。但结合实践经验可知，装置运行主要遭遇三种问题，将给装置运行的稳定性带来影响。

首先，煤气水中含有的粉尘颗粒等固态物质较多，容易造成换热器发生堵塞问题，继而导致装置频繁发生故障。分析原因可知，与经过气化后生成的煤气水含尘量较高有关，引发冷却系统工况恶化，处于低负荷运行状态，继而导致后续焦油分离器等设备运行异常。在装置整体运行工况出现较大波动的情况下，将面临较大安全隐患。

其次，受前期冷却效果的影响，介质温度过高，存在严重油水乳化问题，继而导致后续焦油分离器无法实现焦油和粉尘等物质的有效分离。随着分离器积尘日渐加重，导致系统排污量持续增加，运行负荷也随之提高，造成分离空间、时间持续减少，陷入恶性循环[1]。因此装置产品中COD 含量较高，粗粉等副产品的含油较多，给各项物质指标控制带来较大难度。

最后，分离装置运行不佳，造成含尘重芳烃等固废产出量过多。采取以往的转运处理方式，将面临含尘重芳烃堆积情况，导致周围环境受到污染。

2 含尘重芳烃的来源及处理

2.1 来源分析

为对装置产生的过量含尘重芳烃进行处理，首先还应明确物质来源，通过把握其组分合理选择处理方法。在油气分离装置中，粗煤气包含甲烷、一氧化碳、硫化氢等各种复杂组分，初期经过冷却、膨胀处理后，多数为分解物质发生了冷凝，生成煤气水混合液，进入焦油分离器。在分离器的中心管中，混合液进入首个沉降区，促使物流沿着径向在内壁中流动，经过环缝升至下一个沉降区，最终进入设备中心，由环形溢流堰收集，最终进入到环状槽[2]。经槽底管道引出后，混合液进入后续处理设备，而分离得到的焦油物质发生沉降，进入到设备锥形底部。从物质构成上来看，包含纯焦油和含尘重芳烃，前者可以通过设备配备的液位调节器间断排出，在重力作用下进入到油槽中，通过泵送方式输入储存罐中。而含尘重芳烃将从设备底部流出，需要额外处理。由于含尘重芳烃较为黏稠，容易在设备内壁上附着，因此设备内部配备电动刮刀清除沉积的含尘重芳烃。此外，一旦焦油发生裂化分解等反应，将出现流动性下降问题，因此需要在设备锥底外壁设置加热盘管，通过蒸汽加热方式加速含尘重芳烃向下流动，以免出现凝固现象。由此可知，含尘重芳烃来自于焦油分离器，从组分上来看含尘量较高，可以达到40%左右，同时水分含量也较高，约达12%左右；剩余物质为焦油，内含粗苯、酚类等化合物，可用于橡胶、塑料等材料的制备，具有回收价值。

2.2 含尘重芳烃的处理方法

由于含尘重芳烃中包含较多煤尘、重芳烃等物质，具有黏度大、流动性差等特点，因此处理起来较为困难。从现有含尘重芳烃处理方法上来看，按照作用主要可以划分为三类，即燃烧处理、气化处理和深度处理。

采取直接燃烧处理方法，可以将含尘重芳烃当成是土窑燃料。但在实际应用过程中由于燃烧温度不高，同时供氧量较低，因无法充分燃烧而产生废气。废气中包含较多的环芳烃等物质，属于有毒废气，直接排放将引发环境污染。而将含尘重芳烃与煤混合，可以完成型煤配制，使用高温锅炉能够使其充分燃烧。在工业生产实践中多采用该种处理方法，能够生产得到低灰、高黏、挥发分高的炼焦型煤，通过回炉炼焦可以获得更多的煤气和焦炭，具有一定经济效益[3]。此外，也可以在含尘重芳烃中添加分散剂、稀释剂等添加剂后得到乳化液燃料，也能实现充分燃烧。但该方法对燃料的配比要求较高，故尚未在工业生产中应用。

根据相关研究可知，含尘重芳烃也能用作煤气化原料，采用水乳化制浆、煤沥青-水制浆等技术，然后利用气化技术生产原料气[4]。在工业生产中，多使用含尘重芳烃进行水煤浆配制，也能转化为原料气进行循环处理。采取该工艺，利用均化器将含尘重芳烃磨碎，增强其流动性的同时，通过泵送加压方式输入循环管道，喷射到汽化炉中加压气化，剩余通过管道返回煤气水分离装置实现循环利用。采取该种处理方法，无需排放含尘重芳烃，但依然无法实现焦油的高效利用，同时因含尘重芳烃容易造成循环管路堵塞，因此经济效益不高。

实现含尘重芳烃的深度处理，可以通过机械或化学萃取方式将煤尘和焦油分离开来，然后对有价值的组分进行回收利用，加工成具有较高附加值的工业材料。采用机械分离方式，将根据含尘重芳烃各组分密度差异进行离心分离，利用高速旋转设备提供离心力，具有工艺简单、效率高等特点，但无法实现各种物质的完全分离。采用化学分离法，利用萃取溶剂对含尘重芳烃中的有机组分进行溶解、提取，可以实现物质有效分离。在工艺实践中，要求按比例混合含尘重芳烃和溶剂，经过过滤、离心、沉降等工序完成油、渣分离。在此基础上利用汽提、蒸馏等手段实现油品和萃取剂分离。萃取剂的选择存在一定难度，同时工艺流程较长，使用过多化学试剂则容易给环境带来污染。此外，采用热解分离方式，对含尘重芳烃进行加热促使有机物分解。在工艺实践中，将含尘重芳烃输入到缓冲罐中进行初级加热，经过搅拌、沉淀和离心后，可以实现多数油渣分离[5]。得到的焦油经过蒸馏、加氢制备等深度加工，能够实现价值最大化。而针对含油粉渣，利用裂解蒸馏装置升温，随着分子裂解，渣内油分、水分将得到蒸馏。油分中包含酚油、轻油等，可以用于生产不同的油品。剩余残渣送入气化车间，经过干燥、破碎等处理后直接送入流化床锅炉燃烧，也可以通过加工制备石墨烯、活性炭等材料。整个工艺较为复杂，包含较多处理步骤，因此运行成本较高，但生产出的产品具有较高附加价值，可以实现资源充分利用。

通过综合分析可知，将含尘重芳烃当成是燃料、原料等使用，需要采用相应的处理方法进行油和煤粉的分离。而采用不同方法处理含尘重芳烃，应知道各自的优缺点，在工艺生产实践中结合实际条件选择适宜的处理方法。

3 含尘重芳烃处理工艺的改进

3.1 处理工艺

3.1.1 工艺流程

某煤气水分离装置用于对气化装置产生的含油含尘煤气水进行处理，设计规模为1 800 t/h。对装置分离流程展开分析可知，煤气水将在装置中分为三股物流，具体为含油煤气水、含尘煤气水和经过初步分离的混合液。首先，含油煤气水经过换热、膨胀后释放溶解气体，压力下降至接近大气压。前期释放气体混合物与膨胀气融合，冷却后送入硫回收装置。而液体部分进入油分离器后，油分因不溶和密度差异上浮，溢流至油槽，剩余部分与含尘煤气水混合，进入最终油分离器[6]。其次，含尘煤气水经换热、减压后进入焦油分离器，实现纯焦油和含尘重芳烃分离。含尘重芳烃利用均化器处理，然后装车运输至气化炉焚烧。最后，将从不同分离器流出的液体混合，进入最终油分离器。在重力引流作用下，混合煤气水进入缓冲槽，部分将泵送至气化单元，部分进入双介质过滤器进行过滤，利用酚氨回收装置处理。

3.1.2 含尘重芳烃的处理情况

在工艺生产实践中，每天含尘重芳烃量达到200 t，出现了堆积情况，面临转运难题的同时，引发了分离器运行效率下降问题，造成分离效果不佳，未分离焦油进入到油分离器和过滤器中，并流入酚氨回收装置。通过现场检查，可以发现回收装置在进口位置出现大量焦油沉积现象，造成原料酚水中含油量较高。与此同时，经过一段时间运行后，用于喷射煤气水的喷射泵出现水量下降问题，检查确认泵进出口过滤网发射堵塞。分析原因可知，由于焦油分离不彻底，造成回流煤气水中油分较多，给塔盘、换热器等带来的影响，造成泵料脏污和泵口堵塞。为保证装置可以稳定运行，则需定期进行各处过滤网、滤料等零部件和材料更换，造成运行成本较高的同时，产品质量不稳。

3.2 装置改造

3.2.1 改造方案

从含尘重芳烃处理角度展开分析，在装置改造方面还应提出可以实现含尘重芳烃减量处理和高效分离的方案，以便为各种物质的回收利用奠定扎实基础。对几种处理方法进行比较，原装置采用外运燃烧处理方法，显然面临含尘重芳烃堆积问题，无法达到减量目标。而采用气化方式将含尘重芳烃返回汽化炉循环，尽管可以解决物质运送和排放问题，但仍然未能实现焦油组分高效回收和利用，并且同样面临管道堵塞和定期检修维护难题，总体经济效益不佳。采用深度处理方法，通过化学萃取放或热裂解方式进行含尘重芳烃处理，在现有工序较多的情况下，将导致工艺流程过于复杂，给各种物相分离控制带来困难。与此同时，配备过多的工艺装置，也将造成装置改造成本过高，无法满足实践生产要求。在综合考量的基础上，决定采用多相分离方式进一步完成含尘重芳烃分离处理，减少装置最终产生的固废的同时，加强焦油资源回收利用。

采用多相分离处理技术，能够延长流体在分离器中的静置时间。具体来讲，需要选用三相离心机对从现有焦油分离器中流出的含尘重芳烃进行处理，通过泵送方式输送至离心机种，促使密度大的固体在离心作用下进一步发生沉降，达到增强粉尘和焦油分离效果的目标，继而使整个煤气水循环情况得到改善，保证煤气水分离装置能够维持高效、稳定运行。从离心机运行过程来看，由于粉尘和焦油密度存在差异，在离心过程中较轻的液相和较重的固相将构成同心圆柱，前者处于内层，后者将在传鼓壁上沉积，并经过输送器输入到筒体锥体端，排入到固体集料箱中。而分离得到的焦油进入焦油槽，产生的废水由集液箱返回到煤气水分离装置入口。采取三相离心机和前面的焦油分离器构成分离系统，如图1 所示，能够加强热值高的焦油回收，同时可以完成煤气水、粉渣的分离处理，配合现有工艺运行。而无需对原本工艺路线进行改造，可以简化分离操作和减少前期投资，使装置产生的含尘重芳烃明显减少，有助于实现清洁生产目标。

图1 含尘重芳烃分离系统

3.2.2 方案实施

在方案实施阶段，针对煤气水中固体颗粒物含量较多的情况，为从源头加强控制，首先需要在装置进口位置增设固液分离设备，可以对上游输送的液体中的大粒径物质进行沉降，避免换热器等设备发生堵塞，确保后续分离设备可以维持稳定运行。增设该装置，也能预防阀门、管道等配件堵塞，降低装置维修频率。考虑到煤气水中含有一定量油分，需要适量添加净化助剂预防油分乳化，以免给分离系统运行带来不良影响。结合生产经验，选用亲水亲油净化助剂，可以直接作用于液体表面，通过调整液面张力吸附煤尘、固体悬浮物等，使油水混合物的分离效果得到增强。在此基础上，选用Z4E-3/44 型号的高效三相离心机，设计处理量可以达到10 m3/h，能够在2 500～3 000 倍超重力条件下对煤尘、煤气水和焦油进行分离，实现不同物质分离处理。

对优化后的工艺过程展开分析，可知含尘煤气水经过固液分离后，液相经过换热、膨胀后将进入分离系统，首先利用焦油分离器进行处理，得到的焦油泵送入罐，剩余物质进入三相离心机进行处理，固相用于燃烧，液相返回煤气水分离装置入口，焦油进行回收。而含焦油煤气水直接进行换热、膨胀后，进入分离系统处理，并在缓冲槽中添加助剂，防止液体乳化的同时，加强酚氨的回收利用。通过对焦油和煤尘分离过程进行强化，最终可以得到纯焦油，泵送至罐区出售，剩余煤尘运输至汽化炉所在位置，与粉煤混合后燃烧处理。因此采取优化工艺，固废量将有所减少，焦油等资源将得到高效利用。

3.3 效果分析

对装置改造效果展开分析，可知经过前期固液分离、焦油分离器等设备处理后，进入三相离心机的煤尘含量下降至9.08%，水含量达到15.08%，而离心机出料情况如表1 所示，生成的各种物质组分均能达到合格指标。因此采用分离系统实现三相处理，得到的重芳烃可以直接销售，而尘渣可以与胶粉混合生成型煤，在锅炉中可以充分燃烧，避免产生有毒废气。对其他工艺指标进行分析，可知换热器、分离器等设备运行周期有所延长，如换热器运行时间从20～40 d 延长至240 d，冷却器运行时长从30～60 d 延长至240 d，焦油分离器从30～60 d 延长至240～300 d，由此可见，利用三相离心机分离得到的废液返回煤气水分离装置中循环，可以保证整个分离装置稳定运行。

表1 离心机出料情况

对装置副产品分离效果展开分析，可知COD 值有所下降，从28 000～35 000 mg/L 降低至18 000～ 23 000 mg/L，煤气水含量1 200～2 500 mg/L 从降低至300～800 mg/L。因此装置改造后煤气水各项指标有所改善，能够增强水质生化效果，时装置获得更强的水处理能力。从副产品产量来看，重芳烃从10.5 万吨/年提升至12.0 万吨/ 年，多元烃从5.4 万吨/ 年提升至8.5 万吨/年，说明分离装置能够保持高效运行，提高资源回收利用率。而装置累计投资4 000 万元，每年可以节约3 500 万元固废处理废，通过增加副产品产量每年约带来3 000 万元收益，因此方案的实施创造了显著效益。

4 结语

在煤气水分离装置运行的过程中，含尘重芳烃主要来源于焦油分离器，在装置运行状况不佳的情况下产生的含尘重芳烃逐渐增加，难以实现焦油组分的高效分离，引发含尘重芳烃堆积问题。为预防该类问题的发生，需要对现有工艺装置进行改进，针对煤气水中固体组分多的问题增设固液分离装置，并通过添加净化助剂和增设三相离心机等方式实现油、尘的高效分离，加强含尘重芳烃的减量化处理和资源化利用，为装置运行带来更多经济效益和环保效益。