低阶煤热解项目煤气热量及焦油的回收工艺

单 丹

（太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300450）

能源是国民经济可持续发展的重要物质基础。我国石油、天然气资源不丰富，但煤炭资源较为充足。随着我国现代化步伐的不断加快，能源短缺的现象也越来越严重，积极发展煤炭尤其是低阶煤的分质利用技术和高效洁净利用技术，对我国经济可持续发展具有十分重要的意义。

我国从20世纪80年代开始发展煤热解技术，并借鉴炼焦行业对高温焦炉气用水激冷降温然后冷却的工艺，对热解煤气进行处理。该工艺不仅无法高效回收煤气中的大量热能，更会产生大量含酚及氨氮等有害物质的废水，极大制约了低阶煤热解系统整体能效提升及产品高值化利用。因此，从节能、环保等角度来考虑，开发“热解气的净化分离和能量梯级利用技术”是目前煤热解项目发展的主要方向和潜力所在[1-2］。

某低阶煤热解项目采用干燥、热解工艺处理原料末煤。其工艺流程主要为：原料煤依次通过干燥窑、热解窑进行低温干馏，生产的提质煤作为产品外售，生产的热解气通过焦油回收工段回收焦油；除去焦油后的煤气进入煤气脱硫工段，脱硫后的热解煤气作为回炉燃料为窑炉系统提供热量。其中，焦油回收工段包括煤气的热量回收及相应装置中焦油的冷凝回收，是该工艺流程的技术难点。

Aspen Pl us模拟软件是由美国麻省理工学院于20世纪70年代开始研发的大型化工流程模拟软件，经过多年的发展和优化，已成为目前业界公认的标准化工流程模拟软件。该软件具有完备的物性数据库，依据热量和物料平衡基本原理，通过已经建立的单元操作模型，可对工艺流程进行模拟求解，得到合理的工艺条件[3]。

本文针对焦油回收工段，利用Aspen Pl us模拟软件，构建煤气热量与焦油回收工艺流程，以焦油性质与析出特征为基础，形成基于温度梯度的热解煤气分级处理技术，逐级回收热解煤气所含热量，并实现不同馏程焦油产物分质回收。

1 工艺流程

1.1 模型的建立

根据项目提供的干馏煤气中焦油的性质和不同品位热量分质回收要求，设置换热设备。通过传热过程间接冷却煤气，以回收煤气显热，副产蒸汽，并回收冷凝下的焦油。焦油回收工段工艺流程初步设定为：来自除尘器的干馏煤气[流量12 000 m3/h，温度430℃，压力-10 kPa（G）]首先进入废锅A降温，煤气中的焦油通过冷凝回收，同时副产蒸汽。随后煤气进入废锅B冷却，进一步冷凝回收焦油，同时副产常压蒸汽。废锅A和废锅B回收的焦油，加压送入焦油换热器降温到80℃。随后煤气分别进入间冷器A、间冷器B，通过与循环水间接换热，将煤气冷却降温到30℃送出界区，同时油水冷凝回收。

上述流程中的4个换热器，不仅进行煤气换热，还将焦油冷凝下来。在Aspen Pl us软件的基础模型中，并没有十分合适的单个单元模型可直接用来模拟该过程。故选用软件中的换热器模型Heat er X和分离器模型Fl ash2的组合形式，模拟该工艺中的换热器。焦油回收工段模拟流程如图1所示，模拟流程图中的符号说明见表1。废锅A的干馏煤气S1、除氧水CW1的换热通过FG1(Heat er X)完成，随后降温的煤气S2进入F1(Fl ash2)，在规定出口压力和绝热条件(Q=0)下，完成气液平衡的计算，模拟焦油冷凝。其余三个换热器同理。废锅A和废锅B冷凝下来的焦油温度较高，需降温到80℃送入罐中储存。故选用软件中的混合器Mixer、泵Pump和Heat er X的组合，模拟加压进入焦油换热器换热。即从废锅A和废锅B冷凝下来的焦油J1和J2，进入MIX1(Mixer)混合，随后物料J3通过泵PUMP1加压后，物料J4进入JYH（Heat er X）换热，在规定J5焦油出口温度80℃条件下，完成流程模拟。

图1 焦油回收工段模拟流程图

表1 模拟流程符号说明

表2 低阶煤热解煤气组成 %

图2 焦油组分处理流程

1.2 组分的定义

低阶煤热解煤气组成（煤气中灰尘质量浓度为20 mg/m3）见表2。其中，焦油成分复杂，组分多，通常无法得到其详细的化学组成。目前，焦油在模拟中的处理方法是采用虚拟组分，即将焦油馏分切割成有限数目的窄馏分，每一个馏分都视为一个纯组分，称为虚拟组分。在模拟计算过程中，通过输入蒸馏曲线、油品密度、平均分子量等性质参数，可以生成油品的虚拟组分。该项目输入焦油的蒸馏曲线数据和密度作为基础，Aspen Pl us对焦油组分处理流程如图2所示。

1.3 物性方法的选择

物性方法的选择是决定模拟结果准确性的关键步骤。Aspen Pl us基于物性方法的选择来计算热力学性质和传递性质。该项目除焦油以外，煤气选择RKS-BM物性方法，该方法用于非极性或弱极性混合物的物性参数计算，如CH4、CO2、H2等[4]。焦油类型选择Assay（Aspen Pl us中的油品评价数据库），物性方法选择BK10，该方法用于石油混合物的物性计算。

1.4 参数匹配调控

对于废锅A和废锅B，需考虑副产蒸汽和焦油冷凝二者之间的匹配调控，以形成基于温度梯度的热解煤气，逐级回收热量，并实现不同馏程焦油产物分质回收。焦油性质及相关参数见表3。

表3 焦油性质及相关参数

焦油运动黏度计算公式见式（1）[5]：

式中：υ为运动黏度，cm2/s；T为温度，K。

根据式（1）计算50℃～430℃下焦油的运动黏度，发现温度200℃以上时，焦油的流动性较好。

对废锅A进行参数设计：考虑到副产蒸汽及焦油性质，利用Aspen Pl us软件的设计规定（Design Spec）模块，指定产物CW2的气相分率为采集变量，设定Tar get和Tol er ance分别为1.0和0.001。废锅A物流S2出口温度作为操控变量，设定变化范围为200℃～300℃。在以上条件下运行模拟，流程收敛。结果得出废锅A出口温度为280℃时，可得到3.8 MPa（G）品质的蒸汽，同时焦油无冷凝。根据生产经验，运行过程中废锅A换热管壁面温度不能过低，否则冷凝的焦油容易附壁，形成较难清除的焦油渣。

对废锅B进行参数设计：热解煤气S3进料温度为280℃，利用Aspen Pl us软件的设计规定（Design Spec）模块，以干馏煤气S1中焦油含量为总量，指定焦油冷凝产物J2析出质量比为采集变量，设定Target和Tol er ance分别为0.8和0.001；废锅B物流S4出口温度作为操控变量，设定变化范围为100℃～200℃。在以上条件下运行模拟，流程收敛。同时考虑副产常压蒸汽，使用优化（Opt imizat ion）和约束条件（Const raint）模块，完成流程优化，结果得出废锅B出口温度为120℃时，可得到常压品质的蒸汽；同时焦油回收质量为4 174 kg，回收率为0.8，焦油在较高温度得到冷凝回收，无水分混入，纯度高。废锅B作为主要焦油回收装置需要进行有效设计，通过保证换热管壁面光滑，合理选择换热管尺寸，设置焦油导流收集装置，设备采取保温等措施，保证焦油有效冷凝，防止换热器焦油结渣。

同理，分别使用上述三个模块对焦油换热器、间冷器A和间冷器B进行参数设计。废锅A和废锅B回收的焦油J3通过泵加压到0.4 MPa（G），送入焦油换热器降温。焦油换热器的进水温度设定为30℃，出口焦油J5温度设定为80℃。通过设计规定（Design Spec）模块，指定出水温度作为采集变量，进水流量为操控变量，可得到焦油换热器的出水温度40℃，用水量5 t/h。间冷器A的进水温度设定为30℃，间冷器B的进水温度设定为16℃，间冷器B煤气S8出口温度设定为30℃。通过优化(Optimization)和约束条件（Const r aint）模块，约束间冷器B出口煤气S8焦油质量浓度＜50 mg/m3，优化流程模拟，使间冷器A和间冷器B的总用水量最少，得到间冷器A出水温度40℃、用水量303 t/h，间冷器B出水温度20℃、用水量32 t/h。间冷器A和间冷器B回收产物均为油水混合物。其中焦油质量共计921 kg，回收率为0.18。以上工艺流程的设备操作条件见表4，公用工程消耗及产品规格见表5。

表4 设备操作条件

1.5 焦油分质回收

对废锅A、废锅B（实际运行考虑废锅A有可能有焦油冷凝情况）回收的焦油混合物和间冷器A、间冷器B回收的油水混合物，进行分质回收。温度偏高的焦油不可直接进入分离罐，因为当温度升高时，挥发出的气相增大，不仅造成组分损失，而且会使容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。同时重油为沸溢性油品，当储存温度升高时，由于热传递作用，可引起内部水的汽化，使水的体积膨胀，从而引起油品沸溢和喷溅现象，造成大面积火灾。故废锅A和废锅B回收的焦油先自流流入焦油罐（油封，防止煤气泄漏），随后通过液位与阀门、泵的连锁控制，将焦油连续送入焦油换热器降温到80℃后，送入焦油分离罐进行分质回收。间冷器A和间冷器B回收的油水混合物自流流入中间罐（油封，防止煤气泄漏），通过液位与阀门、泵的连锁控制，将油水送入油水分离罐中。

回收的焦油按密度可分为水下油（密度大于1 000 kg/m3）和水上油（密度小于1 000 kg/m3）。水下油可用于高压加氢制得石脑油、柴油组分等产品。水上油可用于调和燃料油和烧火油。上述混合产物可以通过静置分层进行分质回收。分别设置2个焦油分离罐和2个油水分离罐，一个罐装满后，通过液位指示、阀门的连锁控制或手动阀门开关操作，切换至另一个罐，2个罐交替工作，并根据静置分层时间和储罐大小设置周期时间，将罐中分层好的焦油和轻油、轻油和污水送出界区。出站产品规格见表6。

表5 公用工程消耗及产品规格

表6 出站产品规格

2 工艺评价

国内目前在建的热解煤气项目多采用水激冷直接冷却工艺，具有冷却效率较高，煤气压力损失较小，不易堵塞等优点，同时具有工艺流程复杂，动力消耗较大，循环氨水冷却器易堵塞等缺点。由于热解煤气经水洗后，温度降低，基本已无能量回收价值，其能量最终只能依靠大量的循环水（制冷水）带走，导致生产能耗居高不下；工艺中使用的急冷水用泵加压循环，导致循环水中的酚、油含量逐渐增大，后续水处理难度及成本居高不下[6]。以上两点都会影响项目的经济效益。

相较于水激冷工艺，该工艺最大的优势便是节能效果显著，其主要换热器热负荷见表7。

表7 主要换热器热负荷MJ/h

模拟结果显示，采用该工艺，废锅A和废锅B每小时可分别回收4 843 MJ和5 829 MJ的热量，副产3.8 MPa(G)中压蒸汽2t和低压常压蒸汽2.2t。采用该工艺每年可副产蒸汽3.024万t（装置运行时间按7 200h考虑），可节约标煤约0.389万t（蒸汽折标系数均按0.128 6 kgce/kg考虑）。由于其回收了部分余热，使得系统冷却装置的负荷降低了一半之多，因此整个装置的投资较低。此外，采用该工艺可节约大量循环水，从而节省了此部分投资，运行成本也较低。焦油回收中，全过程油水均为静态分离，省了水激冷工艺中激冷水循环加压的过程，因此污水中油、酚、COD含量低，污水易处理，且处理成本低。同时由于焦油回收过程是在控制温度下的分段回收，出站煤气焦油质量浓度26 g/m3，焦油回收率为98%，产品重油、轻油不含水，轻油与水的密度相差较大，油品分离效果较好，因此轻油中含水量也较低，油品品质有了很大提升。产品可按需分类销售，使项目具备更好的经济性。

综上所述，该工艺针对430℃中低温干馏煤气，以焦油性质与析出特征为基础，形成了基于温度梯度的热解煤气分级冷凝工艺技术，逐级回收热解煤气所含热量，并实现了不同馏程焦油产物的分质回收。从投资、运行成本和节能效果上看，均优于传统无热回收工艺。

3 结 语

低阶煤通过热解可实现煤炭资源的分级综合利用及能源结构的优化调整，可缓解国内油气短缺的现状，是煤炭清洁利用的新兴发展方向。其中，热解煤气的热量回收和焦油回收技术的工艺研发，即从低阶煤中分别得到热能、蒸汽、焦油、煤气等多种产品，是目前国家鼓励的煤炭清洁高效利用和新型节能技术研究的重点方向。对于中低温热解煤气，以焦油性质与析出特征为基础，通过相变换热与焦油回收的匹配调控，可实现热解煤气热量梯级回收利用及热解焦油产物分质回收。该工艺优势明显，能高效洁净利用煤炭，提升环境效益和经济性，是中低温热解煤气热量回收利用的有效途径。