焦?fàn)t煤氣精制工藝大型化的挑戰(zhàn)和方向

顏長青，黨樂平，崔偉民，衛(wèi)宏遠(yuǎn)*

(1.上海寶鋼化工有限公司，上海 201900;2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072)

隨著我國煉鐵高爐的大型化，焦化行業(yè)現(xiàn)有的焦?fàn)t爐型和焦炭質(zhì)量不能滿足優(yōu)化配置的要求［1-3］。為了淘汰落后，提高產(chǎn)業(yè)集中度，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全行業(yè)節(jié)能減排的目標(biāo)，國家已將“新一代高效清潔煉焦工藝與裝備技術(shù)開發(fā)”列入“十一五”863計劃重點(diǎn)項目，以實現(xiàn)焦化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為鋼鐵工業(yè)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

焦?fàn)t大型化，不但有利于降低消耗總量，減少污染物排放，對焦炭質(zhì)量的改善，節(jié)約建設(shè)用地，降低規(guī)模投資都是有利的［4-7］。在世界煉焦技術(shù)朝著焦?fàn)t大型化方向發(fā)展的背景下［8-11］，自2003年以來，我國兗礦國際焦化公司、太原鋼鐵集團(tuán)公司、馬鞍山鋼鐵集團(tuán)公司、武漢鋼鐵集團(tuán)公司、首都鋼鐵集團(tuán)公司等企業(yè)相繼從德國引進(jìn)7.63 m超大容積焦?fàn)t技術(shù);與此同時，為全面提升我國焦化行業(yè)的裝備與技術(shù)水平，中冶焦耐工程技術(shù)有限公司致力于擁有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的新型焦?fàn)t的開發(fā)，新一代6.98 m大容積焦?fàn)t也于2008年4月在鞍鋼(鲅魚圈項目)建成投產(chǎn)。

與超大容積焦?fàn)t產(chǎn)能相配套，煤氣凈化設(shè)施的處理規(guī)模一般在15萬m3/h以上，而由于單體煤氣凈化設(shè)備處理能力的限制，目前國內(nèi)配套6 m焦?fàn)t的煤氣凈化設(shè)施常規(guī)處理能力為10.5萬 m3/h，與7.63 m超大容積焦?fàn)t配套建設(shè)的煤氣凈化設(shè)施，其煤氣處理能力也只有13萬m3/h。這一現(xiàn)狀已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、降低建設(shè)投資和運(yùn)行成本的要求，因此，迫切需要進(jìn)行大型化煤氣凈化設(shè)施的技術(shù)開發(fā)，使其單系煤氣處理能力達(dá)到20萬m3/h以上，藉此提升煤氣凈化裝備的技術(shù)水平，實現(xiàn)煉焦行業(yè)的大幅度節(jié)能減排，并提高企業(yè)的競爭實力。

1 煤氣精制大型化的優(yōu)勢

大型化是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個大趨勢，具有生產(chǎn)效率高、消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好、安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今社會生態(tài)經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，是經(jīng)濟(jì)全球化競爭態(tài)勢的必然要求［12-14］。

大型化包括設(shè)備規(guī)模大型化、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大型化、企業(yè)集團(tuán)經(jīng)營規(guī)模大型化等，已成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，而且是一個國家、一個企業(yè)應(yīng)對經(jīng)濟(jì)全球化、國際競爭日益激烈的必要措施。

1.1 大型化體現(xiàn)節(jié)能、減排、效益的綜合體

現(xiàn)代工程技術(shù)強(qiáng)調(diào)通過關(guān)鍵設(shè)備大型化實現(xiàn)過程強(qiáng)化和規(guī)模效應(yīng)，降低單位成本，提高設(shè)備效率，減少廢物排放。

煤氣精制任務(wù)是將焦?fàn)t產(chǎn)生的荒煤氣進(jìn)行輸送和凈化，同時回收煤氣中的焦油、粗苯和氨等物質(zhì)。對煤氣凈化工藝流程的各個工段進(jìn)行分析可知，煤氣精制大型化的關(guān)鍵系統(tǒng)是脫硫脫氰和脫氨系統(tǒng)。典型的脫硫脫氰工藝［15-16］如濕式氧化工藝包括HPF法、ADA法、FRC法和TH法等，濕式吸收工藝?yán)鏏S法、真空碳酸鹽法、單乙醇胺法。而常用的脫氨工藝有:噴淋飽和器法硫銨工藝、水洗氨配套蒸氨生產(chǎn)濃氨水或氨分解工藝、無飽和器法酸洗硫銨結(jié)晶工藝、磷酸吸收無水氨工藝等。煤氣凈化設(shè)施通常由以下系統(tǒng)構(gòu)成［17-20］:1)主系統(tǒng):煤氣排送、中冷洗萘、氨吸收、輕油捕集、脫硫;2)配套系統(tǒng):焦油氨水分離、溶劑脫酚、氨水蒸餾、無水氨解析和精餾(或硫銨結(jié)晶和硫銨干燥包裝)、輕油蒸餾、制酸、槽罐區(qū)。

煤氣凈化設(shè)施的單系處理能力主要取決于煤氣主系統(tǒng)中單體煤氣設(shè)備的處理能力，而目前已經(jīng)投入使用的生產(chǎn)裝置，其單系處理能力最大為13萬m3/h。以某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)正在規(guī)劃的煉焦項目，4×65孔，年產(chǎn)焦炭340萬 t，煤氣發(fā)生量 17萬m3/h為例，其脫氨采用磷酸吸收無水氨工藝，脫硫脫氰采用真空碳酸鹽工藝。按照通常的焦化設(shè)計流程，煤氣凈化設(shè)施配置二系［見圖1a)］，每系煤氣處理能力為8.5萬 m3/h，煤氣經(jīng)過冷卻后，進(jìn)入無水氨工段脫氨，利用磷酸銨吸收再加壓解吸和精餾生產(chǎn)無水氨工藝，分離煤氣中氨并生產(chǎn)出高附加值的液氨;然后煤氣進(jìn)入終冷洗苯工段進(jìn)一步降溫并脫除煤氣中的苯;最后在脫硫工段，采用真空碳酸鉀法脫除煤氣中的硫化氫，解吸出來的硫化氫氣體進(jìn)入燃燒爐和氧燃燒生成SO2并進(jìn)一步催化氧化制酸。如果按照煤氣精制大型化的煤氣凈化設(shè)施進(jìn)行設(shè)置，將煤氣精制的煤氣主系統(tǒng)由二系優(yōu)化為一系［見圖1b)］，不僅是建設(shè)投資大幅度下降，能源消耗也有較大程度的下降。優(yōu)化為一系后，涉及需要大型化的關(guān)鍵設(shè)備包括中間煤氣冷卻器氨吸收塔、最終煤氣冷卻器、輕油吸收塔和脫硫塔。

圖1 大型煤氣凈化設(shè)施配置設(shè)計建議方案Fig.1 Con figu ration design for large gas purification process

現(xiàn)將兩種方案的經(jīng)濟(jì)效益、投資和運(yùn)作成本進(jìn)行對比，結(jié)果見表1～表2。

表1 兩種方案運(yùn)行各項消耗對比Table 1 Consum p tions of Project 1 and Project 2

表2 兩種方案投資比較Table 2 Investm ents of Project 1 and Project 2

從表1可以看到，方案二比方案一年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約12 605 t，可節(jié)省14.62%的能耗。按照目前的市場價格計算，方案二比方案一年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用3 343.46萬元，可節(jié)省10.49%的年運(yùn)行費(fèi)用。而表2顯示，方案二比方案一節(jié)省38.67%的投資成本。

此外，焦?fàn)t煤氣凈化的大型化，更便于生產(chǎn)組織和管理，同時污染排放點(diǎn)也相應(yīng)的減少，有利于污染易于集中治理，保護(hù)環(huán)境。煤氣精制大型化是降低焦化企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場競爭力的一個非常重要的手段。

1.2 大型化代表著綠色和可持續(xù)發(fā)展

現(xiàn)代工業(yè)正向大型化、高效化、自動化、精細(xì)化、多元化的綠色可持續(xù)性發(fā)展。從社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步來看，大型化是有利于發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的，是有利于企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

焦?fàn)t大型化，不僅能較好地處理廢氣、廢水，高標(biāo)準(zhǔn)地保護(hù)環(huán)境，特別是能集中回收利用，把煤氣轉(zhuǎn)換成汽油，從焦油中提煉出精細(xì)化工產(chǎn)品，這些再生資源的再生產(chǎn)品，其附加值大大高于焦炭本身，使資源得到最充分的利用，既能為人民創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會，又能為社會創(chuàng)造更多的財富。因此，煤氣精制大型化優(yōu)化了資源的配置，有助于實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 焦?fàn)t煤氣凈化大型化的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)

2.1 設(shè)備大型化

相比石油化工行業(yè)，焦化行業(yè)煤氣凈化設(shè)施的大型化的發(fā)展較為緩慢，煤氣凈化的洗滌塔直徑一般～6 m。煤氣凈化設(shè)施的單系處理能力主要取決于煤氣主系統(tǒng)中單體煤氣設(shè)備的處理能力，而隨著煤氣處理能力的增加，煤氣設(shè)備的截面積也將擴(kuò)大。煤氣發(fā)生量17萬m3/h的煤氣凈化設(shè)施由二系優(yōu)化為一系，則煤氣凈化主要設(shè)備的截面積放大系數(shù)在～1.5，單臺設(shè)備直徑放大至～9 m。

表3 兩種方案設(shè)備尺寸對比Table 3 Size of two p rojects'equipm en ts

隨著生產(chǎn)規(guī)模的增大，煤氣設(shè)備截面積和產(chǎn)品容量也在不斷增大，但這種增大并不是簡單地把設(shè)備放大，而是在設(shè)計理論、設(shè)計計算、機(jī)械制造和檢驗檢測方面提出了許多新的要求，在較大程度上，這種變化成為了煤氣凈化設(shè)施大型化發(fā)展的一個瓶頸。

對于單體大型化塔器設(shè)備，有“放大效應(yīng)”的公律，即塔器設(shè)備的直徑放大到超過現(xiàn)有理論和實踐掌握的一定尺寸后，氣液兩相的有效接觸會失穩(wěn)，偏離現(xiàn)有理論和實踐的規(guī)律。表現(xiàn)在氣相或液相分布不均勻，出現(xiàn)偏流和溝流等現(xiàn)象，導(dǎo)致液相對氣相中的某些特定組分(如:氨或硫化氫等)不能被有效吸收或脫除，以至于煤氣凈化的效率顯著降低，這是煤氣凈化設(shè)施大型化技術(shù)開發(fā)的核心問題。

2.2 工藝及參數(shù)匹配和優(yōu)化

在煤氣凈化的主體工段中，例如無水氨工藝和脫硫脫氰工藝［22-25］，都是比較復(fù)雜的體系，吸收和解吸(再生)都是相輔相成的、互相制約的，需要系統(tǒng)的計算和優(yōu)化，需要進(jìn)行一定量的模擬實驗來取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，否則，不僅煤氣凈化后的煤氣質(zhì)量達(dá)不到要求，還會造成能源消耗極高，工藝廢水發(fā)生量和污染物額外增多，給企業(yè)的正常生產(chǎn)組織造成嚴(yán)重后果。

如果采用硫銨結(jié)晶工藝［26-27］，循環(huán)母液溫度、酸度、噴淋密度不僅影響母液對氨的吸收，設(shè)備腐蝕對工藝產(chǎn)生的影響，而且氨吸收得到的原料母液的酸度對結(jié)晶系統(tǒng)硫銨的游離酸含量、粒度、生產(chǎn)周期都產(chǎn)生較大的影響。因為硫銨結(jié)晶過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱的物理化學(xué)過程，必須同時滿足物料、熱量和水的3大平衡，任何操作條件的改變就會引起結(jié)晶過程的波動，結(jié)晶系統(tǒng)的攪拌速率、蒸發(fā)溫度、真空度、母液酸度和母液停留時間等參數(shù)的變化，都對硫酸銨產(chǎn)品質(zhì)量和粒度分布都會產(chǎn)生影響。

因此，大型化過程中的工藝及參數(shù)匹配和優(yōu)化關(guān)系到煤氣凈化質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，需要利用系統(tǒng)工程的概念和手段進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

3 大型化的技術(shù)可行性

3.1 現(xiàn)代數(shù)值仿真技術(shù)和方法

傳統(tǒng)和習(xí)慣認(rèn)為，大型化設(shè)施的工程實施應(yīng)該建立在足夠豐富的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上。但是，作為新技術(shù)開發(fā)，多次的反復(fù)性試驗不僅耗費(fèi)大量時間，更需投入大量資金用于試驗設(shè)備的更新和維護(hù)?，F(xiàn)代模擬仿真的價值體現(xiàn)在3個方面:一是在速度上比單純的試驗快很多。試驗涉及到模型的設(shè)計、模型的制造以及試驗平臺的建設(shè)，試驗數(shù)據(jù)的采集、分析、誤差的剔除等一系列問題，涉及到一個復(fù)雜和艱辛的過程。而軟件技術(shù)可以利用計算機(jī)進(jìn)行反復(fù)試驗，不僅速度快，還能夠節(jié)約資金。二是有些試驗的條件難以完全達(dá)到，依靠軟件技術(shù)卻可以模擬出來。比如用焦?fàn)t煤氣、洗油、硫酸等化學(xué)品做試驗，是絕對謹(jǐn)慎的一件事，而仿真分析就可以彌補(bǔ)試驗條件的不足。三是通過仿真分析我們可以看到問題的全貌，試驗則不然。試驗只可以測量一些點(diǎn)的動力學(xué)參數(shù)，但兩點(diǎn)之間的曲線或曲面存在多種變化可能，逐點(diǎn)測量是試驗做不到的。仿真的優(yōu)勢在于能夠掌握曲線和曲面上每個點(diǎn)的情況，可以了解問題的全貌。

當(dāng)然，試驗同樣非常重要，試驗結(jié)果可以用來校正軟件分析的部分動力學(xué)參數(shù)、選擇物理模擬模型、消除誤差等，這樣可以得到更加精確全面的結(jié)果，模擬和試驗兩者相輔相成。

因此，大型化設(shè)備的開發(fā)是在模擬仿真的基礎(chǔ)上，以具體的模型試驗做最終驗證，從而保證其設(shè)備性能的高效和可靠，保證投產(chǎn)后的煤氣凈化設(shè)施安全、可靠、連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行［28］。

例如，煤氣發(fā)生量17萬m3/h的大型化煤氣脫硫塔研發(fā)中，以現(xiàn)代化工理論和計算方法為基礎(chǔ)，采用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)模擬仿真塔內(nèi)流體的流動和相際傳遞狀況(見圖2［29］)，研究分析塔器大型化容易產(chǎn)生偏流、穿流、混流等問題的原因，借助工廠試驗平臺和試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計和實際經(jīng)驗，修改和完善大型化塔器設(shè)備的設(shè)計。

圖2 真空碳酸鹽法脫硫塔數(shù)值仿真模擬計算圖Fig.2 Sim u lation of the vacuum carbonate desu lphurization tower

3.2 國內(nèi)先進(jìn)的加工制造能力

經(jīng)過改革開放30多年的發(fā)展，我國在塔器、塔內(nèi)件和填料方面的制造已經(jīng)達(dá)到了一個非常高的水平，特別是在石化行業(yè)的大型化應(yīng)用取得了非常好的業(yè)績，在化工和石化領(lǐng)域，80%以上的塔器制造已經(jīng)立足國內(nèi)，并走向了國外市場，形成了強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈，完全可以取代進(jìn)口產(chǎn)品［30-31］。

圖3 中石化高橋10.2 m填料塔(左圖)和中石化齊魯9.2 m板式塔(右圖)Fig.3 10.2 m packed tower at Gaoqiao Sinopec(Left)&9.2 m tray colum at Q ilu Sinopec(Right)

隨著大型塔器加工制造能力的提升，10 m以上的塔器和塔內(nèi)件，用于石化行業(yè)的煉油裝置已經(jīng)非常成熟。圖3顯示了國內(nèi)加工制造并成功運(yùn)行的9.2 m和10.2 m直徑的大型塔器設(shè)備。

4 結(jié)論

煤氣精制大型化是配套焦?fàn)t大型化的必然趨勢，也是完成國家節(jié)能減排目標(biāo)的必然要求。煤氣精制大型化具有建設(shè)投資省、單位勞動生產(chǎn)率高、資源優(yōu)化，節(jié)能減排、操作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)、維修方便、單位維護(hù)成本低等明顯優(yōu)勢。

煤氣精制大型化的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)是設(shè)備的大型化和核心工藝包的開發(fā)優(yōu)化。設(shè)備大型化是實現(xiàn)煤氣精制大型化的條件，結(jié)合石化行業(yè)的經(jīng)驗，借助現(xiàn)代化的數(shù)值仿真技術(shù)，完成煤氣精制大型化是完全可以實現(xiàn)的。

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