BGL氣化煤焦油渣無害化處理技術(shù)研究與應(yīng)用

江成廣，張曉敏，王 忠，曹文旭

(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317)

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱鄂能化公司)100萬t/a合成氨/175萬t/a尿素項(xiàng)目采用了BGL煤氣化技術(shù)。該項(xiàng)目氣化裝置2013年12月31日開始投料試車并順利產(chǎn)出粗合成氣[1]。BGL氣化副產(chǎn)物煤焦油渣與焦化工業(yè)的煤焦油渣成分相近，根據(jù)GB 5085.7—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，應(yīng)集中進(jìn)行無害化處理。該公司在煤焦油渣的無害化處理方面進(jìn)行了一系列研究試驗(yàn)，建設(shè)了離心分離裝置，以期消除環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，為綠色發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 煤焦油渣的來源及特性

BGL氣化爐結(jié)構(gòu)示于圖1。與魯奇加壓氣化爐相同，BGL氣化爐原料碎煤由頂部進(jìn)入，下部氣化段反應(yīng)產(chǎn)生的高溫粗煤氣向上逆流通過原料煤[2]，將原料煤加熱并干餾、熱解，原料煤中分離出的酚、氨、CH4、焦油等與粗煤氣一同由頸部出氣化爐。約500 ℃的粗煤氣經(jīng)激冷洗滌、廢熱鍋爐換熱等處理，溫度降至約175 ℃送至煤氣變換裝置，再經(jīng)氣液分離塔分離出含塵煤氣水后進(jìn)入變換爐。

圖1 BGL氣化爐結(jié)構(gòu)示意

該氣化裝置配套2個(gè)系列的煤氣/水分離裝置。在氣化裝置廢熱鍋爐、變換裝置氣/液分離塔分離出的含塵煤氣-水集中送煤氣/水分離系統(tǒng)。含塵煤氣-水經(jīng)減壓閃蒸分離出CO2、SO2等溶解氣體后，在粗焦油分離器中重力沉降，分離出含塵煤焦油后進(jìn)入油分離器，油分離器分離出中油后的含酚、氨的潔凈煤氣-水送儲(chǔ)罐。超過2/3的潔凈煤氣-水循環(huán)回氣化、變換裝置，約1/3潔凈煤氣-水經(jīng)過雙介質(zhì)過濾器后送酚氨回收裝置(見圖2)。粗焦油分離器底部存積的含油固態(tài)物質(zhì)即為煤焦油渣。

圖2 煤氣/水分離系統(tǒng)流程

粗焦油分離器底部排出的煤焦油渣是黑色黏稠固體物料，有刺激性氣味，成分主要是煤塵、焦粒和焦油、水(見表1)。兩套煤氣水分離裝置的煤焦油渣產(chǎn)生量約200 t/d。固定床氣化煤焦油渣含有苯類、酚類、萘、蒽、菲、芴等強(qiáng)致癌的多環(huán)芳烴，具有很大的危害性。

表1 固定床煤氣化焦油渣的性質(zhì)

由表1可知，鄂能化公司煤焦油渣發(fā)熱量高，揮發(fā)分高，而灰分和硫分都較低，可以作為高價(jià)值的化工原料或燃料進(jìn)行綜合利用。

2 國(guó)內(nèi)煤焦油渣主要處理技術(shù)

2.1 作為燃料直接利用

(1)直接作為燒磚等土窯的燃料。由于燃燒溫度較低，且供O2不足，致使燃燒不完全而產(chǎn)生大量的含有多環(huán)芳烴等有毒廢氣排入空氣中[3]，造成大氣嚴(yán)重污染，已經(jīng)被明令禁止。

(2)與煤按一定比例混合制成型煤，送到高溫鍋爐充分燃燒，產(chǎn)生蒸汽。

劉淑萍、曲雁秋等人的發(fā)明專利報(bào)告，將焦油渣中加入一定比例的稀釋劑和穩(wěn)定分散劑，制成混合均勻的乳化態(tài)液體燃料，發(fā)熱量達(dá)到31.65 MJ/kg以上，可以穩(wěn)定、完全燃燒[4]。

2.2 作為原料

2.2.1 配煤煉焦

配煤煉焦是工業(yè)上煤焦油渣利用的主要方法。煤焦油渣具有低灰、低硫、高揮發(fā)分、高粘結(jié)性等特點(diǎn)[5]，將煤焦油渣與煤按一定的比例混合壓制成煉焦型煤，回爐煉焦[6]，可以增加焦炭和煤氣產(chǎn)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

2.2.2 煤氣化原料

近年來，科研人員對(duì)煤氣化原料的研究較多，但還沒有工業(yè)成功應(yīng)用的報(bào)道。下列2項(xiàng)成果對(duì)于煤焦油渣用作氣化原料有重大借鑒意義。

(1)西北化工研究院先后承擔(dān)并完成了“煤油-水混合料漿制備及氣化研究”、“煤焦-水乳化制漿及氣化研究”、“煤瀝青-水制漿及氣化研究”和“多元料漿氣化新型氣化技術(shù)開發(fā)研究”，成功開發(fā)了多元料漿氣化新型氣化技術(shù)(MCSG)[8]，并實(shí)現(xiàn)了廣泛的工業(yè)化應(yīng)用[7]。

(2)延長(zhǎng)石油集團(tuán)的煤-油共煉裝置產(chǎn)生的殘?jiān)写罅康闹赜秃蜑r青質(zhì)，楊東元、扈廣法等進(jìn)行了該殘?jiān)鼡脚渌簼{氣化試驗(yàn)[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻配5%殘?jiān)乃簼{對(duì)成漿特性、氣化及后續(xù)工段工藝無明顯影響，經(jīng)濟(jì)性較好。

2.3 深度處理綜合利用

采用物理或化學(xué)方法將煤焦油渣中的油、渣進(jìn)行分離，并從中回收有價(jià)值的焦油和煤粉分別利用，實(shí)現(xiàn)無害化處理。還可以對(duì)煤粉進(jìn)行進(jìn)一步的加工，制備活性炭、石墨烯等高附加值化工材料[10]；對(duì)焦油的進(jìn)一步處理，一是蒸餾以回收多種餾分物質(zhì)；二是加氫制備輕質(zhì)油品[11]。深度加工可實(shí)現(xiàn)焦油和煤粉的綜合利用，達(dá)到利用價(jià)值最大化。目前已經(jīng)開發(fā)出的方法有多種，其中一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

2.3.1 溶劑萃取分離

利用煤焦油渣中有機(jī)組分與萃取溶劑的互溶原理，將煤焦油渣與萃取溶劑按合理比例混合，達(dá)到完全混溶，再經(jīng)過濾、離心或沉降等工藝實(shí)現(xiàn)油、渣分離，最后通過汽提、蒸餾等方法將油品與萃取劑分離開。萃取分離的方法高效、處理量大，但溶劑的選擇較難，流程較長(zhǎng)，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、毒性等問題需深入研究，繼續(xù)完善。

2.3.2 機(jī)械離心分離

依據(jù)煤焦油渣中不同物質(zhì)密度不同的特性，在高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的離心力不同而相互分離。該方法的特點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，效率和經(jīng)濟(jì)效益高，但難以將不同物料徹底分離，且設(shè)備費(fèi)用較高。

2.3.3 熱解分離

在無氧或缺氧的條件下，高溫加熱煤焦油渣，使其中有機(jī)物分解，大分子裂解成為小分子，從而獲得可燃?xì)怏w、油品和焦炭等化工產(chǎn)品。隨著研究的深入和工藝技術(shù)的逐步成熟，該方法具有廣闊的發(fā)展前景。

3 鄂能化公司煤焦油渣無害化處理研究進(jìn)展

鄂能化公司氣化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，粗焦油分離器底部的沉積物——煤焦油渣間歇排出到油罐車中約200 t/d，運(yùn)送到公司附近一家固廢處理公司(有危廢處理資質(zhì))。該公司對(duì)煤焦油渣進(jìn)行分離處理，產(chǎn)出的焦油銷售獲利，產(chǎn)出的殘?jiān)?主要成分是煤粉)返回到鄂能化公司。卾能化公司將該殘?jiān)c燃料煤混合后送高壓粉煤鍋爐燃燒。為應(yīng)對(duì)設(shè)備檢修、道路運(yùn)輸?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)，鄂能化公司建設(shè)了375 m3的地面緩沖池(水去油分離罐，渣去固廢處理公司)。為徹底消除經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，確保氣化裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，鄂能化公司聯(lián)合相關(guān)科研院所、技術(shù)公司進(jìn)行了一系列煤焦油渣無害化的研究試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐，取得了一定成效。

3.1 離心分離

3.1.1 兩相離心分離系統(tǒng)

2014年，組織相關(guān)設(shè)備廠家到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行離心分離中型試驗(yàn)，委托賽鼎工程公司設(shè)計(jì)建設(shè)了一套兩相離心分離系統(tǒng)(離心機(jī)型號(hào)LW 1000BD-SM)，設(shè)計(jì)處理量10～15 m3/h，投資399萬元。該裝置2017年11月1日投入運(yùn)行，成功地將煤氣-水二系列煤焦油渣進(jìn)行離心分離。產(chǎn)出的液相送油-水罐，靜置后分離出煤焦油送罐區(qū)；產(chǎn)出的固相送煤場(chǎng)，與燃料煤摻混后送鍋爐燃燒。

3.1.2 三相離心分離系統(tǒng)

2019年又接收了黑龍江省龍化公司退役的三相離心機(jī)(福樂偉三相離心機(jī)，型號(hào)Z4E-3/441)，安裝到煤氣-水系列粗焦油分離器出口處(見圖3)，12月25日投入運(yùn)行，產(chǎn)出的固相——含油煤粉較干散，可堆放(見圖4)。可與燃料煤混合后送鍋爐。該離心分離器設(shè)計(jì)處理量10 m3/h。

圖3 三相離心分離器系統(tǒng)流程

兩相離心機(jī)運(yùn)行工況與之相比，其固相出料較濕、較黏(見圖5)，與燃料煤攪拌后輸送時(shí)，易出現(xiàn)堵塞備煤系統(tǒng)溜槽、粘膠帶的現(xiàn)象，對(duì)磨煤機(jī)的運(yùn)行也有不良影響。三相離心機(jī)與兩相離心機(jī)進(jìn)出料成分比較列于表2。

圖4 三相離心機(jī)出料固相

圖5 兩相離心機(jī)出料固相

表2 離心機(jī)進(jìn)出料成分對(duì)分(平均值)%

3.1.3 離心分離經(jīng)濟(jì)效益

2臺(tái)離心分離器一起投運(yùn)后，每天產(chǎn)焦油約9 t，送罐區(qū)銷售增加了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 三廢鍋爐

選擇固定床氣化的大型煤化工企業(yè)，副產(chǎn)廢物有煤焦油渣、生化污泥、污甲醇、高COD濃鹽水、酸性尾氣、LNG尾氣等。鄂能化公司考慮建設(shè)三廢鍋爐，一起處理廠區(qū)產(chǎn)生的各種廢物，生產(chǎn)高壓蒸汽。

2016年，鄂能化公司委托西安交通大學(xué)研究煤焦油渣燃燒特性，了解煤焦油渣的運(yùn)動(dòng)粘度和熱值，煤焦油渣入爐完全燃燒所需溫度、氧量及燃燒后煙氣成分、灰渣成分等。其燃燒試驗(yàn)分為850～900 ℃、900～1 000 ℃及1 000 ℃以上三個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)完成后出具了正式報(bào)告。

試燒在河北省某公司鍋爐裝置(75 t/h、3.82 MPa)進(jìn)行。試燒結(jié)論：

(1)煤焦油渣按115 kg/min均勻加入爐膛，試燒過程爐膛沸騰正常，加入油渣后爐膛燃燒更劇烈，沸騰燃燒無任何障礙。

(2)燃燒過程中，爐膛溫度900 ℃，氧過剩量為5%～7%，在該條件下煤焦油渣完全燃燒，完全轉(zhuǎn)化為CO2和水。

(3)整個(gè)試燒過程煙囪排煙指標(biāo)無任何變化。

3.3 熱解分離

煤焦油渣經(jīng)過二、三相離心機(jī)處理之后產(chǎn)生的含油煤粉中焦油含量40%左右，具有較高利用價(jià)值。鄂能化公司聯(lián)合河北省、寧夏自治區(qū)兩家技術(shù)公司及賽鼎工程公司研究煤焦油渣的熱解工藝技術(shù)方案，進(jìn)行了熱解分離的中型試驗(yàn)，制定了含油煤粉處理工藝技術(shù)路線。

3.3.1 中型試驗(yàn)

利用寧夏自治區(qū)某技術(shù)公司2 t/h物料處理量熱相分離設(shè)備對(duì)含油煤粉進(jìn)行液固分離試驗(yàn)。首先采用間接加熱方式將加熱腔里的含油煤粉加熱到600 ℃，在無氧環(huán)境下加熱45 min，從而使含油煤粉中的可揮發(fā)物質(zhì)大部分汽化揮發(fā)出來。然后油-水混合氣經(jīng)冷卻單元冷卻后送入油/水分離裝置中進(jìn)行油/水分離，油送入油產(chǎn)品儲(chǔ)罐。分離后的煤粉殘?jiān)?、水進(jìn)行回收處理。原料含油煤粉目測(cè)呈現(xiàn)為顆粒狀，分析結(jié)果為含油率35.4%，含水率11.8%，含固率52.8%。

本次試驗(yàn)共計(jì)處理500 kg含油煤粉。物料經(jīng)熱相分離設(shè)備處理后出料殘?jiān)尸F(xiàn)干粉狀，化驗(yàn)分析結(jié)果見表3。

表3 熱相分離設(shè)備處理后出料殘?jiān)?yàn)結(jié)果

由表3可見：

(1)煤焦油渣經(jīng)熱解后變?yōu)榉勰?，焦油渣中的油含量由進(jìn)料時(shí)的35.4%下降至出料時(shí)的1.86%；

試驗(yàn)結(jié)果表明，鄂能化公司副產(chǎn)物含油煤粉適合使用間接加熱熱相分離技術(shù)進(jìn)行液/固分離處理，且處理后的固體殘?jiān)吐试?%左右，焦油的回收率達(dá)到98%以上。

3.3.2 熱解分離工藝路線

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告和國(guó)內(nèi)煤焦油渣熱解技術(shù)最新成果，研究團(tuán)隊(duì)制定了無害化、資源化處置含油煤粉工藝技術(shù)方案，在無氧環(huán)境下對(duì)含油煤粉進(jìn)行間接加熱，實(shí)現(xiàn)熱解分離，達(dá)到分離后的固體殘?jiān)吐市∮?%，含油煤粉油回收率大于98%的目標(biāo)。工藝流程如圖6所示。

圖6 含油煤粉熱解分離工藝流程

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，建設(shè)1套含油煤粉處理能力4 t/h的熱解裝置總投資約3 077萬元。

4 存在的主要問題及下一步研究方向

4.1 存在的主要問題

(1)煤焦油渣黏度大、氣味大，輸送難，應(yīng)就近建設(shè)處理裝置，而現(xiàn)場(chǎng)空間有限，技術(shù)選擇受限制。

(2)煤焦油渣流動(dòng)性差、含塵量高、腐蝕性強(qiáng)，對(duì)設(shè)備、管道、閥門質(zhì)量要求高，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(3)除配煤煉焦外，煤焦油渣無害化處理技術(shù)應(yīng)用成功的案例較少，且多數(shù)技術(shù)保密。一般處理裝置投資高，產(chǎn)出物價(jià)值低，經(jīng)濟(jì)效益低。

4.2 下一步研究方向

根據(jù)公司現(xiàn)狀及前期研究成果，煤焦油渣無害化處理下一步主要研究方向如下。

(1)優(yōu)化二、三相離心機(jī)運(yùn)行工況，提高分離效果，總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，與相關(guān)設(shè)備廠家合作進(jìn)行工藝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。

(2)繼續(xù)煤焦油渣熱解分離研究，優(yōu)化工藝技術(shù)方案，降低總體投資，適時(shí)建設(shè)煤焦油渣熱解分離裝置，提高煤焦油渣無害化處理水平。

(3)與西北化工研究院、應(yīng)用多元料漿氣化的煤化工企業(yè)合作開展煤焦油渣制漿、氣化試驗(yàn)，為公司長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備。

5 結(jié) 論

鄂能化公司針對(duì)氣化裝置副產(chǎn)物煤焦油渣的無害化處理投入大量人力物力，進(jìn)行了一系列的技術(shù)改造和新技術(shù)試驗(yàn)，取得了豐碩成果。

一是煤焦油渣經(jīng)過離心分離，產(chǎn)出了焦油和含油煤粉。焦油銷售和含油煤粉摻燒燃料煤成功，增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

二是積累了以下經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備：① 采用三廢鍋爐技術(shù)，投資較高，適合大型煤化工園區(qū)集中處理三廢項(xiàng)目；② (離心分離+熱解分離)技術(shù)可以有效解決煤焦油渣無害化處理問題，投資也較高；③ 多元料漿氣化技術(shù)是解決煤焦油渣無害化處理問題的較佳途徑，適合新增氣化裝置的企業(yè)應(yīng)用。