焦?fàn)t荒煤氣三種富油脫苯工藝的比較研究

溫燕明，湯志剛，王登富，姜愛國，羅時政，康春清

（1 中國金屬協(xié)會，北京100814；2 清華大學(xué)，北京100083；3 山東濟南冶金化工設(shè)備公司，山東 濟南250308）

1 前 言

“三傳（傳熱、傳質(zhì)、傳遞動力）一反（物理、化學(xué)、生物反應(yīng)）”是過程工業(yè)和過程工程的學(xué)科基礎(chǔ)，為過程工業(yè)高效潔凈發(fā)展及研究、設(shè)計的現(xiàn)代化提供了重要的理論保障。以殷瑞鈺院士《冶金工程流程學(xué)》理論為指導(dǎo)，從過程工程的三大功能價值出發(fā)，認(rèn)知過程工業(yè)資源和環(huán)境問題，從流程工業(yè)能量流系統(tǒng)所具備的耗散結(jié)構(gòu)及“矢量”特征出發(fā)，對焦化工業(yè)工序能量流轉(zhuǎn)化功能集合解析-優(yōu)化、對焦化工業(yè)工序能量流之間關(guān)系集合協(xié)同-優(yōu)化、對焦化工業(yè)流程能量流網(wǎng)絡(luò)集合重構(gòu)-優(yōu)化出發(fā)認(rèn)知焦化流程，從中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)焦化流程普遍存在生產(chǎn)工藝過程能量流轉(zhuǎn)換效率低、輸送及使用效率低、能量回收效率低的問題。焦化流程能量流系統(tǒng)依然處于能量流價值大量流失的無序狀態(tài)，其是造成焦化工業(yè)資源、能源消耗高、環(huán)境污染重、競爭力差的本質(zhì)。

焦?fàn)t荒煤氣洗苯及洗苯富油脫苯是典型的流程工程過程，也是焦化企業(yè)的重要價值工序，分別經(jīng)歷了以蒸汽為熱源的雙塔生產(chǎn)輕苯工藝、以焦?fàn)t氣管式爐加熱富油輔之以蒸汽汽提為熱源的雙爐雙塔生產(chǎn)輕苯工藝、20世紀(jì)70年代開發(fā)了以焦?fàn)t氣管式爐加熱富油輔之以蒸汽汽提為熱源的單爐單塔生產(chǎn)輕苯工藝，這些工藝的進步促進了焦化流程的高效發(fā)展。隨著國家環(huán)境政策的出臺和企業(yè)提高競爭力的要求，按流程工業(yè)理論重新認(rèn)知這些工藝，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的汽提脫苯工藝，存在傳質(zhì)效率低、能耗高、空間環(huán)境差；用蒸汽做為傳熱介質(zhì)，能效低并產(chǎn)生大量含酚廢水。因而運行成本高、環(huán)境改善壓力大。本世紀(jì)初為了治理環(huán)境、節(jié)能降耗，提高效率，焦化工作者以“三傳一反”過程工業(yè)和過程工程的學(xué)科基礎(chǔ)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝，以高效的“三傳一反”工藝、裝備開發(fā)，成功解決了過程能效低、運行成本高的問題，解決了有機廢氣溢散無組織排放、工藝廢水量大的問題。使流程處于潔凈、高效、低成本運行，提高了企業(yè)競爭力。在吸收無蒸汽脫苯工藝優(yōu)點的基礎(chǔ)上，近年來有企業(yè)對傳統(tǒng)蒸汽脫苯工藝進行簡單改造，形成了一種有蒸汽半負(fù)壓脫苯工藝，這是對傳統(tǒng)正壓工藝的一種改進。目前這三種工藝在焦化廠都有應(yīng)用，但效果差異較大。

經(jīng)過對三種工藝的單爐單塔流程運行狀態(tài)指標(biāo)及特點進行考察分析，并比較分析不同脫苯工藝運行效率、環(huán)境、成本的優(yōu)劣，供業(yè)內(nèi)同仁參考。

2 三種脫苯蒸餾工藝流程簡介

2.1 傳統(tǒng)的直接蒸汽汽提富油脫苯工藝

傳統(tǒng)的直接蒸汽汽提富油脫苯工藝簡述如下（見圖1）：從終冷洗苯工段送來的富油依次經(jīng)過脫苯塔頂油氣換熱器、貧富油換熱器，再經(jīng)管式爐加熱至180 ℃后進入脫苯塔；塔頂逸出粗苯蒸汽經(jīng)油氣換熱器、冷凝冷卻器后進入油水分離器，部分粗苯流入回流槽，然后用回流泵送至塔頂做回流，其余進入粗苯儲槽。從管式爐后引出1%～1.5%的熱富油，送入再生塔內(nèi)，用經(jīng)管式爐加熱的過熱蒸汽蒸吹再生，再生器出來的直接蒸汽進入脫苯塔進行蒸餾，再生渣排入殘渣池，然后送至焦油庫。脫苯后的貧油由塔底經(jīng)過與富油換熱后，經(jīng)過一段、二段貧油冷卻后，再回到洗苯塔進行洗苯。直接蒸汽汽提富油脫苯裝置的工藝操作參數(shù)為：貧富油換熱后富油溫度150～160 ℃，管式爐加熱后富油溫度180～190 ℃，進再生器過熱汽溫度400 ℃，脫苯塔頂溫度90～93 ℃，脫苯塔底溫度180～185 ℃，冷凝冷卻器粗苯溫度20～30 ℃，二段貧油出口溫度27～29 ℃，脫苯塔底壓力30 kPa（G），脫苯塔頂壓力35 kPa（G），貧油含苯0.2%，噸粗苯洗油消耗60 kg/t。以上數(shù)據(jù)摘自參考文獻［1-2］。

圖1 單爐單塔傳統(tǒng)蒸汽脫苯工藝流程

2.2 無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝

無蒸汽負(fù)壓脫苯（見圖2）是利用負(fù)壓狀態(tài)下洗油各組分實沸點蒸餾原理從洗油中分離三苯物質(zhì)。由于負(fù)壓狀態(tài)下，三苯物質(zhì)與洗油其他組分的相對揮發(fā)度明顯提升，故無蒸汽負(fù)壓脫苯的蒸餾效率高、分離能耗低；而且蒸餾過程不產(chǎn)生廢水（富油洗苯帶入煤氣分離水除外）。最新一代的雙負(fù)壓無蒸汽脫苯技術(shù)結(jié)合熱耦合原理，利用余熱進行貧油再生，脫苯能耗進一步大幅降低。無蒸汽負(fù)壓脫苯的加熱熱源可結(jié)合焦化流程余熱余能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供，如采用導(dǎo)熱油（回收上升管余熱結(jié)合再沸器供熱）、采用間接換熱再沸器余熱蒸汽供熱、不再采用焦?fàn)t煤氣管式爐加熱方式，實現(xiàn)了源頭消減脫硫脫硝負(fù)荷，降低過程成本的目標(biāo)。

圖2 單爐單塔無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝流程

該方法因不采用直接蒸汽，脫苯塔內(nèi)水汽量少，取消了塔頂油水分離器。脫苯塔頂操作壓力控制在-80 kPa，操作溫度75～80 ℃，脫苯塔底操作壓力控制在-65～70 kPa，操作溫度240～245 ℃。洗油再生專門配置1套負(fù)壓真空系統(tǒng)，再生段頂部操作壓力控制在-80 kPa，由塔底熱貧油經(jīng)過管式爐輻射段加熱提供熱源。無直接蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝的參數(shù)：貧富油換熱后富油溫度182 ℃，管式爐加熱富油溫度190 ℃，再生器出口蒸汽溫度198.3 ℃，再生器頂壓力-80.18 kPa，脫苯塔頂溫度68.9 ℃，脫苯塔底貧油溫度216.2 ℃，冷凝冷卻器粗苯溫度20～30 ℃，二段貧油出口溫度27～29 ℃，脫苯塔底壓力59.29 kPa，脫苯塔頂壓力-64.26 kPa，貧油含苯0.22%（設(shè)計≤0.1%），循環(huán)洗油溫度出爐溫度230 ℃。以上數(shù)據(jù)取自滄州渤海煤焦化公司無直接蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝運行數(shù)據(jù)，并參考文獻［3-4］，山鋼日照焦化部負(fù)壓脫苯工藝貧油含苯0.04%。

2.3 直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝

直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝，洗油循環(huán)和管式爐加熱與傳統(tǒng)的工藝基本相同，脫苯塔采用負(fù)壓操作的同時使用過熱蒸汽汽提再生洗油。脫苯塔頂操作壓力控制在-60 kPa，操作溫度64 ℃；脫苯塔底操作壓力控制在-40 kPa，操作溫度180 ℃。直接蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝參數(shù)：貧富油換熱后富油溫度150～160 ℃，管式爐加熱富油溫度180～190 ℃，進再生器過熱汽溫度400 ℃，脫苯塔頂溫度69.5 ℃，脫苯塔底溫度160～170 ℃，冷凝冷卻器粗苯溫度20～25 ℃，二段貧油出口溫度25 ℃，脫苯塔底壓力-18.8 kPa，脫苯塔頂壓力-49 kPa，貧油含苯0.10%。以上數(shù)據(jù)取自山東鐵雄冶金科技公司直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯裝置現(xiàn)場參數(shù)。

3 三種脫苯蒸餾工藝比較

3.1 工藝特點

傳統(tǒng)直接蒸汽富油脫苯工藝是以過熱蒸汽和煤氣管式爐加熱為熱源，富油在管式爐中加熱，飽和蒸汽在管式爐中過熱到350～400 ℃，含苯洗油和水蒸汽形成共沸物進行蒸餾。洗油排渣可采用干法排渣（國家環(huán)境部門禁止采用干法排渣）和濕法排渣兩種方式，干法排渣量相對較少。該工藝消耗蒸汽量較大，噸粗苯產(chǎn)生分離水1～1.5 t/t，導(dǎo)致含酚廢水量增加，有機物散溢嚴(yán)重，環(huán)境問題突出，苯收率低，運行成本高。

無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝是在負(fù)壓狀態(tài)下，采用高效傳質(zhì)斜孔塔板，通過實沸點蒸餾分離出洗苯富油中的粗苯。此工藝不需要外來直接蒸汽，粗苯分離水很少（僅有洗苯過程中洗油從煤氣中帶入的冷凝水）。熱量是由焦?fàn)t上升管回收焦?fàn)t荒煤氣余熱的熱導(dǎo)油與塔底貧油換熱提供，或塔底貧油通過管式爐加熱循環(huán)提供。脫苯塔內(nèi)的上升氣流主要為粗苯氣體和部分氣化的洗油，富油和循環(huán)貧油在導(dǎo)熱油換熱器或管式爐內(nèi)分別加熱到180～190 ℃和230 ℃（洗油在操作壓力下的沸點）。

直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝，同時使用負(fù)壓操作和直接汽提蒸汽。汽提蒸汽用量通常為正壓直接蒸汽脫苯工藝的一半以上，有一定節(jié)能效果，但是仍存在粗苯分離水，需要進行含酚廢水處理。此工藝除了在脫苯塔增加負(fù)壓裝置外，其他工藝和傳統(tǒng)正壓脫苯工藝完全相同。

3.2 公用工程介質(zhì)耗量

3.2.1 焦?fàn)t煤氣消耗

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，山東泰山鋼鐵集團有限公司（以下簡稱泰鋼）焦化廠采用無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝，噸苯耗煤氣為523.07 m3/t。河北滄州渤海煤焦化公司采用無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝，噸苯煤氣消耗為577.8 m3/t。以上兩單位平均為550.44 m3/t。山東鐵雄冶金科技有限公司采用直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝，噸苯耗煤氣為666.66 m3/t。直接蒸汽富油脫苯工藝噸苯耗煤氣665.07 m3/t。

3.2.2 噸粗苯電耗

與直接蒸汽富油脫苯工藝相比，無蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝增加了塔頂真空泵、洗油再生真空泵、循環(huán)貧油泵和洗油再生泵；直接蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝增加了塔頂真空泵，電耗有一定程度的增加。根據(jù)參考文獻得知［4］，三種富油脫苯工藝的噸粗苯電耗分別為：蒸汽正壓工藝127.03 kW·h，無蒸汽負(fù)壓工藝105.4 kW·h，蒸汽半負(fù)壓工藝91.89 kW·h。

3.2.3 噸苯洗油消耗

在現(xiàn)場調(diào)研過程中，泰鋼焦化廠和河北滄州渤海煤焦化公司的洗油消耗在40～100 kg/t粗苯之間波動。經(jīng)過初步觀察和分析，上述裝置洗油消耗高的原因主要是由于排渣習(xí)慣造成的。根據(jù)參考文獻［5］，柳鋼焦化廠負(fù)壓脫苯工藝，一開始是連續(xù)排渣，洗油消耗為100 kg/t粗苯以上，但經(jīng)過操作調(diào)整，殘渣直接排入油庫。采用間歇排渣后，系統(tǒng)生產(chǎn)油耗大大降低，達到42 kg/t粗苯，與常壓蒸餾工藝洗油消耗相差不大，并且洗油的質(zhì)量保持穩(wěn)定。三種富油脫苯工藝的噸粗苯洗油消耗分別為：蒸汽正壓工藝60 kg/t，無蒸汽負(fù)壓工藝42 kg/t，蒸汽半負(fù)壓工藝40 kg/t。洗油價格4 500元/t，焦油價格2 000元/t，價差2 500元/t，洗油費用應(yīng)以價差計算。

3.2.4 噸苯耗蒸汽和耗循環(huán)水/低溫水

三種工藝的能耗和循環(huán)水/低溫水消耗如表1所示。表1 中數(shù)據(jù)根據(jù)熱量平衡計算得到。低溫水應(yīng)為2元/t，由于低溫水只用半年，其余半年用循環(huán)水代替，因此低溫水的全年均價為1.2元/t。

表1 三種冷卻循環(huán)水/低溫水消耗情況

3.2.5 貧油含苯

無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝，有利于粗苯的蒸餾，貧油含苯≤0.1%，比常壓脫苯貧油含苯0.2%降低了一倍以上。貧油含苯降低，就意味著煤氣洗苯傳質(zhì)推動力大，洗苯效果更好，洗苯塔后的煤氣含苯更低，苯的回收率更高。三種工藝對貧油含苯以及洗苯塔后含苯的影響如表2所示。

3.2.6 環(huán)保效果

無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝，設(shè)備為負(fù)壓操作，不會向環(huán)境溢散含有機物的廢氣排放，脫苯系統(tǒng)的不凝氣全部由真空泵抽送到到鼓風(fēng)機前煤氣負(fù)壓系統(tǒng)，現(xiàn)場沒有異味；而傳統(tǒng)正壓脫苯工藝和直接蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝含有機物的尾氣屬于無組織排放，即使有集中處理設(shè)施，處理也不完全，現(xiàn)場仍然有異味。

表2 三種工藝對貧油含苯及塔后煤氣含苯的影響

3.3 三種富油脫苯工藝操作費用

三種富油脫苯工藝操作費用的比較見表3。

表3 三種富油脫苯工藝操作費用的比較 元/t

以上三種工藝的噸粗苯操作費用，無蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝費用最低為853.34 元/t，比蒸汽汽提富油脫苯工藝降低費用522.67元/t，比蒸汽半負(fù)壓富油脫苯工藝降低295.19元/t。對于120萬t/a焦的焦化廠，粗苯收率為1.1%，無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝與傳統(tǒng)工藝相比節(jié)約費用達770 萬元/a 以上，具有較大的運行成本優(yōu)勢。

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4 無直接蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝分析

4.1 節(jié)能分析

在負(fù)壓狀態(tài)下，富油脫苯系物質(zhì)的相對揮發(fā)度增大，有利于苯和洗油（以萘為洗油代表成分）的分離。當(dāng)脫苯塔的操作壓力從100 kPa 降到20 kPa時，相對揮發(fā)度增大1.63倍，如表4所示。

表4 負(fù)壓對相對揮發(fā)度的影響

根據(jù)芬斯科公式，精餾過程的最小理論板數(shù)Nmin可由下式（1）確定：

式中：αave為精餾過程的平均相對揮發(fā)度。

根據(jù)恩德伍德公式，精餾過程的最小回流比Rmin可由式（2）和式（3）計算

式中：q為進料狀態(tài)液化率，可以認(rèn)為是定值；αij為組分i針對j的相對揮發(fā)度，此處i可以選苯，j可以選為萘，αij可選用全塔的平均相對揮發(fā)度αAVE；xDi為塔頂餾出物中苯的含量，可以認(rèn)為是定值。

由上面可以看出，當(dāng)在負(fù)壓實沸點精餾的過程中，相對揮發(fā)度得以提高，使精餾所需的最小理論板數(shù)和最小回流比均降低。

根據(jù)吉利蘭關(guān)聯(lián)式有：

式中的NT為精餾理論板數(shù)，由于負(fù)壓精餾過程的最小理論板數(shù)和最小回流比降低，當(dāng)NT保持和正壓精餾的理論板數(shù)一定時，負(fù)壓精餾所需的回流比R可以降低。

根據(jù)精餾塔的熱量平衡：

式中：HF，i表示各進料的焓；Qin表示外界加入的熱量，如蒸汽量，包括原料預(yù)熱和塔釜加熱；Wp表示外界提供的機械功；Hout，j表示各產(chǎn)品的焓；Qout表示外界加入的冷量，塔頂蒸汽冷凝以及流股冷卻所需要的冷卻循環(huán)水。對于精餾塔來說，在完成特定的分離任務(wù)的前提下，其能源消耗包括了Qin、Wp、Qout幾項。對于塔頂在沒有過冷冷凝的情況（露點冷凝），此時塔頂冷凝所需熱量Qout可表示為：

式中：D為塔頂采出的餾分流量，R為回流比，λ為塔頂餾分的蒸發(fā)潛熱。如塔頂有過冷冷凝的情況，則需要考慮餾分溫度與塔頂露點之間的顯熱，但與蒸發(fā)潛熱相比較，顯熱通?？梢院雎浴?/p>

為了討論和分析的方便，若取進料溫度tF取為基準(zhǔn)溫度，且進料為100%的液體，記tD和tB分別為流出液和釜液的溫度，則：

式中：CP，D和CP，B分別是塔頂和塔釜采出餾分的比熱。

式（7）中，塔頂、塔釜的采出D和B由分離任務(wù)要求和物料平衡決定，tF、tD和tB由操作狀態(tài)、以及進料、塔頂和塔釜組成所決定，因此塔釜加入熱量Qin實際仍然由塔頂冷凝負(fù)荷Qout所決定。D決定于物料平衡，λ決定于塔頂組分的組成，在富油脫苯過程中基本可以認(rèn)為是定值?？梢钥闯?，隨著回流比R的增加，Qout和Qin隨之增加；反之減小。

由此可見，負(fù)壓精餾主要是通過負(fù)壓操作提高相對揮發(fā)度，在理論板不變的情況下降低塔頂回流實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

4.2 投資比較

按均以單爐單塔脫苯工藝做投資比較。無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝，只比傳統(tǒng)的脫苯工藝增加了兩套抽真空設(shè)備和塔底貧油循環(huán)泵。比有蒸氣負(fù)壓脫苯工藝只增加了一套洗油再生抽真空設(shè)備和塔底貧油循環(huán)泵，投資費用比脫苯和有蒸氣負(fù)壓脫苯工藝約增加10%左右。

4.3 負(fù)壓脫苯工藝功能拓展的展望

無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝的開發(fā)，降低了對能源介質(zhì)的需求，可以承接焦?fàn)t上升管余熱回收熱介質(zhì)替代焦?fàn)t煤氣管式加熱工藝設(shè)備，實現(xiàn)脫苯工藝無焦?fàn)t煤氣運行。促進焦化流程余能的高效利用和能量流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。從源頭取消管式爐，從根本上解決了粗苯管式爐煙氣的達標(biāo)排放。利用導(dǎo)熱油對焦?fàn)t上升荒煤氣余熱進行回收，是一種高效傳熱模式，用來加熱洗苯富油，系統(tǒng)能效高、穩(wěn)定安全、易于實現(xiàn)智能控制。焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收是一種非常穩(wěn)定的熱源，對穩(wěn)定粗苯生產(chǎn)非常有利。熱導(dǎo)油進上升管的溫度為240 ℃，出上升管的溫度為260 ℃。根據(jù)測算，焦?fàn)t上升管回收的余熱熱量和溫度完全能夠確保無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝的需求，界時實現(xiàn)導(dǎo)熱油對焦?fàn)t煤氣替代后，每噸粗（輕）苯生產(chǎn)運行成本將降到302元左右。經(jīng)測算，對于年產(chǎn)120萬t的焦化廠，采用熱導(dǎo)油回收上升管余熱，1 a可節(jié)約燃料費980萬元以上。

無蒸汽負(fù)壓脫苯工藝的開發(fā)，提高了傳質(zhì)效率，使循環(huán)洗油脫苯效率明顯提高。當(dāng)脫苯塔后煤氣含苯從3.5 g/m3降到1.7 g/m3，相比較煤氣含噻吩從3.5 g/m3降到0.849 g/m3，對認(rèn)識脫除焦?fàn)t煤氣羰基硫的新脫途徑和增加羰基硫產(chǎn)品（如噻吩）價值的可行性提供依據(jù)。煤氣脫苯效率對煤氣有機硫成分的影響如表5所示。

表5 煤氣脫苯效率對煤氣有機硫成分的影響 mg/m3

5 結(jié) 語

綜上所述，通過三種流程比較，無蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝不消耗蒸汽，并且運行費用最低，不產(chǎn)生廢水，所有不凝氣返回煤氣負(fù)壓系統(tǒng)，環(huán)保效應(yīng)好，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效應(yīng)。焦?fàn)t煤氣洗脫苯及無蒸汽富油負(fù)壓脫苯工藝的系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了焦?fàn)t荒煤氣洗脫苯工藝流程的高能效、潔凈化、有序運行。無蒸汽負(fù)壓富油脫苯工藝具有明顯優(yōu)勢，是極具推廣價值的新工藝、新技術(shù)。