固定床氣化煤制天然氣酚氨回收裝置優(yōu)化探討

張成吉，王國(guó)平，崔富忠

（伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000）

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱新天煤化工）煤制天然氣項(xiàng)目采用固定床碎煤加壓氣化技術(shù)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)天然氣20 億m3，副產(chǎn)品包括硫銨、重芳烴、粗酚、輕烴、氨水等。固定床碎煤加壓氣化技術(shù)在氣化過程中會(huì)產(chǎn)生大量含石油烴、焦油類、脂肪酸、煤塵、酸性氣體、NH3及酚等污染物的廢水，這些廢水經(jīng)過除塵和除油后，送至酚氨回收裝置脫除CO2、H2S 等酸性氣體及NH3、酚類等物質(zhì)，然后送至下游污水處理裝置進(jìn)一步處理后回用[1-4]。以1 套處理能力為300 m3/h 的酚氨回收裝置為例，正常運(yùn)行時(shí)需消耗各等級(jí)蒸汽約100 t/h，消耗堿液約0.5 t/h，受萃取設(shè)備選型及萃取能力的影響，萃取溶劑消耗一般在0.04 t/h～0.07 t/h，還需消耗水、電、汽、氣等，運(yùn)行成本較高。因此，降低酚氨回收裝置運(yùn)行成本和提高其處理能力，是氣化廢水低成本處理過程中的重要一環(huán)?，F(xiàn)對(duì)新天煤化工酚氨回收裝置運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)優(yōu)化措施，改造后的運(yùn)行效果良好，現(xiàn)介紹如下。

1 酚氨回收裝置運(yùn)行存在的問題

1.1 裝置脫酸、脫氨單元能耗高

為有效脫除廢水中溶解的酸性氣和氨，并使氨凈化裝置運(yùn)行順暢，脫酸脫氨操作壓力為0.5 MPa，需使用大量1.5 MPa 蒸汽加熱以保證足夠溫差，因而酚氨回收裝置能耗在全廠能耗中所占比例達(dá)25%，對(duì)全廠能量有效平衡造成不利影響。

1.2 脫氨單元堿液消耗量大

煤氣化廢水中溶解了H2S、CO2、短鏈脂肪酸等酸性組分，使得氨的離解平衡向離子態(tài)方向偏離，即生成了更多的“固定銨”，需加注堿液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)32%的NaOH）將固定銨轉(zhuǎn)化為游離氨。但加堿后的水體堿度增加，pH 值達(dá)8.5 左右，使得酚類在廢水中更多以苯氧基形式存在，因而在水中溶解度增加，造成萃取單元萃取脫酚的效率降低。同時(shí)，污水脫鹽裝置負(fù)荷增大，回水品質(zhì)降低，影響后系統(tǒng)運(yùn)行。

1.3 萃取塔萃取效率低

萃取塔是整個(gè)酚氨回收裝置的核心單元，其性能差異關(guān)系著裝置處理能力和酚及同系物的萃取效率。試運(yùn)行期間安裝的萃取填料，水力分布性能差，導(dǎo)致萃取劑二異丙基醚在水體中的分散度低。在運(yùn)行中出現(xiàn)單系列處理負(fù)荷僅達(dá)到260 t/h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值300 t/h；且系統(tǒng)萃取相比（投加的二異丙基醚與萃取水量的體積比）達(dá)到0.35，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的0.14，導(dǎo)致酚回收系統(tǒng)處理量超過設(shè)備能力且能耗增加。

2 酚氨回收工藝優(yōu)化

根據(jù)酚氨回收裝置試運(yùn)行過程中暴露出的問題，由新天煤化工、青島科技大學(xué)、清華大學(xué)、賽鼎工程有限公司聯(lián)合成立攻關(guān)小組，組織開展調(diào)查研究，在原工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)脫酸脫氨工藝及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，消除系統(tǒng)瓶頸問題。

2.1 集成、優(yōu)化全廠蒸汽能級(jí)，降低高等級(jí)蒸汽消耗

通過核算[5]優(yōu)化工藝在蒸汽用量、壓力等級(jí)分布等方面的使用要求，對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行集成與優(yōu)化：一是對(duì)脫酸脫氨裝置的用能需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，利用全廠副產(chǎn)低壓蒸汽或乏汽代替中壓蒸汽；二是對(duì)全廠蒸汽等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化匹配。

在負(fù)荷為200 m3/h 時(shí)，通過對(duì)脫酸脫氨塔參數(shù)的調(diào)整，找到最佳操作參數(shù)。優(yōu)化前，全廠副產(chǎn)0.5 MPa低壓蒸汽來源充足，且受季節(jié)影響消耗波動(dòng)大，冬季采暖期熱負(fù)荷需求大，非采暖期低壓蒸汽過剩量大，采取放空處理，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此優(yōu)化使用0.5 MPa蒸汽代替原1.5 MPa 蒸汽對(duì)脫酸脫氨塔進(jìn)行加熱試驗(yàn)，得到的運(yùn)行參數(shù)及指標(biāo)見表1。

表1 脫酸脫氨塔運(yùn)行參數(shù)及指標(biāo)

由表1 可知，使用0.5 MPa 蒸汽代替1.5 MPa 蒸汽作為熱源對(duì)脫酸脫氨塔進(jìn)行加熱，能夠滿足指標(biāo)要求，蒸汽能級(jí)調(diào)整效果良好，達(dá)到優(yōu)化利用的目的，并且可有效利用0.5 MPa 蒸汽約70 t/h，節(jié)能效益非常顯著。

2.2 調(diào)整脫氨過程的加堿量，優(yōu)化工藝控制指標(biāo)

脫氨塔在脫氨過程中，通過加堿來脫除固定銨，而加入的堿中，氫氧根與固定銨反應(yīng)生成氨氣和水，鈉離子則與苯酚反應(yīng)生成酚鈉鹽（這里以苯酚為代表，還可能存在多元酚與鈉離子反應(yīng)的情況），即加堿后脫氨塔內(nèi)存在兩個(gè)主反應(yīng)，分別見式（1）、式（2）：苯酚微溶于水，但反應(yīng)生成的苯酚鈉則在水中有較大的溶解度，而在溶劑中的溶解度則相應(yīng)降低，因此萃取效率大幅降低。

為了消除上述影響，在運(yùn)行負(fù)荷為250 m3/h、原料水指標(biāo)保持穩(wěn)定的前提下，通過調(diào)整加堿量（質(zhì)量濃度為32%的NaOH 溶液），控制出水氨氮及總酚的含量，加堿量對(duì)稀酚水氨氮及總酚含量的影響見表2。

表2 加堿量對(duì)稀酚水氨氮及總酚含量的影響

由表2 可知，在加堿量較高的情況下，脫氨水pH值也比較高，在pH 值達(dá)到8.5 的時(shí)候，會(huì)明顯影響萃取效果，造成稀酚水出水總酚超標(biāo)（酚質(zhì)量濃度應(yīng)≤620 mg/L），隨著加堿量的降低，脫氨水pH 值降低、萃取相比及稀酚水總酚含量也會(huì)下降，這是因?yàn)閜H 值降低后，酚鈉鹽的產(chǎn)生量減少，酚類物質(zhì)在水中的溶解度降低，因此有利于萃取的進(jìn)行。停止添加堿液后，萃取相比大幅降低，有利于稀酚水出水總酚含量達(dá)標(biāo)；停止添加堿液后，水體pH 值在4～5，萃取劑的萃取效率可達(dá)最大化，水體中酚鈉鹽含量大幅降低，有利于降低污水處理的難度；同時(shí)，可利用生化細(xì)菌的硝化能力，在污水生化處理過程中降解氨氮。因煤氣水中含有的酚類物質(zhì)呈酸性，經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)，不加堿的情況下，游離氨脫除后，脫氨水pH 值會(huì)降至5 左右，為保護(hù)設(shè)備不受腐蝕，目前脫氨加堿量為設(shè)計(jì)值的1/3～1/2，控制脫氨水pH 值為5～7，控制稀酚水氨氮質(zhì)量濃度為150 mg/L 左右，防止脫氨水pH 值過低腐蝕設(shè)備。

2.3 使用新型高效填料，提高萃取效率

新天煤化工酚回收裝置萃取塔原設(shè)計(jì)使用共4段TJG-30 型格柵板填料+TJH-30 波紋板填料，萃取劑與水分散性能差，理論級(jí)數(shù)僅達(dá)到2，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)理論級(jí)數(shù)大于5 的要求，萃取效果不理想，運(yùn)行過程中存在稀酚水出水指標(biāo)頻繁超標(biāo)、溶劑消耗大、萃取負(fù)荷達(dá)不到生產(chǎn)要求等問題。

為此，在萃取塔規(guī)格不變的條件下，更換為共6段FG-Ⅰ+FG-Ⅱ+FG-Ⅲ型格柵填料，并使用新配套的酚水及溶劑進(jìn)料分布器。經(jīng)運(yùn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)更換填料后萃取效率明顯提高，萃取塔理論級(jí)數(shù)達(dá)到5，解決了原萃取塔填料萃取效率低的問題，萃取塔填料更換前后萃取效果對(duì)比見表3。

表3 萃取塔填料更換前后萃取效果對(duì)比

由表3 可知，萃取塔經(jīng)填料改造后，稀酚水總酚及COD 含量較改造前大幅降低，萃取效率明顯提高，二異丙基醚消耗量顯著降低。

經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)，萃取塔填料改造后，系統(tǒng)處理廢水負(fù)荷可提高至360 m3/h（原設(shè)計(jì)負(fù)荷為300 m3/h），解決了原萃取塔萃取效率低，制約系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸問題。萃取劑消耗同比降低37%，并且在控制稀酚水總酚含量不超標(biāo)的前提下，萃取相比最低可降至1∶7.0，降低了溶劑回收系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷及溶劑回收成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 酚氨回收工藝優(yōu)化的成效

3.1 工藝技術(shù)指標(biāo)

酚氨回收裝置優(yōu)化前后工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4 酚氨回收裝置優(yōu)化改造前后工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

由表4 可知，優(yōu)化后較優(yōu)化前，蒸汽消耗占全廠能耗比例降低了5 個(gè)百分點(diǎn)，裝置處理能力提升了38%，萃取劑消耗降低37%，稀酚水中總酚含量降低20.7%，萃取效率提高了4 個(gè)百分點(diǎn)，酚類產(chǎn)品中粗酚同系物含量提高23.1%，粗酚產(chǎn)量提高了7.8%。優(yōu)化后的酚氨回收裝置實(shí)現(xiàn)了規(guī)模放大、能效提升、物料消耗降低和產(chǎn)品提質(zhì)增效的目的。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 酚氨回收裝置處理規(guī)模從單系列處理260 m3/h放大到360 m3/h，三個(gè)系列共增加300 m3/h 的處理量，解決了原裝置處理量不足的瓶頸問題，滿足了目前新天煤化工滿負(fù)荷運(yùn)行日產(chǎn)600 萬m3天然氣的要求，經(jīng)過核算，相當(dāng)于減少了一套酚氨回收裝置的建設(shè)。

3.2.2 通過對(duì)裝置能級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，每年可替代使用超過100 萬t 的低壓蒸汽，相當(dāng)于節(jié)約10 萬t 標(biāo)煤，節(jié)能效益達(dá)到2 000 萬元以上。

3.2.3 通過對(duì)核心設(shè)備萃取塔進(jìn)行升級(jí)改造，使得萃取塔理論塔級(jí)數(shù)由2 級(jí)提高到5 級(jí)，萃取效率大幅提升，萃取劑消耗降低37%，節(jié)約萃取劑超過1 000 t/a，節(jié)省費(fèi)用1 500 萬元/a 以上。同時(shí)使副產(chǎn)品粗酚增產(chǎn)2 000 t/a 以上，可增加600 萬元/a 的銷售收入。

4 結(jié) 語

酚氨回收裝置作為固定床碎煤加壓氣化廢水處理過程中的關(guān)鍵裝置，其運(yùn)行效果直接關(guān)系著整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)能否平穩(wěn)高效運(yùn)行。新天煤化工通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的不斷優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了裝置處理規(guī)模放大、能效提升、物料消耗降低和產(chǎn)品提質(zhì)增效的目標(biāo)；解決了固定床氣化煤制天然氣廢水污染物成分復(fù)雜、處理困難的問題，為實(shí)現(xiàn)大型煤化工污水“零排放”及煤炭清潔化利用拓展了新途徑。