液滴倍增技術(shù)在煤焦化行業(yè)中的應(yīng)用

裴 文，李海波，王 浩

（上海安賜環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆虾?201201）

煤焦化行業(yè)的剩余氨水中含有少量經(jīng)重力沉降或過濾難以有效去除的焦油，這些焦油是造成蒸氨塔和換熱器堵塞的主要原因[1]；洗苯后的焦?fàn)t煤氣中含有焦油塵、苯族烴、萘、氨等雜質(zhì)，會(huì)影響壓縮機(jī)的正常、連續(xù)運(yùn)行[2]；焦?fàn)t煙道廢氣經(jīng)濕法脫硫后，需進(jìn)一步除霧、除塵，才能達(dá)到超低排放的要求。針對(duì)此類問題，上海安賜環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆ê喎Q安賜環(huán)保）結(jié)合新材料和流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了纖維材料在液滴倍增方面的研究，開發(fā)了基于液滴倍增理論的AFBP相分離器、Anhorn除霧器和AFMD除霧除塵器等產(chǎn)品，并在煤焦化行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，現(xiàn)介紹如下。

1 液滴倍增技術(shù)原理

液滴倍增是指物料通過由液滴倍增材料所構(gòu)成的填料層，使分散相液滴凝聚、變大，最終從材料表面釋放，實(shí)現(xiàn)快速、高精度分離的過程。由斯托克斯公式[見式（1）]可知[3]，小液滴分離速度與重力加速度、物料密度差、主要相黏度以及分散相液滴的直徑有關(guān)。相對(duì)于重力加速度、密度差和黏度因素，通過改變液滴的直徑來改變液滴的分離速度在技術(shù)上是可行的，而且分離速度與液滴直徑的二次方成正比。

式中：uv為分離速度，m/s；g為重力加速度，一般取9.81 m/s2；ρH，ρL分別為重相、輕相的密度，kg/m3；d為分散相液滴直徑，m；μ為主要相的動(dòng)力黏度（為溫度的函數(shù)），Pa·s。

2 液滴倍增技術(shù)在煤焦化行業(yè)的應(yīng)用

目前國內(nèi)液滴倍增技術(shù)主要應(yīng)用在石油化工、新材料、環(huán)保等油水分離領(lǐng)域，如航空煤油和柴油的水分離以及化工過程中的輕烴與水的分離普遍使用液滴倍增技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。但是，液滴倍增技術(shù)在黏度高、密度差小以及物料復(fù)雜工況下的研究和應(yīng)用還不多見。安賜環(huán)保通過對(duì)材料改性及深加工，研發(fā)了具有分離精度高、防堵塞、耐腐蝕、壽命長等特點(diǎn)的液滴倍增技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)密度差小于2%、黏度大于5 000 Pa·s等常規(guī)液滴倍增技術(shù)難以分離工況的相高效快速分離，并在剩余氨水除焦油、焦?fàn)t煤氣凈化和焦?fàn)t煙道氣超低排放等工況進(jìn)行了應(yīng)用。

2.1 AFBP相分離器用于剩余氨水除焦油

2.1.1 AFBP相分離器工作原理

AFBP相分離器原理示意圖見圖1。不相溶的油水混合相首先經(jīng)由特殊設(shè)計(jì)的分布器進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，經(jīng)分布器處理后，物料均勻地流過疏松纖維床填料段（纖維倍增段），分散相液滴吸附在改性纖維上，并在改性纖維上實(shí)現(xiàn)液滴倍增，液滴增大到一定程度后，脫離纖維填料段進(jìn)入特殊板組段；倍增后的分散相液滴在特殊板組上進(jìn)一步增大，并在淺池效應(yīng)下（即斜管沉淀池池長度和池中水平流速不變時(shí)，池身越淺，可被去除的懸浮物顆粒越小），實(shí)現(xiàn)油水的高效分離。

圖1 AFBP相分離器原理示意圖

AFBP相分離器凈化剩余氨水的工藝流程示意圖見圖2。剩余氨水經(jīng)泵進(jìn)入AFBP相分離器，分散在剩余氨水中的煤焦油首先在相分離器的纖維倍增段倍增，將微小油滴凝聚成大油滴，凝聚后的大油滴在相分離的特殊板組段快速分離，此后輕焦油從相分離器上端分離出，重焦油從相分離器下端分離出，分離出的輕、重煤焦油排入地下槽，凈化后的剩余氨水進(jìn)入蒸氨塔。

圖2 AFBP相分離器凈化剩余氨水的工藝流程示意圖

2.1.2 應(yīng)用案例

2016年山東金能科技股份有限公司10萬t/a焦?fàn)t氣制甲醇裝置采用AFBP相分離器代替原來的陶瓷膜過濾器，進(jìn)行剩余氨水中的焦油分離。在剩余氨水流量60 m3/h～70 m3/h、進(jìn)口焦油質(zhì)量濃度200 mg/L～300 mg/L工況下，經(jīng)AFBP相分離器處理后，剩余氨水中未溶解焦油質(zhì)量濃度小于50 mg/L，剩余氨水進(jìn)入蒸氨塔，輕、重煤焦油排入地下槽。在此過程中，AFBP相分離器阻力小于15 kPa，且由于AFBP相分離器為靜設(shè)備，無能耗。

2.2 Anhorn除霧器用于焦?fàn)t煤氣凈化

為了延長壓縮機(jī)的檢維修周期，大部分焦化企業(yè)在壓縮機(jī)的氣柜前增設(shè)焦炭吸附塔，用于去除煤氣中雜質(zhì)。但在夏季焦?fàn)t煤氣工況惡劣時(shí)，下游壓縮機(jī)運(yùn)行一周就不得不維護(hù)、清理，并需開啟備用壓縮機(jī)，給企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)行帶來較大壓力。針對(duì)此問題，安賜環(huán)保開發(fā)了Anhorn除霧器。

2.2.1 Anhorn除霧器基本原理

Anhorn除霧器原理示意圖見圖3。含霧含塵的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入Anhorn除霧器，包裹有焦油塵、萘、氨和苯等雜質(zhì)的液滴在改性纖維上凝并增大后，不斷吸附氣體中的微小顆粒，增大至一定程度后形成液流，在疏松纖維床的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)作用下，脫離疏松纖維床。

圖3 Anhorn除霧器原理示意圖

Anhorn除霧器凈化焦?fàn)t煤氣流程示意圖見圖4?；厥沾直胶蟮慕?fàn)t煤氣進(jìn)入Anhorn除霧器，焦油塵與焦?fàn)t煤氣在此實(shí)現(xiàn)高精度分離，凈化后的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入氣柜，廢水排至機(jī)械化澄清槽，為了減少焦油塵在Anhorn除霧器的累積，設(shè)計(jì)了定時(shí)沖洗系統(tǒng)。

圖4 Anhorn除霧器凈化焦?fàn)t煤氣流程示意圖

2.2.2 應(yīng)用案例

云南大為制焦有限公司20萬t/a焦?fàn)t氣制甲醇裝置設(shè)計(jì)焦?fàn)t氣量為112 000 m3/h，焦?fàn)t煤氣成分及雜質(zhì)含量見表1。

表1 焦?fàn)t煤氣成分及雜質(zhì)含量

該公司原使用焦炭過濾器凈化脫苯后的焦?fàn)t煤氣，運(yùn)行一段時(shí)間后，焦炭過濾器出現(xiàn)阻力上升、過濾效率下降等問題，導(dǎo)致壓縮機(jī)夏天運(yùn)行3 d～7 d、冬天運(yùn)行10 d～15 d就要清理零部件，焦?fàn)t氣初預(yù)熱器運(yùn)行約20 d必須清理內(nèi)件，回爐加熱的煤氣噴頭堵塞問題嚴(yán)重。

該公司后經(jīng)改進(jìn)采用了Anhorn除霧器，在操作溫度10℃～40℃，操作壓力5 kPa（G）～10 kPa（G）下，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示：Anhorn除霧器進(jìn)口煤氣中苯平均質(zhì)量濃度1.98 g/m3，出口平均質(zhì)量濃度1.07 g/m3，去除率平均約46%；進(jìn)口煤氣中萘平均質(zhì)量濃度63.6 mg/m3，出口平均質(zhì)量濃度約21.4 mg/m3，去除率平均約66.4%；進(jìn)口煤氣中氨平均質(zhì)量濃度15 mg/m3，出口氨平均質(zhì)量濃度4.5 mg/m3，去除率平均為70%左右。

Anhorn除霧器投運(yùn)后，壓縮機(jī)倒車時(shí)，缸體內(nèi)及活門上無明顯油污及油泥富集的情況，三段油過濾器正常并聯(lián)投用后，阻力均未出現(xiàn)超0.15 MPa的情況；轉(zhuǎn)化系統(tǒng)單臺(tái)焦?fàn)t氣初預(yù)熱器運(yùn)行周期最長至44 d，且清洗頻率下降；洗脫苯后凈化煤氣回爐加熱的煤氣噴頭堵塞情況有所好轉(zhuǎn)。

2.3 AFMD除霧除塵器用于焦?fàn)t煙道氣超低排放

焦?fàn)t煙道氣脫硫漿液中含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%，傳統(tǒng)除霧器出口煙氣中含液質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值為75 mg/m3，相當(dāng)于煙氣中攜帶的漿液顆粒物質(zhì)量濃度為15 mg/m3（75×20%），意味著煙氣通過濕法脫硫裝置后，煙氣中至少會(huì)新增15 mg/m3的顆粒物，無法達(dá)到顆粒物超低排放要求。鑒于此，安賜環(huán)保開發(fā)了AFMD除霧除塵器。

2.3.1 AFMD除霧除塵器原理

AFMD除霧除塵器由“異形管+特殊板組+疏松纖維床+沖洗系統(tǒng)”組成。異型管主要用于分離粒徑2 000μm以上的脫硫漿液液滴，同時(shí)均布煙氣流場(chǎng)，提高下游特殊板組的除霧除塵效率；異型管除霧器具有自凈功能，無需沖洗。特殊板組根據(jù)氣流的流動(dòng)特性對(duì)葉片進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，含塵液滴在離心力作用下從氣流中分離?；谂鲎病U(kuò)散及布朗運(yùn)動(dòng)機(jī)理，改性疏松纖維床將細(xì)小的含塵霧滴凝并、聚集，含塵液滴在重力作用下從煙氣中分離。

2.3.2 應(yīng)用案例

2018年11月，山東金能科技股份有限公司對(duì)焦?fàn)t煙道氣進(jìn)行超低排放改造，設(shè)計(jì)煙氣量432 000 m3/h，焦?fàn)t煙道氣首先經(jīng)過原脫硝和濕法脫硫裝置，脫硫塔出口的平均含塵質(zhì)量濃度20 mg/m3～30 mg/m3（干基，O2體積分?jǐn)?shù)8%）。為達(dá)到含塵質(zhì)量濃度小于10 mg/m3（干基，O2體積分?jǐn)?shù)8%）的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，在脫硫塔后新增1臺(tái)AFMD除霧除塵器，該除霧除塵器殼體內(nèi)配置有疏松纖維床、特殊板組等內(nèi)件，殼體外配置有沖洗系統(tǒng)，對(duì)除霧器定時(shí)沖洗，沖洗電耗每小時(shí)約2.7 kWh，操作彈性30%～100%。投用后，AFMD除霧除塵器運(yùn)行壓降200 Pa～300 Pa，出口含塵質(zhì)量濃度5 mg/m3～8 mg/m3（干基，O2體積分?jǐn)?shù)8%），除塵效率最高達(dá)90%，相較于原裝置，除塵效率提高了約50%。

3 結(jié) 語

安賜環(huán)保基于液滴倍增技術(shù)原理，通過對(duì)材料改性及深加工，開發(fā)了AFBP相分離器、Anhorn除霧器和AFMD除霧除塵器等除塵除霧設(shè)備，并成功應(yīng)用于剩余氨水除焦油、焦?fàn)t煤氣凈化以及濕法脫硫后的焦?fàn)t煙道廢氣超低排放等工況，為焦化企業(yè)廢液、廢固、廢氣的分離提供了一種技術(shù)選擇。