一、研究的背景與問題
焦爐煤氣凈化是鋼鐵行業(yè)煉焦過程的重要組成部分，從焦爐煤氣中可以獲得甲烷、氫、煤焦油、BTX、硫，氨等多種資源。與資源利用鏈上的其它過程相比，焦爐煤氣凈化工藝流程更復雜，所面臨的限制和要求更高，需要經(jīng)歷十多步凈化操作才能獲得合格產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中往往出現(xiàn)工藝流程長，設備整合度低，能源消耗高的現(xiàn)狀。
上世紀八十年代以后，我國曾引進過德國的氨硫聯(lián)合洗滌工藝，通過對經(jīng)過蒸餾后的氨進行凝縮，得到堿性較強的脫硫化氫洗滌液。由于不需要外來堿源的特點，這一技術在上世紀曾廣泛應用于國內(nèi)的焦化企業(yè)。
隨著國家環(huán)保超低排放標準的頒布和實施，行業(yè)政策對焦化環(huán)保水平提出更加嚴苛的要求。氨水脫硫工藝的高能耗，操作條件復雜導致硫化氫脫除率低，適用條件不夠?qū)挿旱葐栴}成為制約其應用的瓶頸，具體表現(xiàn)為：
1. 缺乏關鍵工藝的核心設計理論基礎。由于長期缺乏基礎科學領域的投入，對于焦爐煤氣設備內(nèi)部具體的傳熱、傳質(zhì)狀態(tài)和機理幾乎都來自國外資料或文獻，關鍵設備在設計時往往采用在已有案例的基礎上進行折算的方式。
2. 設備集成度低。傳統(tǒng)的氨水脫硫工藝的主線設備為脫硫塔、洗氨塔、脫酸塔、蒸氨塔，由于脫硫介質(zhì)要在其間完成多次傳質(zhì)、傳熱過程，操作難度較大，且凈化指標隨生產(chǎn)操作條件的變化而極易產(chǎn)生波動。
3. 適用條件不夠?qū)挿骸鹘y(tǒng)氨水脫硫工藝對于煤氣中硫化氫、氨含量比值存在較嚴格的限制，脫離最佳工況點后，單元操作效率和指標往往不能滿足業(yè)主需求。
經(jīng)過近三十年的發(fā)展演變，傳統(tǒng)的氨硫聯(lián)合洗滌工藝雖然在國內(nèi)的應用占比逐漸下降，但由于其不需要外加堿源和催化劑的工藝優(yōu)勢，在海外用戶的工藝解決方案中一直是首選技術。為了保持技術競爭優(yōu)勢，傳統(tǒng)的工藝方案必然面臨現(xiàn)代焦化企業(yè)運營中必須要滿足的指標先進、脫除效率高、低能耗、運行平穩(wěn)的改進需求。
技術研發(fā)團隊需要重新設計整個工藝流程和關鍵設備結(jié)構(gòu)，完成新型氨水脫硫的工藝創(chuàng)新。盡量避免其它酸性氣體（二氧化碳）在整個工藝運行過程中的干擾，降低解吸過程中的熱量消耗。同時，新工藝要具備更寬的適用條件，滿足海外用戶不同的凈化需求。
二、解決問題的思路與技術方案
（一）總體思路
針對國內(nèi)氨水脫硫工藝運行中出現(xiàn)的“凈化效果差，單元能耗高，對煤氣入口氨硫比限制嚴格”現(xiàn)狀，研發(fā)團隊以構(gòu)建系統(tǒng)化氨水脫硫工藝模型，開發(fā)高效吸收、解吸設備為目標，通過基礎理論研究、關鍵技術攻關、核心裝備研制，形成新型氨水脫硫工藝技術體系，并應于工程實踐。
技術研發(fā)路線和總體方案如下：
圖1 技術研發(fā)路線及方案
（二）主要研發(fā)過程
本項目進行了以下關鍵技術和裝備的研發(fā)：
1. 氨水脫硫-脫酸蒸氨工藝的重構(gòu)與整合
工程技術人員需要重新設計整個工藝流程和設備結(jié)構(gòu)，完成新型氨水脫硫的工藝創(chuàng)新。盡量避免其它酸性氣體（二氧化碳）在整個工藝運行過程中的干擾，降低解吸過程中的熱量消耗。同時，新工藝要具備更寬的適用條件，滿足海外用戶不同的凈化需求。
通過建立的氨水脫硫工藝Aspen數(shù)值模擬與仿真平臺，借鑒當前煤氣凈化工藝的先進經(jīng)驗，對脫硫及酸汽脫除工藝進行設計優(yōu)化。工藝模型克服了H2S和NH3競爭吸附、H2S選擇性吸收和缺少動力學數(shù)據(jù)的難點，并減少了煤氣中共存的其他組分（如CO2和HCN）對H2S和NH3吸收和解吸的干擾，得出了一系列有實際意義的計算數(shù)據(jù)。具有以下特點：能夠準確計算氨水脫硫及再生過程，所得結(jié)果與工程實際吻合良好；能夠?qū)崿F(xiàn)不同工藝路線、工況條件下的工藝比較和計算；能夠全面給出各物流的相關信息。通過模型計算可得到各物流的溫度、壓力、氣相分數(shù)、液相分數(shù)、摩爾流量、質(zhì)量流量、體積流量、焓值和平均分子量等多種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有利于評估物流屬性，能夠指導并對優(yōu)化工藝設計。
2. 汽提水洗氨工藝研究
為降低凈化后煤氣中的含氨量，通常在洗氨塔中設置軟水段，利用氨極易溶解于水的特性強化吸收煤氣中的氨。采用軟水吸收氨雖可降低凈煤氣中的含氨量，但同時也會增加軟水消耗，軟水隨富液進入下級蒸氨系統(tǒng)后，還會增大加熱蒸汽和冷卻水消耗量并增加外排廢水量。如果能利用脫酸蒸氨塔汽提后的水替代軟水，則可避免上述問題。
在保證煤氣洗氨效果的前提下，用洗氨水代替軟水需將洗氨水中的含氨量降至50mg/L，這一指標高于外排廢水含氨量200mg/的要求。顯然，將全部洗滌富液蒸餾至外排廢水標準是難以滿足煤氣高效洗氨要求的，但全部蒸餾至洗氨水標準又會增大加熱蒸汽和冷卻水消耗，從生產(chǎn)運行的角度上看不合理。
為解決此問題，研發(fā)了節(jié)能高效的脫酸蒸氨工藝，采用多級分步蒸餾法，在得到滿足排放標準蒸氨廢水的同時，又得到了高質(zhì)量的洗氨水，同時減少了加熱蒸汽耗量和冷卻水耗量。
3. 脫硫洗氨一體塔的開發(fā)
在應用高效傳質(zhì)內(nèi)件的前提下，將煤氣凈化過程的脫硫、洗氨功能集成在一臺洗滌設備內(nèi)完成。
新開發(fā)的多功能聯(lián)合洗滌塔，包括自下至上依次集成在一個塔體內(nèi)的洗萘段、終冷段、脫硫段和洗氨段，其中洗氨段包括依次自下至上設置的洗氨三段、洗氨二段、堿洗段及洗氨一段，洗萘段、終冷段、脫硫段、洗氨三段、洗氨二段、堿洗段及洗氨一段之間分別通過設于底部的斷塔盤分隔，各功能段塔體內(nèi)的斷塔盤上方均設有填料及液體分布裝置；洗萘段填料下方的塔體上開設煤氣入口，塔體頂部設除霧器和凈煤氣出口；斷塔盤的頂板與底板之間沿周向設有多個短節(jié)，短節(jié)內(nèi)設旋流板。
將多種功能集成在一個塔體內(nèi)，用一個塔設備代替多個塔設備，設備利用率明顯提高，設備投資費用降低；縮減設備占用空間，降低占地投資費用；多塔合并后，取消多個進、出口煤氣管道及支架，工藝管道投資降低；與后續(xù)的脫酸蒸氨單元相配合，塔體內(nèi)各功能段的富液循環(huán)利用，節(jié)省能耗；通過斷塔盤還可有效脫除氣體中的液滴，保證各功能洗滌穩(wěn)定、高效運行；裝置結(jié)構(gòu)緊湊、完善、合理，節(jié)省空間，降低成本，投資少，能耗低。
4. 脫酸蒸氨一體塔的開發(fā)
在解吸蒸餾過程的脫酸、蒸氨功能集成在一臺蒸餾塔內(nèi)完成。
高效脫酸蒸氨塔，包括自上而下依次設置的脫酸段、揮發(fā)氨脫除段、和固定銨脫除段；脫酸段用于加熱分解酸性氣，揮發(fā)氨脫除段用于加熱分解揮發(fā)氨，固定銨脫除段用于加熱化學分解固定銨；脫酸段與揮發(fā)氨脫除段之間設有斷液盤，斷液盤上設有溢流分配管，斷液盤下設有脫酸段蒸汽入口；固定銨脫除段頂部有堿液入口，底部有閃蒸廢水汽入口、蒸氨段蒸汽入口以及貧液出口。
脫酸蒸氨塔分為三部分，脫酸蒸氨一體化，節(jié)省占地，減少設備組成，降低成本。蒸氨段上升的氨蒸汽通過斷液盤直接進入脫酸段，繼續(xù)加熱分解富液，省去蒸氨塔與脫酸塔的連接管道，減小熱量損失，提高分離效率。脫酸貧液通過分配管直接進入揮發(fā)氨脫除段，省去泵的抽取與排送，降低成本。
5. 寬適用范圍的脫酸蒸氨冷凝工藝和設備研發(fā)
傳統(tǒng)的氨水脫硫工藝對于煤氣入口的硫化氫與氨的摩爾比非常敏感，在工藝推廣或者實際運行時，技術人員往往會非常關注此項數(shù)據(jù)。本項研究利用化工過程模擬軟件，對蒸餾后酸汽的處理過程進行重新優(yōu)化設計，設計了全新的酸汽冷凝器，拓寬本工藝對焦爐煤氣中硫化氫和氨氣摩爾比的適用范圍。
6. 利用荒煤氣預熱的脫酸蒸氨工藝研發(fā)
此項技術嘗試將荒煤氣余熱用于脫酸蒸氨洗滌富液的解吸蒸餾過程。
吸收了焦爐煤氣中的硫化氫、氰化氫和氨等雜質(zhì)的洗滌富液，在脫酸蒸氨塔內(nèi)，利用真空泵所形成的負壓環(huán)境，洗滌富液的飽和氣化溫度可降至約為53～55℃進行解吸蒸餾。
為了有效利用初冷器上段荒煤氣的余熱，用循環(huán)熱水在初冷器上段與荒煤氣換熱，熱水溫度由～65℃升溫至～75℃，經(jīng)過加壓輸送，～75℃的熱水與脫酸蒸氨塔內(nèi)的洗滌富液在熱水再沸器或塔內(nèi)的降膜式蒸發(fā)器內(nèi)進行熱量交換，從而達到把荒煤氣余熱吸收利用后傳遞給洗滌富液的目的。正是由于脫酸蒸氨的操作溫度降低，使得利用荒煤氣余熱的技術變成可能。因為脫酸蒸氨操作的溫度為60℃以下，初冷器上段荒煤氣的溫度為80～83℃，可以形成溫度差梯度。傳統(tǒng)的脫酸蒸氨工藝無法形成這樣的溫度梯度。
降低脫酸蒸氨操作溫度的優(yōu)勢為：a)降低了貧液和酸氣的腐蝕性。在傳統(tǒng)的脫酸蒸氨工藝中，為克服酸汽的應力腐蝕等因素，脫酸蒸氨塔內(nèi)件、酸汽管道等重要部件必須采用鈦材，其他部分也必須使用S31603等不銹鋼材質(zhì)，這使得建設成本偏高。當操作溫度降低后，設備材質(zhì)可降低一個檔次，有效節(jié)省投資。b)解吸蒸餾再生后得到的洗滌貧液溫度較低，在其進入吸收塔前，所需要用到的冷卻水量就較少，節(jié)能效果明顯。
7. 應用熱泵技術的脫酸蒸氨工藝研發(fā)
為了降低解吸蒸餾過程的蒸汽消耗，嘗試引入熱泵技術，采用第二類吸收式熱泵將脫酸蒸氨塔頂酸汽的潛熱回收用于加熱塔底廢水，提供部分熱源，節(jié)省了能源消耗。此工藝能夠降低34％的蒸氨運行成本，但此工藝增加了較多設備，固定設備投資較大，也使得蒸氨操作變得更加復雜，適用于對能源管控要求較高，對化工單元操作較熟悉的業(yè)主。
同時，脫酸蒸氨后得到的氨汽和脫酸蒸氨塔底廢水的余熱通過與煤氣凈化裝置內(nèi)其它余熱介質(zhì)耦合換熱，可用于制取63～73℃的熱水，通過熱量的回收利用，為焦化廠夏季制冷機或冬季采暖提供了熱源，提高了煤氣凈化裝置的余熱利用率。
三、主要創(chuàng)新性成果
1.新型氨水脫硫-脫酸蒸氨整合工藝
通過已經(jīng)建立起的氨水脫硫工藝Aspen數(shù)值模擬與仿真平臺，借鑒當前煤氣凈化工藝的先進經(jīng)驗，對脫硫及酸汽脫除工藝進行設計優(yōu)化。工藝模型具有如下特點：
能夠準確計算氨水脫硫及再生過程，所得結(jié)果與工程實際吻合良好；
能夠?qū)崿F(xiàn)不同工藝路線、工況條件下的工藝比較和計算；
能夠全面給出各物流的相關信息。通過模型計算可得到各物流的溫度、壓力、氣相分數(shù)、液相分數(shù)、摩爾流量、質(zhì)量流量、體積流量、焓值和平均分子量等多種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有利于評估物流屬性，能夠指導并優(yōu)化工藝設計。
圖2 新型氨水脫硫-脫酸蒸氨整合工藝
以化工流程模擬軟件為基礎，對焦爐煤氣的脫硫、脫氨過程進行整合優(yōu)化；同時對處理洗滌富液的脫酸、蒸氨過程進行整合優(yōu)化。
此項技術已集成應用在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司二期工程中，有效解決了新型氨水脫硫-脫酸蒸氨整合工藝所面臨的主要技術瓶頸，降低投資，節(jié)約能源，安全可靠。設備相關的處理能力、凈化效果，全部在設計預期的范圍內(nèi)。
2.新型氨水脫硫及脫酸蒸氨設備
在應用高效傳質(zhì)內(nèi)件的前提下，將煤氣凈化過程的脫硫、洗氨功能集成在一臺洗滌設備內(nèi)完成；在解吸蒸餾過程的脫酸、蒸氨功能集成在一臺蒸餾塔內(nèi)完成。以流體力學軟件為基礎，對脫硫塔、洗氨塔、脫酸塔、蒸氨塔進行整體的傳質(zhì)、傳熱優(yōu)化，并將其整合為脫硫洗氨塔和脫酸蒸氨塔。
圖3 新型氨水脫硫塔及脫酸蒸氨塔關鍵部件流場分布的影響和阻力降情況
此項技術已集成應用在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司二期工程中，新型氨水脫硫塔和脫酸蒸氨塔內(nèi)的新型高效低壓力降的液體分布器、再分布器、填料等設備內(nèi)件，保證了大煤氣流量下傳質(zhì)—傳熱媒介的均勻度和低能耗，突出了新一代焦爐煤氣凈化設備的技術優(yōu)勢。
3.新型脫酸蒸氨冷凝工藝及設備
傳統(tǒng)的氨水脫硫工藝對于煤氣入口的硫化氫與氨的摩爾比非常敏感，在工藝推廣或者實際運行時，技術人員往往會非常關注此項數(shù)據(jù)。本項研究利用化工過程模擬軟件，對蒸餾后酸汽的處理過程進行重新優(yōu)化設計，設計了全新的酸汽冷凝器，拓寬本工藝對焦爐煤氣中硫化氫和氨氣摩爾比的適用范圍。
采用新型的脫酸蒸氨冷凝工藝及設備，放寬本工藝對焦爐煤氣中硫化氫與氨的摩爾比要求。
圖4 新型脫酸蒸氨冷凝工藝
四、應用情況與效果
本技術可廣泛應用于焦化行業(yè)產(chǎn)能在5萬～20萬m3/h的焦爐煤氣凈化氨水脫硫工藝，已在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司二期工程，馬鋼南區(qū)煤氣凈化合并改造項目成功實施。隨著煤氣凈化相關設備技術的發(fā)展，這種高效集成的工藝技術可以滿足用戶對提高單元自動化控制水平、降低建設投資和運行成本的要求。
目前本項技術占領了印度絕大部分市場和土耳其部分市場，為我國鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了技術保障。
圖5 馬鋼南區(qū)煤氣凈化合并改造項目
圖6 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司二期工程
信息來源：中冶焦耐（大連）工程技術有限公司
