BGL气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用

2020-09-11江成广张晓敏曹文旭

煤炭加工与综合利用 2020年8期

江成广，张晓敏，王忠，曹文旭

(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017317)

中煤鄂尔多斯能源化工有限公司(以下简称鄂能化公司)100万t/a合成氨/175万t/a尿素项目采用了BGL煤气化技术。该项目气化装置2013年12月31日开始投料试车并顺利产出粗合成气[1]。BGL气化副产物煤焦油渣与焦化工业的煤焦油渣成分相近，根据GB 5085.7—2007《危险废物鉴别标准》规定，应集中进行无害化处理。该公司在煤焦油渣的无害化处理方面进行了一系列研究试验，建设了离心分离装置，以期消除环保风险，为绿色发展奠定基础。

1 煤焦油渣的来源及特性

BGL气化炉结构示于图1。与鲁奇加压气化炉相同，BGL气化炉原料碎煤由顶部进入，下部气化段反应产生的高温粗煤气向上逆流通过原料煤[2]，将原料煤加热并干馏、热解，原料煤中分离出的酚、氨、CH4、焦油等与粗煤气一同由颈部出气化炉。约500 ℃的粗煤气经激冷洗涤、废热锅炉换热等处理，温度降至约175 ℃送至煤气变换装置，再经气液分离塔分离出含尘煤气水后进入变换炉。

图1 BGL气化炉结构示意

该气化装置配套2个系列的煤气/水分离装置。在气化装置废热锅炉、变换装置气/液分离塔分离出的含尘煤气-水集中送煤气/水分离系统。含尘煤气-水经减压闪蒸分离出CO2、SO2等溶解气体后，在粗焦油分离器中重力沉降，分离出含尘煤焦油后进入油分离器，油分离器分离出中油后的含酚、氨的洁净煤气-水送储罐。超过2/3的洁净煤气-水循环回气化、变换装置，约1/3洁净煤气-水经过双介质过滤器后送酚氨回收装置(见图2)。粗焦油分离器底部存积的含油固态物质即为煤焦油渣。

图2 煤气/水分离系统流程

粗焦油分离器底部排出的煤焦油渣是黑色黏稠固体物料，有刺激性气味，成分主要是煤尘、焦粒和焦油、水(见表1)。两套煤气水分离装置的煤焦油渣产生量约200 t/d。固定床气化煤焦油渣含有苯类、酚类、萘、蒽、菲、芴等强致癌的多环芳烃，具有很大的危害性。

表1 固定床煤气化焦油渣的性质

由表1可知，鄂能化公司煤焦油渣发热量高，挥发分高，而灰分和硫分都较低，可以作为高价值的化工原料或燃料进行综合利用。

2 国内煤焦油渣主要处理技术

2.1 作为燃料直接利用

(1)直接作为烧砖等土窑的燃料。由于燃烧温度较低，且供O2不足，致使燃烧不完全而产生大量的含有多环芳烃等有毒废气排入空气中[3]，造成大气严重污染，已经被明令禁止。

(2)与煤按一定比例混合制成型煤，送到高温锅炉充分燃烧，产生蒸汽。

刘淑萍、曲雁秋等人的发明专利报告，将焦油渣中加入一定比例的稀释剂和稳定分散剂，制成混合均匀的乳化态液体燃料，发热量达到31.65 MJ/kg以上，可以稳定、完全燃烧[4]。

2.2 作为原料

2.2.1 配煤炼焦

配煤炼焦是工业上煤焦油渣利用的主要方法。煤焦油渣具有低灰、低硫、高挥发分、高粘结性等特点[5]，将煤焦油渣与煤按一定的比例混合压制成炼焦型煤，回炉炼焦[6]，可以增加焦炭和煤气产量，具有良好的经济效益和环保效益。

2.2.2 煤气化原料

近年来，科研人员对煤气化原料的研究较多，但还没有工业成功应用的报道。下列2项成果对于煤焦油渣用作气化原料有重大借鉴意义。

(1)西北化工研究院先后承担并完成了“煤油-水混合料浆制备及气化研究”、“煤焦-水乳化制浆及气化研究”、“煤沥青-水制浆及气化研究”和“多元料浆气化新型气化技术开发研究”，成功开发了多元料浆气化新型气化技术(MCSG)[8]，并实现了广泛的工业化应用[7]。

(2)延长石油集团的煤-油共炼装置产生的残渣含有大量的重油和沥青质，杨东元、扈广法等进行了该残渣掺配水煤浆气化试验[9]。试验结果表明，掺配5%残渣的水煤浆对成浆特性、气化及后续工段工艺无明显影响，经济性较好。

2.3 深度处理综合利用

采用物理或化学方法将煤焦油渣中的油、渣进行分离，并从中回收有价值的焦油和煤粉分别利用，实现无害化处理。还可以对煤粉进行进一步的加工，制备活性炭、石墨烯等高附加值化工材料[10]；对焦油的进一步处理，一是蒸馏以回收多种馏分物质；二是加氢制备轻质油品[11]。深度加工可实现焦油和煤粉的综合利用，达到利用价值最大化。目前已经开发出的方法有多种，其中一些已经实现工业化。

2.3.1 溶剂萃取分离

利用煤焦油渣中有机组分与萃取溶剂的互溶原理，将煤焦油渣与萃取溶剂按合理比例混合，达到完全混溶，再经过滤、离心或沉降等工艺实现油、渣分离，最后通过汽提、蒸馏等方法将油品与萃取剂分离开。萃取分离的方法高效、处理量大，但溶剂的选择较难，流程较长，运行的经济性、毒性等问题需深入研究，继续完善。

2.3.2 机械离心分离

依据煤焦油渣中不同物质密度不同的特性，在高速旋转设备内产生的离心力不同而相互分离。该方法的特点是工艺流程简单、可操作性强，效率和经济效益高，但难以将不同物料彻底分离，且设备费用较高。

2.3.3 热解分离

在无氧或缺氧的条件下，高温加热煤焦油渣，使其中有机物分解，大分子裂解成为小分子，从而获得可燃气体、油品和焦炭等化工产品。随着研究的深入和工艺技术的逐步成熟，该方法具有广阔的发展前景。

3 鄂能化公司煤焦油渣无害化处理研究进展

鄂能化公司气化装置满负荷运行时，粗焦油分离器底部的沉积物——煤焦油渣间歇排出到油罐车中约200 t/d，运送到公司附近一家固废处理公司(有危废处理资质)。该公司对煤焦油渣进行分离处理，产出的焦油销售获利，产出的残渣(主要成分是煤粉)返回到鄂能化公司。卾能化公司将该残渣与燃料煤混合后送高压粉煤锅炉燃烧。为应对设备检修、道路运输等风险，鄂能化公司建设了375 m3的地面缓冲池(水去油分离罐，渣去固废处理公司)。为彻底消除经营风险和环保风险，确保气化装置长周期安全运行，鄂能化公司联合相关科研院所、技术公司进行了一系列煤焦油渣无害化的研究试验和应用实践，取得了一定成效。

3.1 离心分离

3.1.1 两相离心分离系统

2014年，组织相关设备厂家到生产现场进行离心分离中型试验，委托赛鼎工程公司设计建设了一套两相离心分离系统(离心机型号LW 1000BD-SM)，设计处理量10～15 m3/h，投资399万元。该装置2017年11月1日投入运行，成功地将煤气-水二系列煤焦油渣进行离心分离。产出的液相送油-水罐，静置后分离出煤焦油送罐区；产出的固相送煤场，与燃料煤掺混后送锅炉燃烧。

3.1.2 三相离心分离系统

2019年又接收了黑龙江省龙化公司退役的三相离心机(福乐伟三相离心机，型号Z4E-3/441)，安装到煤气-水系列粗焦油分离器出口处(见图3)，12月25日投入运行，产出的固相——含油煤粉较干散，可堆放(见图4)。可与燃料煤混合后送锅炉。该离心分离器设计处理量10 m3/h。

图3 三相离心分离器系统流程

两相离心机运行工况与之相比，其固相出料较湿、较黏(见图5)，与燃料煤搅拌后输送时，易出现堵塞备煤系统溜槽、粘胶带的现象，对磨煤机的运行也有不良影响。三相离心机与两相离心机进出料成分比较列于表2。

图4 三相离心机出料固相

图5 两相离心机出料固相

表2 离心机进出料成分对分(平均值)%

3.1.3 离心分离经济效益

2台离心分离器一起投运后，每天产焦油约9 t，送罐区销售增加了经济效益。

3.2 三废锅炉

选择固定床气化的大型煤化工企业，副产废物有煤焦油渣、生化污泥、污甲醇、高COD浓盐水、酸性尾气、LNG尾气等。鄂能化公司考虑建设三废锅炉，一起处理厂区产生的各种废物，生产高压蒸汽。

2016年，鄂能化公司委托西安交通大学研究煤焦油渣燃烧特性，了解煤焦油渣的运动粘度和热值，煤焦油渣入炉完全燃烧所需温度、氧量及燃烧后烟气成分、灰渣成分等。其燃烧试验分为850～900 ℃、900～1 000 ℃及1 000 ℃以上三个阶段。实验完成后出具了正式报告。

试烧在河北省某公司锅炉装置(75 t/h、3.82 MPa)进行。试烧结论：

(1)煤焦油渣按115 kg/min均匀加入炉膛，试烧过程炉膛沸腾正常，加入油渣后炉膛燃烧更剧烈，沸腾燃烧无任何障碍。

(2)燃烧过程中，炉膛温度900 ℃，氧过剩量为5%～7%，在该条件下煤焦油渣完全燃烧，完全转化为CO2和水。

(3)整个试烧过程烟囱排烟指标无任何变化。

3.3 热解分离

煤焦油渣经过二、三相离心机处理之后产生的含油煤粉中焦油含量40%左右，具有较高利用价值。鄂能化公司联合河北省、宁夏自治区两家技术公司及赛鼎工程公司研究煤焦油渣的热解工艺技术方案，进行了热解分离的中型试验，制定了含油煤粉处理工艺技术路线。

3.3.1 中型试验

利用宁夏自治区某技术公司2 t/h物料处理量热相分离设备对含油煤粉进行液固分离试验。首先采用间接加热方式将加热腔里的含油煤粉加热到600 ℃，在无氧环境下加热45 min，从而使含油煤粉中的可挥发物质大部分汽化挥发出来。然后油-水混合气经冷却单元冷却后送入油/水分离装置中进行油/水分离，油送入油产品储罐。分离后的煤粉残渣、水进行回收处理。原料含油煤粉目测呈现为颗粒状，分析结果为含油率35.4%，含水率11.8%，含固率52.8%。

本次试验共计处理500 kg含油煤粉。物料经热相分离设备处理后出料残渣呈现干粉状，化验分析结果见表3。