祝逢栋

(中海油大同煤制气项目组，山西 大同 037100)

引 言

气化是现代煤化工的源头技术，碎煤加压气化是在我国经过多年发展、具有近300台炉应用的经典气化技术，在煤制油、煤制甲醇、煤制合成氨及煤制天然气等煤化工项目广泛应用，在煤制天然气项目具有甲烷含量高及附加产品价值高等独特优势[1]。碎煤气化属于固定床低温气化技术，气化操作温度为900 ℃～1200 ℃，由此造成蒸汽分解率低，煤中有机物分解不彻底。蒸汽夹杂未分解的有机物冷凝后得到大量煤气水，且其中有机物杂质多，增大了煤气水的处理难度[2]。煤气水分离单元的主要任务，就是把来自气化工段、煤气变换冷却单元的煤气水通过减压膨胀及降温等措施把其中的焦油、中油及煤尘等分别分离出来，处理后的部分煤气水返回到气化单元作为洗涤煤气用水。因此，煤气水分离单元工艺设计的合理性及实用性，对于煤气水中焦油、中油等杂质的分离效果具有决定性的作用，对整个气化装置的平稳运行具有重要意义。

1 煤气水分离流程

1.1 煤气水主要来源

煤气水主要来自碎煤加压气化及下游单元。碎煤加压气化炉内底部输入的气化剂(蒸汽+氧气)自下而上与燃料煤在气化炉里逆流接触，在操作压力2.95 MPa～3.05 MPa下经一系列化学反应生成CH4、CO2、H2、CO及H2S等成分复杂的合成粗煤气，同时将热量传递给逐渐下降的煤层，以500 ℃～600 ℃离开气化炉。离开气化炉的粗煤气经洗涤冷却器喷淋冷却，降至204 ℃左右，再经废热锅炉冷却，气液混合物被冷却至180 ℃左右，粗煤气经气液分离后，送出气化界区进入到变换冷却装置。粗煤气携带的大部分未分解的有机物被冷凝洗涤下来，洗涤冷凝混合液作为大部分煤气水送往煤气水分离装置。另一部分煤气水来自变换冷却单元粗煤气的冷却和洗涤所产生的冷凝洗涤液。粗煤气经来自煤气水分离装置高压煤气水洗涤，分离出的煤气水与经过冷却装置的粗煤气洗涤降温产生的煤气水混合返回到煤气水分离装置的油分离器。另外，进入低温甲醇洗的粗煤气经冷却及石脑油处理的煤气水也输入到煤气水分离装置[3]。

1.2 煤气水分离流程

煤气水分离装置将收集到的高温、高压煤气水在膨胀器中通过减温、减压，将溶解在煤气水中的气体分离出来，再通过沉降、上浮、过滤等方法分别将废水中的焦油、油类、悬浮固体等物质从煤气水中分离出来。煤气水分离装置的主要流程为含尘和含油煤气水分别经过焦油分离器和油分离器分离后进入到最终油分离器进一步分离，分离后的煤气水进入到双介质过滤器，最后进入到产品煤气水罐中送往后系统酚氨回收装置。

煤气水分离流程主要分为含油煤气水流向、含尘煤气水流向及分离后两者混合后煤气水走向，主要分为三股物流[4]，如第121页图1所示。第一股物流，从粗煤气变换冷却单元来的含油煤气水经换热降温后进入到含油煤气水膨胀槽中，煤气水中所溶解的气体被释放出来，减压至接近大气压。减压膨胀后的煤气水进入油分离器，由于密度差和不溶性，煤气水中的油浮到上层，通过溢流堰溢流到油槽，再由油泵送到罐区。经油分离器分离后的煤气水与含尘煤气水部分混合进入最终油分离器进一步分离处理。

第二股物流，自碎煤加压气化的高温含尘煤气水换热降温后进入含尘煤气水膨胀器中膨胀减压至接近常压，然后进入初焦油分离器。释放出来的蒸汽和溶解气混合物与来自含油煤气水膨胀槽的膨胀气一起送到膨胀气冷却器冷却，后送往硫回收装置进一步处理。含尘煤气水送往初焦油分离器，在此将含尘焦油和纯焦油沉降于分离器下部的锥形体部分，分离出的纯焦油送往纯焦油槽，再由焦油泵输送到罐区。下部含尘重质焦油经过均化器返气化炉烧掉或者装车外销。为了避免乳化，需根据重轻油比例设定最终油分离器的操作温度[5]，故煤气水分离操作温度因地而异，因煤而异。

第三股物流，来自初焦油分离器的煤气水与来自油分离器的煤气水混合由重力引流一部分进入最终油分离器，另一部分出第一缓冲槽的含尘煤气水由泵将煤气水送入煤气水冷却器，冷却到设定温度再进入最终油分离器。此后，煤气水再由重力引流入第二缓冲槽，其中一部分煤气水用煤气水泵送入气化单元作为低压煤气水；另一部分用煤气水输送泵送入双介质过滤器，过滤后的煤气水用产品煤气水泵送往酚回收装置。

图1 碎煤加压气化煤气水分离流程

2 煤气水分离工艺存在的问题及改造措施

2.1 煤气水分离工艺存在的问题

含尘煤气水经初焦油分离器分离后，部分进入第一缓冲罐经高压喷射泵送到气化炉出口和变换冷却装置作为洗涤煤气用水，剩余煤气水进入到油分离器脱油。实际生产中一段时间后经常出现高压喷射煤气水泵出水量明显降低的现象，检查发现泵已堵塞，由此造成泵进口处滤网频繁更换，其原因主要是含尘焦油分离不彻底，泵料过脏造成。另一方面，焦油分离器的分离效果不好，未分离的焦油也会夹带到油分离器和双介质过滤器中，从而进入到酚氨回收装置中，影响到酚氨回收装置的稳定运行。清理酚氨回收装置进口煤气水罐时发现大量的焦油沉降在底部，也例证了焦油分离器未分离的焦油会携带到后续系统中。这样，煤气水残留的焦油导致原料酚水中含油偏高，对后续酚氨回收装置最明显的影响是换热器、塔盘及泵吸入口经常堵塞，情况严重时还会导致萃取效果偏差，影响到副产粗酚与稀氨水的质量。

2.2 改造措施分析

含尘煤气水经初焦油分离器通过重力沉降实现含尘焦油和煤气水的分离，流速一定的情况下，流体静置时间越长分离效果越明显。想得到满意的分离效果就需延长煤气水停留时间，使焦油和煤尘混合物实现完全沉降分离，这是提高煤气水分离效果的有效方法。目前国内现有煤气水分离工艺流程中通常设一级初级焦油分离器难以达到预期的效果，可采用增设一级焦油分离器或增大初焦油分离器容积的方法延长煤气水静置时间，提高分离效果，以保证后续系统的平稳运行。

国内碎煤加压气化配套煤气水分离装置的初焦油分离器原理相同，结构相似，但设计容积大小各异。目前国内的初焦油分离器主要有两种设计尺寸。第一种初焦油分离器，φ8 000 mm×6 810 mm，总容积402 m3，以搅拌器为界将初焦油分离器有效容积分为上、下两部分，其有效容积为297.1 m3，煤气水在初焦油分离器的设计流量为50 m3/h，则煤气水在初焦油分离器的静置停留时间5.9 h；第二种初焦油分离器，φ12 000 mm×8 500 mm，总容积1 170 m3，有效容积855.4 m3，煤气水在初焦油分离器的设计流量为125 m3/h，则煤气水在初焦油分离器的静置停留时间6.8 h。

从以上两种初焦油分离器的设计尺寸分析，在煤气水水质、水量相同的情况下，煤气水在第二种初焦油分离器的停留时间比第一种初焦油分离器要长近1 h，从静置停留时间上分析，第二种初焦油分离器的沉降分离效果明显优于第一种。为了强化第一种焦油分离器沉降分离效果，可在其后增设一级焦油分离器，煤气水的沉降停留时间则变为11.8 h，比扩充容积的第二种初焦油分离器停留时间增长了近5 h，沉降分离效果更为显著。从设备购置费上分析，增加一级初焦油分离器低于第二种扩充容积初焦油分离器，投资成本更低。据了解，目前国外碎煤气化煤气水分离装置的初焦油分离器均已采用两级串联设计，而且初焦油分离器设计容积也较以前有了明显扩大。

从投资成本及分离效果上分析，增设一级初焦油分离器的设计流程更具优势，更适用于煤气水分离装置。通过增设一级焦油分离器，进一步提高了含尘煤气水的杂质的分离效果，既减少了对高压煤气水泵的堵塞损坏，又降低了双介质过滤器的运行负荷和使用频率，明显延长了双介质过滤器的更换周期。同时，双介质过滤器使用效率的提高及过滤效果的改善，使带入后续酚氨回收装置的焦油大幅减少，降低酚氨回收脱酚塔等塔板的堵塞，有益于整个系统的稳定运行。

2.3 应用实例

国内某碎煤加压气化装置，根据多年的运行经验对煤气水分离装置进行了技术改造，增加了一级初焦油分离器，经过两级串联后的焦油分离器，取得了预期的分离效果。含尘煤气水中的含尘焦油连续通过一级焦油分离器及二级焦油分离器，在第二级焦油分离器中含尘焦油、焦油及中油等得到彻底分离；煤气水经二级分离后进入高压煤气水喷射泵，基本消除了因含尘焦油堵塞而导致的泵出水不足问题，优化了整个碎煤加压气化水系统的运行环境，初焦油分离器的分离效果得到较大改善。

有技术人员认为，将碎煤加压气化煤气水分离装置中高压煤气水泵移到煤气水分离出口煤气水储罐处，既可改善高压煤气水泵的输水环境，也可保证该煤气水泵的安稳运行。但这样进一步扩大了煤气水循环系统，由于高压循环煤气水后置，从焦油分离器以后的设备的处理能力都需要扩大才能满足后续生产的需要，以实现将煤尘和焦油等混合物的完全分离，保证煤气水分离及后续酚氨回收装置的稳定运行。

这两种改进措施均可改善煤气水运行环境，提高煤气水分离装置的分离效果。最终采用何种方法，需由生产单位根据煤气水分离现场运行情况，结合行业运行经验，从技术经济上综合考虑确定。

3 结论

1) 煤气水分离是碎煤加压气化水处理系统的重要组成部分，主要包括含油煤气水流向、含尘煤气水流向及初步分离后的煤气水走向三部分。经过多年的积累完善，国内煤气水分离的工艺已趋于成熟。初焦油分离器的分离效果是煤气水分离乃至整个碎煤加压气化水处理系统长周期稳定运行的关键，初焦油分离器优化设计是煤气水分离技术改造的重点。

2) 来自气化及下游单元的煤气水汇合流过初焦油分离器，通过重力沉降静置分层实现含尘焦油和纯焦油的分离。初焦油分离器有效容积设计较小，焦油沉降时间不足是焦油分离不彻底、煤气水循环系统不稳定的主要原因。实例证明，根据煤种产生煤气水成分的不同，通过扩大初焦油分离器有效容积或增设第二级初焦油分离器的方法，延长煤气水停留时间，是提高分离效果、改善煤气水循环系统的有效途径。

3) 将高压煤气水泵后移至煤气水储罐处，也可作为改善高压煤气水泵运行环境的有力措施，但这样会进一步扩大煤气水循环系统，增大了煤气水分离系统的处理能力，相应设备需提高选型。根据现场实际情况，借鉴行业运行经验，综合考虑从优选择改进措施，是改善煤气水分离效果的必由之路，对整个煤气水处理系统的稳定运行具有重要意义。