节能环保型煤气水封的开发与应用

刘  亮 祝仰勇 张顺贤 李瑞萍

（山东钢铁股份有限公司济南分公司  济南250101）

      我厂煤气冷凝液槽均采用传统的冷凝液水封槽。从煤气管道中排出的冷凝液进入水封槽，然后由冷凝液出口管满流到冷凝液接收槽，冷凝液通过污水车集中运送到污水处理系统。在日常使用过程中，煤气水封系统易堵塞，煤气管道、设施积液或冷凝液从接收漏斗外溢的情况偶有发生。此外，由于水封槽冷凝液出口管末端直接对外界敞开，焦油、萘等挥发性强的物质会造成空气污染，现场异味较大。为解决以上问题，2012年对我厂6、7号焦炉负压区域的5个水封进行了技术改造，采用了新型冲洗U型管式环保水封，取得了良好的节能和环保效果。

1   传统煤气水封槽使用情况及存在问题

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       焦炉煤气冷凝液水封槽是焦化厂最为常见的设备之一。水封槽主要由冷凝液入口管、冷凝液排出管、蒸汽管、检查孔和放空管等组成。从焦炉炭化室出来的荒煤气，除焦炉煤气外还含有大量的水蒸汽、焦油气、粗苯、萘、煤灰等物质。在管道输送过程中随着温度降低会冷凝析出煤焦油、萘、水、煤灰等混合的冷凝液。冷凝液通过煤气输送管道上设置的水封槽排出。因冷凝液易结晶、黏度大，所以极易堵塞水封槽。为确保水封槽的使用安全，一般采用蒸汽保温和吹扫，但这种方式在日常运行中存在以下问题。
    （1）冬季用蒸汽保温和清扫，除消耗蒸汽外，还会增加系统的污水量。此外蒸汽管网中可能存在部分蒸汽阀门关不严，遇蒸汽压力低于煤气压力时，煤气会窜入蒸汽管道，检修蒸汽管道时易发生危险。
    （2）冷凝液从放散管中挥发出氨汽、硫化氢、萘等污染性气体，现场异味较大。
    （3）煤气冷凝液水封运行一段时间后，水封槽底部有焦油、煤灰、萘等沉积物，需定时将水封槽放空清理，设备维护量较大。
    （4）为防止煤气冷凝液溢出，专门配置了污水收集车，定期将各冷凝液槽中的冷凝液收集后送至污水处理系统，运行成本较高。

2   新型节能冲洗型煤气水封的开发
2.1  技术方案提出
      炼焦过程中，从焦炉炭化室经上升管逸出的荒煤气温度为650～750℃，首先在桥管和集气管循环氨水喷洒降温。氨水吸收荒煤气显热后部分蒸发进入煤气中，使煤气温度急剧降至80～85℃。之后荒煤气再进入初冷器冷却至21℃。蒸发的循环氨水、煤气在初冷器冷却过程中与煤气中的水蒸汽、氨、焦油、萘等被冷凝冷却下来，形成冷凝液。冷凝液在焦油氨水分离器或机械化澄清槽中静置分离，得到温度为75～78℃的氨水。大部分氨水重新输送至焦炉，循环喷洒冷却焦炉煤气。为保证氨水蒸发的推动力，降低煤气管道腐蚀和焦油渣的沉积，焦炉桥管和集气管循环氨水温度应高于集气管煤气露点5～10℃。当入炉煤水分在8％～11％时，相应的煤气露点温度为65～70℃，循环氨水温度70～75℃即可满足喷洒冷却煤气要求。从焦油氨水分离器或机械化澄清槽分离出的循环氨水温度为75～78℃，利用其3～4℃的温差后仍可用于焦炉循环冷却荒煤气。对于120万t/ a的焦化厂，循环氨水量一般在1000～1200m3/h，利用3℃温差，可获得13.86MJ/h的热量。
      目前，国内绝大多数焦化企业尚未利用该部分余热。另一方面，传统的煤气冷凝液槽保温和清扫又要消耗大量的蒸汽。因此设想借鉴水浴加热和U型压力计的原理，对传统的煤气冷凝液槽进行优化改造或重新设计制造新型煤气冷凝液槽。利用循环氨水余热对煤气冷凝液槽进行保温，既实现循环氨水余热的利用，又减少了蒸汽消耗和环境污染，达到节能减排的目的。
2.2  改造方案制定与实施
      我厂9座焦炉和3套煤气净化回收系统共设置了83个冷凝液水封槽，水封分布相对比较集中，且大部分煤气水封槽距离焦油氨水分离器或机械化刮渣槽比较近，具备利用热循环氨水动态流动传质传热代替蒸汽保温的良好条件。同时，我厂煤气管道标高相对统一，位差不大，采用U型水封不会出现因煤气管道存在高度差而控制不好满流量导致氨水进入煤气管道的现象。考虑到以上有利因素及6、7号焦炉负压区域有配套输送热循环氨水管道和地下池等装置，将该区域原有的5个普通水封槽改为冲洗U型管式水封（图1），改造方案如下。

图1     U型管式水封

    （1）综合考虑流速、流量、传递热量等因素，在循环氨水管道上配接供水封保温用的DN150mm循环氨水主管道，沿管廊支架铺设至各U型煤气水封槽处。
    （2）电捕焦油器等5处U型水封由主管道留出短节增加阀门，以供水封加热使用。
    （3）根据水封设计规范、煤气管道标高及系统煤气压力等情况，确定U型弯式水封有效高度。
    （4）铺设DN200mm回水管道至冷凝地下池。
    （5）管道施工完毕后仍然保留或恢复原蒸汽清扫管道，防止气温过低时短节处发生冻堵无法处理。
    （6）供水管内部通入热循环氨水，保温的同时起到冲洗管道的作用，防止焦油冷凝堆积。加热保温及冲洗后的循环氨水与煤气冷凝液一起经水封满流至地下池，用废水泵将地下池液体送入机械化刮渣槽。
    （7）冷凝液管、循环氨水管道采用50mm厚的复合硅酸盐板保温，外敷设0.5 mm镀锌铁皮。
      使用时，先打开循环氨水供水管道阀门，然后依次打开各U型管式水封的进液管阀门，在热循环氨水的保温和冲洗下，煤气管道冷凝液随循环氨水一起进入原冷凝液地下池，定期由地下池废水泵将冷凝液输送至机械化刮渣槽。由于该水封为密闭系统，需要通过测定或触摸排液管管壁温度和水封与煤气管道之间管道温度来确保使用安全。通过调整循环氨水供水管阀门开度调整热循环氨水用量，确保水封系统的温度在所需范围内。

3    U型煤气水封应用效果
     （1）经过两年多的使用，5个U型管式水封每年节约蒸汽约540吨，按140元/t计算，全年节约蒸汽消耗约7.56万元；每年废水产生量减少540吨左右，按18元/t计算，每年减少废水处理费0.97万元。
    （2） U型管式水封结构简单，操作维护方便，可减缓水封腐蚀，减少废水处理量。
    （3）使用循环氨水保温冲洗U型水封后，未发生水封、供水及回水管道冻堵现象，同时解决了煤气冷凝液气体外逸情况，降低了环境污染，现场动火作业更加安全。
    （4）该技术已经获得国家颁发的专利证书（专利号：ZL201320283883.2）。

4   结语
       冲洗U型管式水封可适用于煤气管道标高相差不大、循环氨水供给和排出距离不是太远的区域，利用热循环氨水代替蒸汽给煤气冷凝液水封保温，达到循环氨水余热回收利用的目的，降低系统蒸汽消耗，减少了系统废水的产生。