CN102139860B - 一种净化焦炉煤气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业废气的综合利用技术，具体地说是一种将炼焦过程中产生的焦炉煤气净化为合成氨、合成甲醇用原料气的净化焦炉煤气的装置和方法，其特征是：该装置由COG升压单元、COG预处理单元、荼回收单元、压缩单元、PSA变压吸附单元、水解单元六个生产单元构成，净化煤气时先后通过升压、预处理、荼回收、压缩、变压吸附、水解六净化步骤，将作为废气进行排放的大量焦炉煤气净化为合成氨和合成甲醇的优质原料气，从而，大大节约煤炭资源，降低燃烧废气排放量，使资源综合利用效益显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及工业废气的综合利用技术，具体地说是一种将炼焦过程中产生的焦炉煤气净化为合成氨、合成甲醇用原料气的净化焦炉煤气的装置和方法。
背景技术
在我国的矿产资源结构中，煤炭储量丰富而油气资源不足，导致我国能源消费结构中煤炭资源的消费占到能源消费总量的40%以上。而在煤炭利用加工过程中，我国大批焦化企业在炼焦过程中会产生的大量焦炉气（COG），所产生的这些焦炉气，除极小一部分用作燃料外，绝大部分被直接“放空”，不仅造成严重的环境污染，而且也造成了能源的浪费。将焦炉气用做燃料，由于其热值低，推广意义不大。为使焦炉煤气得到有效利用，有人曾提出将其用作合成氨、合成甲醇的原料气使用，但由于焦炉煤气成分复杂，难以直接应用于合成氨和甲醇生产，而又缺乏净化方法和配套的装置，一直未能获得成功。因此，研究开发将焦炉煤气净化为合成氨、合成甲醇用原料气的方法和装置显得极为必要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种将炼焦过程中产生的焦炉煤气净化为合成氨、合成甲醇用原料气的净化焦炉煤气的装置和方法。
本发明焦炉煤气净化装置所采用的技术方案如下：设计一种净化焦炉煤气的装置和方法，其特征是：该装置由COG升压单元、COG预处理单元、荼回收单元、压缩单元、PSA变压吸附单元、水解单元构成；
各单元的结构如下：
1）COG升压单元：本单元包括罗茨风机、COG冷却塔、循环液冷却器、冷水塔、冷却液循环泵、冷却水循环泵、废液排放泵，罗茨风机的进口总管与煤气总管相接，出口总管与COG冷却塔底部连通，COG冷却塔内设有鲍尔环填料层，循环液冷却器设置在COG冷却塔外，循环液冷却器的进液口、出液口分别设置在循环液冷却器内管的顶部和下部，循环液冷却器的进液口、出液口通过管道分别与冷却液循环泵出液口和COG冷却塔上部连通，冷却液循环泵的进液口通过管道与COG冷却塔底部连通，冷水塔的底、上部分别设置有进、出水口，冷
水塔的出水口通过冷却水循环泵与循环冷却器外管下部相通，进水口通过管道与循环冷却器外管上部相通，废液排放泵一端通过管道与COG冷却塔底部相通，另一端与与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
该COG升压单元的罗茨风机为4台，4台罗茨风机为3开一备，各罗茨风机出口均设有消音器，罗茨风机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管；
2）COG预处理单元：本单元包括预处理塔、再生气冷却器和分液器，预处理塔底部与COG升压单元的COG冷却塔顶部通过管道连通，预处理塔内设有活性炭填料层，顶部设有煤气出口和蒸汽、再生吹冷气进口，蒸汽进口连接着预处理蒸汽进管，预处理塔底部设有蒸汽和再生吹冷气出口，再生气冷却器通过管道与预处理塔底部再生吹冷气出口相通，再生气冷却器连通着分液器，分液器的顶、底部分别设有排气管和排水管，排水管与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
该COG预处理单元的预处理塔为4台，4台预处理塔按时序交替运行，其运行制度为：三台处于在线吸附工作，一台处于再生工作；
3）荼回收单元：本单元包括冷凝器、循环冷却罐、循环泵、过滤机、污水泵，冷凝器顶部通过管道与COG预处理单元的预处理塔底部蒸气出口相通，循环冷却罐顶部与冷凝器底部相通，循环泵的进液管和出液管分别与循环冷却罐的底、中部相通，循环泵的出液管上设有可切换至过滤机的切口，并通过该切口与过滤机连通，污水泵一端与过滤机相通，另一端连接污水总管；
4）压缩单元：本单元包括压缩机，压缩机两端分别与COG预处理单元的预处理塔顶部煤气出口和PSA变压吸附单元的除油塔底部进气口通过管道连通，连接压缩机和预处理塔的管道上设有通往甲醇合成工段的分管；
该压缩单元有压缩机3台，其操作制度为2开1备，压缩机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管；
5）PSA变压吸附单元：本单元包括除油塔、顺放气缓冲罐、富氢气缓冲罐、真空泵、逆放气缓冲罐和至少5台吸附塔，除油塔的进气口通过管道与压缩单元的压缩机出口总管相通，各吸附塔之间通过管道相通，各吸附塔顶部均设有富氢气出口，底部均设有煤气进口，内部均设有吸附床层，吸附床层上有活性炭吸附剂，各吸附塔底部煤气进口与除油塔出气口通过管道连通，富氢气缓冲罐设置在吸附塔富氢气输出总管上，顺放气缓冲罐输气管与各吸附塔富氢气输出管连通，逆放气缓冲罐通过输气管与各吸附塔煤气输入管相通，真空泵的两端均与逆放气缓冲罐输气管相通，逆放气缓冲罐、顺放气缓冲罐顶部均通过再生吹冷气管与COG预处理单元的预处理塔顶部再生吹冷气进口相通，各连接管道均设置有控制阀门；
该PSA变压吸附单元的吸附塔为8台，其中两台吸附塔处于在线吸附状态，所述顺放气缓冲罐为2台；
6）水解单元：本单元包括水解预热器、水解加热器、水解塔、水解冷却器、水解气液分离器、冷凝水中间罐、精脱硫塔，水解预热器设有内管和外管，内管底部和顶部分别设有气体进口和气体出口，外管的底部和顶部分别设有气体出口和气体进口，水解加热器的底部设有气体进口和冷凝水出口，顶部设有气体出口和蒸汽进口，蒸汽进口连接着水解蒸汽进管，水解预热器内管底部的进气口通过管道与PSA变压吸附单元的吸附塔顶部富氢气出口相通，水解预热器内管顶部的出气口与水解加热器底部气体进口相通，水解加热器顶部气体出口通过管道与水解塔底部相通，水解塔内设置有水解剂床层，水解塔顶部气体出口通过管道与水解预热器外管顶部进气口相通，水解冷却器的顶端通过管道与水解预热器外管底部气体出口相通，底端通过管道与水解气液分离器的进气口连接，水解气液分离器下部设有排水孔，顶部设有出气口，水解气液分离器的出气口通过管道与精脱硫塔底部相通，精脱硫塔内设有精脱硫剂床层，顶部设有净化气出口，冷凝水中间罐通过管道与水解加热器底部冷凝水出口相通，各连接管道均设置有控制阀门。
净化焦炉煤气的方法，步骤如下：
1）COG升压步骤 原料焦炉煤气通过煤气总管进入罗茨风机进口，将煤气压力从4.0KPa(G)提升至55.0～58.0 KPa(G),然后将煤气通过管道从COG冷却塔底部送入COG冷却塔内，同时通过冷却液循环泵使外置式循环液冷却器内管中的冷却液从冷却塔上部进入塔内，自上而下穿过塔内的填料层，与自下而上穿过填料层的煤气进行热交换撤热，使煤气温度从45—55℃降至40—15℃，在冷却液循环过程中，通过冷却水循环泵使冷水塔中的冷水在循环液冷却器外管中保持循环，热交换完成后COG冷却塔内积存的废液通过废液排放泵抽出进入污水总管，经降温、洗涤的升压煤气从COG冷却塔顶部引出进入下一净化步骤；
该COG升压步骤中还包括将升压后的煤气通过设置在罗茨风机出口的消音器进行降噪的步骤；为确保罗茨风机进口压力，该步骤还包括通过连接罗茨风机的出口总管和进口总管的回流管使部分煤气进行回流的步骤，以对罗茨风机的进口总管压力进行补压和隐压；
2）COG预处理步骤 从COG升压单元的COG冷却塔顶部引出的煤气通过连接COG冷却塔和COG预处理单元的预处理塔底部的管道进入预处理塔，煤气自下而上穿过塔内的活性炭填料层，使煤气中的苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机物质和部分H2S、COS、CS2、噻吩、硫醚等硫化物被填料层吸附下来，净化后的煤气从预处理塔的顶部移出，并经流量分配调节，一部分输送到COG压缩单元，另一部分输送到甲醇厂作为生产甲醇的原料气，预处理器吸附饱和后通入蒸汽和再生吹冷气转入再生过程；
本步骤中预处理器再生过程步骤如下：首先，从预处理器顶部加入压力为0.1-0.14 MPa蒸气对预处理塔进行加热，使塔内的吸附剂温度提升到95—105℃，将吸附在吸附剂表面的苯、萘及其它重烃类有机杂质解析出来，并随低压蒸汽从预处理塔底部排出，输送到荼回收单元，加入蒸汽40—80小时后，停止蒸汽输入，然后将来自PSA变压吸附单元的再生吹冷气从塔顶部加入，对吸附剂进行降温和吹干，含水汽的再生吹冷气从塔底部排出，并经再生气冷却器冷却降温，通过COG分液器进行气—液分离，除水后的再生吹冷气通过排气管排放，分离出的冷凝水进入污水总管排出；
本COG预处理步骤的各个工序均采用微机程控实现；
3）奈回收步骤 在预处理步骤预处理器再生过程中产生的含有大量苯、奈、焦油及其它重烃类有机杂质的水气通过管道从奈回收单元的冷凝器的顶部进入冷凝器，并在冷凝器中进行全凝，冷凝后的冷却液自上而下流入循环冷却罐继续降温，使其中的萘凝结为固体，同时通过循环泵对循环冷却罐中的浆液进行强制循环，浆液从罐底部抽出，经循环泵加压后从罐的中部返回罐内，当罐内的溶液液位到达循环进液管管口时，将循环泵的出口切换到过滤机，罐内溶液经过滤机进行液---固分离，溶液部分由污水泵抽出进入污水总管，固体荼被分离收集；
4）压缩步骤 来自COG预处理单元经初步净化的煤气通过管道进入压缩单元的压缩机，将净化煤气的压力由0.045MPa(G)加压到0.7500—0.850MPa(G)，然后，送往PSA变压吸附单元；
为确保压缩机的进口压力，本压缩步骤还包括通过连接压缩机的出口总管和进口总管的回流管使部分煤气进行回流的步骤，以对压缩机的进口总管压力进行补压和隐压；
5）PSA变压吸附步骤 升压后的焦炉煤气经除油塔除油后自PSA变压吸附单元的吸附塔底部进入各吸附塔内，自下而上穿过吸附塔内设置的活性炭吸附床层，在吸附剂选择性吸附下，一次性除去煤气中的CH4气，获得CH4含量小于0.80%的富氢气，富氢气从塔顶部排出后进入水解单元，当被吸附气的传质区前沿到达吸附塔顶部的富氢气出口时，停止吸附操作，将该吸附塔转入吸附剂再生过程；
本步骤中吸附剂的再生过程步骤如下：
（1）均压降压 在吸附塔吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的富氢气放入其它已完成再生的较低压力的吸附塔内，本步骤共包括四次对不同吸附塔的连续释放气体过程，将吸附塔内的压力由0.750—0.850 MPa(G)降至0.300--0.200 MPa(G)；
（2）顺放 在均压回收富氢气过程结束后，继续顺着吸附方向进行减压，将吸附塔内的压力由0.200--0.300 MPa(G)降至0.180—0.100 MPa(G)，顺放出来的富氢气放入顺放气缓冲罐中混合并储存起来，用作吸附塔冲洗和预处理系统再生吹冷气的气源；
（3）逆放 在顺放结束后，逆着吸附方向将吸附塔压力降至0.010—0.001 MPa(G)，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解析出来，逆放解析气送至逆放气缓冲罐，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（4）冲洗 用顺放气缓冲罐中储存的富氢气逆着吸附方向冲洗吸附床层，冲洗后的冲洗再生气通过逆放气缓冲罐送至预处理系统作为再生吹冷气源；
（5）抽真空 冲洗结束后，利用真空泵逆着吸附塔进行抽气，将吸附塔压力抽至-0.040MPa(G)，真空泵抽出的气体送入逆放气缓冲罐中，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（6）均压升压 在抽真空步骤完成后，依次用其它吸附塔的较高压力富氢气对该吸附塔进行升压，本步骤共包括连续四次均压升压进气过程，将吸附塔内的压力升至0.50—0.550MPa(G)；
（7）净化气终升 在均压升压步骤完成后，用富氢气缓冲罐中储存的富氢气通过吸附塔上的压力调节阀缓慢而平稳地将吸附塔压力升至吸附工作压力0.750--0.850MPa(G)，从而完成吸附剂再生过程，为下一次吸附做好了准备；
PSA变压吸附步骤的各个工序均采用微机程控实现；
6）水解步骤 来自PSA变压吸附单元的富氢气通过连接管道首先进入水解预热器内管中进行预热，再进入水解加热器通过蒸汽继续加热升温至150—270℃，加热过程中产生的液体进入冷凝水中间罐，加热后的富氢气从水解加热器的顶部引出进入水解塔的底部，自下而上穿过水解剂床层，使气体中的有机硫在水解剂床层中进行水解反应并生成硫化氢，水解后的气体从水解塔的顶部移出通过水解预热器进行热量回收和水解冷却器进行降温，使气体温度降至40—10℃，降温后的气体进入水解气液分离器进行气-液分离，分解出的液体自水解气液分离器下部的排水孔排出，分解出的气体从精脱硫塔的底部引入，自下而上穿过精脱硫塔内设置的脱硫剂床层，将气体中的硫化氢吸附脱除，使气体中的总硫含量达到0.1mg/Nm3以下，经精脱硫的净化气即可作为合成氨原料气用于合成氨生产。
本发明的工艺技术原理如下：
1）TSA焦炉煤气工艺技术原理 TSA工艺技术即“变温吸附”工艺技术。本发明对原料焦炉煤气采用“变温吸附”工艺技术进行预处理，将焦炉煤气中的苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机物质进行有效脱除，同时部分脱除H2S、COS、CS2、噻吩、硫醚等硫化物，使煤气得以初步净化。焦炉煤气的预处理过程在COG预处理塔内进行。
（一）H2S、COS、CS2的脱除原理
常温时，气态H2S与空气中的O2能发生下列氧化反应：
2H2S+O2=2H2O+2S+Q
这是一个放热反应，一般条件下，其反应速度很慢，催化剂可加速其反应，对该反应而言，活性炭吸附剂是良好的催化剂，兼有催化作用和吸附作用。
活性炭的脱硫反应，主要在其空隙的内表面上进行。由于表面自由能的存在，对工业气体中的分子具有较强的吸附能力。在活性炭的骨架空间中，除了存在多分子层吸附外，还存在毛细管的凝结作用。因此，在室温下进行脱硫时，活性炭的空隙表面上凝结着一薄层水膜。利用硫化氢在水中的溶解作用，使活性炭吸附硫化氢处于比较有利的条件，从而加速脱硫反应。这时，硫化氢的氧化反应将在液膜中进行。所以，当气体中存在足够的水蒸汽时，便能促使硫化氢更快的被吸收和氧化转化。在煤气中存在少量的氨，会使活性炭空隙表面的液膜呈弱碱性，更有利于吸附呈酸性的硫化氢分子，从而能显著提高活性炭吸附能力和H2S转化速度。
活性炭脱除气体中的H2S时，还发生下列反应：
4NH3+2H2S+3O2=2（NH4）2SO3
2NH3+H2S+2O2=（NH4）2SO4
气体中的氨含量越高，在脱硫过程中就越容易生成硫的含氧酸盐。
活性炭在脱除H2S的同时，也能脱除有机硫。活性炭脱除有机硫按其净化过程的特性，大致可分为吸附作用、催化作用和催化转化作用。吸附作用是借助于活性炭表面的自由力场，主要通过催化剂与有机硫化物之间的分子力而产生的一种物理吸附，从而选择吸附工业气体中的一些有机硫化物。焦炉煤气中有机硫脱除效率可达70%。催化作用是在氨的存在下，有机硫化物在活性炭表面上进行的氧化反应，生成硫、硫的含氧酸盐或有机二硫化物：
2COS+O2=2CO2+2S
COS+2O2+2NH3+H2O=CO2+（NH4）2SO4
CS2+2O2+2NH3+H2O=CO2+（NH4）2S2O3
4RSH(硫醇)+O2=2RSSR(硫醚)+2H2O
焦炉煤气中含有一定O2对硫化物的转化是有利的。当焦炉煤气中的O2/H2S≥2.5时，这一“脱硫－再生”过程将不断进行，直至活性炭空隙被单质硫堵塞而失效。
（二）吸附、再生原理
此外，活性炭对焦炉煤气中苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机化合物及噻吩、硫醚等硫化物是通过活性炭的吸附作用进行脱除的。
萘及不饱和烃也能在其表面发生聚合反应，生成大分子聚合物。
所以，活性炭在脱除硫的同时，对苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机化合物及噻吩、硫醚等硫化物也有极强的净化作用。
吸剂附使用一定时间后，由于H2S、HCN、苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机化合物及噻吩、硫醚等硫化物吸附在其表面和空隙内而失去吸附能力，从而使吸附剂失去活性。此时，需进行吸附剂的再生，以除去其表面和空隙内吸附的杂质，恢复其吸附能力。
吸附剂通过蒸汽直接加热方式进行再生。随着吸附剂加热升温的进行，吸附在吸附剂上的杂质被解析，随载热介质（蒸汽）被带出系统，使吸附剂的吸附活性得到恢复，利用蒸汽潜热对吸附剂进行加热，使被吸附的杂质解析。
2）变压吸附工艺技术原理 变压吸附（PSA）技术的作用是：除去煤气中绝大多数的CH4、CO2气体，以回收煤气中的氢气、一氧化碳和甲烷，用于合成氨和甲醇。其原理如下：
变压吸附过程属纯物理吸附过程。本发明采用活性炭吸附剂通过其对煤气中CH4、CO2气体优先吸附的特性而使煤气提纯得到富氢气，实现吸附剂在低温或高压下对CH4、CO2气体进行吸附，而在高温或低压下对这些组分进行解析分离，同时吸附剂又被再生，由此实现变压吸附过程的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。
3）水解工艺技术原理 水解技术的作用是：使富氢气中残留的有机硫进行水解转化生成H2S，以便于在精脱硫过程中吸附脱除。
原理：焦炉煤气经TSA预处理和PSA变压吸附分离，获得的富氢气中仍含有少量的有机硫，如COS、CS2等。由于有机硫影响后续的醇烷化及合成氨催化剂的正常使用，因此，必须对气体中的有机硫进行有效转化，生成H2S，以便在精脱硫过程对其彻底脱除。
有机硫的水解反应：
COS+H2O=H2S+CO2+35.5KJ/mol
CS2+2H2O=2H2S+CO2+35.66KJ/mol
上述反应为吸热反应，对反应过程需进行加热才能正常进行。反应温度150～200℃时，COS转化率≥95%；反应温度200～270℃时，CS2转化率≥95%。由于COS和 CS2二者的最佳转化温度不同步，因此，使用期间需根据有机硫形态和浓度变化对反应温度进行优化，以保证有机硫转化率≥95%。
在没有催化剂存在条件下，其反应速度很慢。本发明采用水解催化剂使其反应得到加速，使有机硫转化率达到≥95%。
同时，上述水解反应需在水的存在条件下才能正常进行，因此，在富氢气中必须含有3～5%的饱和水，本发明在水解过程通过向气体中连续补充水蒸汽，从而保证了水解反应的正常进行。
4）精脱硫工艺技术原理 精脱硫技术的作用：使经过水解的富氢气中微量的有机硫COS、CS2及水解转化生成的H2S进一步转化－吸附，以彻底脱除气体中的硫化物，保证气体中的总硫含量（以SO2计）在0.10mg/Nm3以下，确保后续醇烷化及合成氨生产的正常进行。
原理：经水解后获得的富氢气中仍含有微量的有机硫COS、CS2及水解转化生成的H2S。由于这些硫化物影响后续的醇烷化及合成氨催化剂的生产使用，因此，必须对气体中的微量硫化物进行有效转化－吸附，使微量硫化物得以彻底脱除。
精脱硫技术包括有机硫、H2S的转化和H2S的吸附。
1．有机硫的转化
2COS+O2=2CO2+2S
CS2+O2=CO2+2S
4RSH(硫醇)＋O2=2RSSR(硫醚)+2H2O
MO+SO3=MSO4（M表示某种金属催化剂）
2．H2S的转化反应
2H2S+O2=2H2O+2S+Q
本发明对炼焦过程产生的大量焦炉煤气进行回收再利用，将作为废气处理的焦炉煤气通过本净化方法和装置的净化处理后，成为用于合成氨和合成甲醇的优质原料气，从而，大大节约煤炭资源，降低燃烧废气排放量，显著提高综合经济效益，实现了节能环保、变废为宝、循环经济和可持续发展的目的。
附图说明
下面结合附图叙述实施例，对本发明做进一步说明：
图1是本发明净化装置实施例的结构示意图；
图2是本发明净化方法的工艺流程示意图。
图中：1-罗茨风机、2-COG冷却塔、3-循环液冷却器、4-冷水塔、5-冷却液循环泵、6-冷却水循环泵、7-废液排放泵、8-罗茨风机进口总管、9-罗茨风机出口总管、10-煤气回流管、11-预处理塔、12-再生气冷却器、13-分液器、14-分液器排气管、15-分液器排水管、16-冷凝器、17-循环冷却罐、18-循环泵、19-过滤机、20-污水泵、21-压缩机、22-煤气回流管、23-除油塔、24-吸附塔、25-顺放气缓冲罐、26-富氢气缓冲罐、27-真空泵、28-逆放气缓冲罐、29-水解预热器、30-水解加热器、31-水解塔、32-水解冷却器、33-水解气液分离器、34-冷凝水中间罐、35-精脱硫塔、36-预处理蒸汽进管、37-再生吹冷气管、38-通往甲醇合成工段分管、39-水解蒸汽进管。
具体实施方式
如图1所示，该焦炉煤气净化装置由COG升压单元、COG预处理单元、荼回收单元、压缩单元、PSA变压吸附单元、水解单元六个生产单元构成；
各生产单元的结构如下：
1）COG升压单元：本单元包括四台罗茨风机1、一台COG冷却塔2、一台循环液冷却器3、一个冷水塔4、一台冷却液循环泵5、一台冷却水循环泵6、一台废液排放泵7，罗茨风机的进口总管8与煤气总管相接，出口总管9与COG冷却塔2底部连通，各罗茨风机出口均设有消音器，罗茨风机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管10，COG冷却塔2内设有鲍尔环填料层，循环液冷却器3设置在COG冷却塔2外，循环液冷却器3的进液口、出液口分别设置在循环液冷却器内管的顶部和下部，循环液冷却器的进液口、出液口通过管道分别与冷却液循环泵5出液口和COG冷却塔2上部连通，冷却液循环泵5的进液口通过管道与COG冷却塔2底部连通，冷水塔4的底、上部分别设置有进、出水口，冷水塔4的出水口通过冷却水循环泵6与循环冷却器外管下部相通，进水口通过管道与循环冷却器外管上部相通，废液排放泵7一端通过管道与COG冷却塔2底部相通，另一端与与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
2）COG预处理单元：本单元包括四台预处理塔11、一台再生气冷却器12、一台分液器13，四台预处理塔按时序交替运行，其运行制度为：三台处于在线吸附工作，一台处于再生工作，各预处理塔底部与COG升压单元的COG冷却塔2顶部通过管道连通，各预处理塔内均设有活性炭填料层，顶部均设有煤气出口和蒸汽、再生吹冷气进口，蒸汽进口连接着预处理蒸汽进管36，各预处理塔底部均设有蒸汽和再生吹冷气出口，再生气冷却器12通过管道与各预处理塔底部再生吹冷气出口相通，再生气冷却器12连通着分液器13，分液器13的顶、底部分别设有排气管14和排水管15，排水管15与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
3）荼回收单元：本单元包括冷凝器16、循环冷却罐17、循环泵18、过滤机19、污水泵20各一台，冷凝器16顶部通过管道与COG预处理单元的各预处理塔底部蒸气出口相通，循环冷却罐17顶部与冷凝器16底部相通，循环泵18的进液管和出液管分别与循环冷却罐17的底、中部相通，循环泵18的出液管上还设有可切换至过滤机19的切口，并通过该切口与过滤机19连通，污水泵20一端与过滤机19相通，另一端连接污水总管，各连接管道上均设置有控制阀门；
4）压缩单元：本单元包括三台压缩机21，其操作制度为2开1备，压缩机进口总管与COG预处理单元的各预处理塔顶部煤气出口通过管道相通，出口总管与PSA变压吸附单元的除油塔底部进气口通过管道连通，压缩机和各预处理塔的连接管上设有通往甲醇合成工段的分管38，压缩机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管22；
5）PSA变压吸附单元：本单元包括一台除油塔23、八台吸附塔24、二台顺放气缓冲罐25、一台富氢气缓冲罐26、一台真空泵27、一台逆放气缓冲罐28，除油塔23的进气口通过管道与压缩单元的压缩机出口总管相通，8台吸附塔中两台始终处于在线吸附状态，各吸附塔之间通过管道相通，各吸附塔顶部均设有富氢气出口，底部均设有煤气进口，内部均设有吸附床层，吸附床层上有活性炭吸附剂，各吸附塔底部煤气进口与除油塔23出气口通过管道连通，富氢气缓冲罐26设置在各吸附塔富氢气输出总管上，各顺放气缓冲罐的输气管与各吸附塔富氢气输出管连通，逆放气缓冲罐28的输气管与各吸附塔煤气输入管相通，真空泵27的两端通过管道均与逆放气缓冲罐28输气管相通，各顺放气缓冲罐、逆放气缓冲罐顶部均通过再生吹冷气管37与COG预处理单元的各预处理塔顶部再生吹冷气进口相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
6）水解单元：本单元包括水解预热器29、水解加热器30、水解塔31、水解冷却器32、水解气液分离器33、冷凝水中间罐34、精脱硫塔35各一台，水解预热器29设有内管和外管，内管底部和顶部分别设有气体进口和气体出口，外管的底部和顶部分别设有气体出口和气体进口，水解加热器30的底部设有气体进口和冷凝水出口，顶部设有气体出口和蒸汽进口，蒸汽进口连接着水解蒸汽进管39，水解预热器29内管底部的进气口通过管道与PSA变压吸附单元的各吸附塔顶部富氢气出口相通，水解预热器29内管顶部的出气口与水解加热器30底部气体进口相通，水解加热器30顶部气体出口通过管道与水解塔31底部相通，水解塔31内设置有水解剂床层，水解塔31顶部气体出口通过管道与水解预热器29外管顶部进气口相通，水解冷却器32的顶端通过管道与水解预热器29外管底部气体出口相通，底端通过管道与水解气液分离器33的进气口连接，水解气液分离器33下部设有排水孔，顶部设有出气口，水解气液分离器33的出气口通过管道与精脱硫塔35底部相通，精脱硫塔35内设有精脱硫剂床层，顶部设有净化气出口，冷凝水中间罐34通过管道与水解加热器30底部冷凝水出口相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
如图2所示，该净化焦炉煤气方法，步骤如下：
1）COG升压步骤
为解决原料焦炉煤气的入口压力低，使煤气能顺利进入下一个生产单元，采用罗茨风机对原料焦炉煤气进行升压，原料焦炉煤气通过煤气总管进入各罗茨风机进口，将煤气压力从4.0KPa(G)提升至56.0KPa(G),并通过罗茨风机出口的消音器进行降噪后，将煤气通过管道从COG冷却塔底部送入COG冷却塔内，同时通过冷却液循环泵使外置式循环液冷却器内管中的冷却液从冷却塔上部进入塔内，自上而下穿过塔内的填料层，与自下而上穿过填料层的煤气进行热交换撤热，使煤气温度从45—55℃降至35℃；为确保罗茨风机进口压力，部分煤气通过连接罗茨风机的出口总管和进口总管的回流管进行回流，以对罗茨风机的进口总管压力进行补压和隐压；在冷却液循环过程中，通过冷却水循环泵使冷水塔中的冷水在循环液冷却器外管中不断循环，以使冷却液保持冷却温度，热交换完成后COG冷却塔内积存的废液通过废液排放泵抽出进入污水总管，经降温、洗涤的升压煤气从COG冷却塔顶部引出进入下一净化步骤；
2）COG预处理步骤
从COG升压单元的COG冷却塔顶部引出的煤气通过连接COG冷却塔和COG预处理单元的预处理塔底部的管道进入处于在线吸附状态的各预处理塔内，煤气自下而上穿过塔内的活性炭填料层，使煤气中的苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机物质和部分H2S、COS、CS2、噻吩、硫醚等硫化物被填料层吸附下来，净化后的煤气从预处理塔的顶部移出，并经流量分配调节，一部分输送到COG压缩单元进一步净化，另一部分输送到甲醇厂作为生产甲醇的原料气；
当一台预处理器吸附饱和后即转入再生过程。再生过程步骤如下：首先，从吸附饱和的预处理器顶部加入压力为0.12 MPa(G)的蒸气对预处理塔进行加热，使塔内的吸附剂温度提升到100℃，将吸附在吸附剂表面的苯、萘及其它重烃类有机杂质解析出来，并随低压蒸汽从预处理塔底部排出，输送到荼回收单元，加入蒸汽60小时后，停止蒸汽输入，然后将来自PSA变压吸附单元的再生吹冷气从塔顶部加入，对吸附剂进行降温和吹干，含水汽的再生吹冷气从塔底部排出，并经再生气冷却器冷却降温，通过COG分液器进行气—液分离，除水后的再生吹冷气通过排气管排放，分离出的冷凝水进入污水总管排出，从而完成预处理器再生过程；
本COG预处理步骤的各个工序均采用微机程控实现；
3）奈回收步骤
在预处理步骤预处理器再生过程中产生的含有大量苯、奈、焦油及其它重烃类有机杂质的水气通过管道从奈回收单元的冷凝器的顶部进入冷凝器，并在冷凝器中进行全凝，冷凝后的冷却液自上而下流入循环冷却罐继续降温，使其中的萘凝结为固体，同时通过循环泵对循环冷却罐中的浆液进行强制循环，浆液从罐底部抽出，经循环泵加压后从罐的中部返回罐内，当罐内的溶液液位到达循环进液管管口时，将循环泵的出口切换到过滤机，罐内溶液经过滤机进行液---固分离，溶液部分由污水泵抽出进入污水总管，固体荼被分离收集；
4）压缩步骤
来自COG预处理单元经初步净化的煤气通过管道进入压缩单元的各压缩机，将净化煤气的压力由0.045MPa(G)加压到0.800MPa(G)，然后，送往PSA变压吸附单元；为确保压缩机的进口压力，部分煤气通过连接压缩机的出口总管和进口总管的煤气回流管进行回流，以对压缩机的进口总管压力进行补压和隐压；
5）PSA变压吸附步骤
升压后的焦炉煤气经除油塔除油后自PSA变压吸附单元的吸附塔底部进入处于在线吸附的吸附塔内，自下而上穿过吸附塔内设置的活性炭吸附床层，在吸附剂选择性吸附下，一次性除去煤气中的CH4气，获得CH4含量小于0.80%的富氢气，富氢气从塔顶部排出后进入水解单元进一步脱硫净化，当被吸附气的传质区前沿到达吸附塔顶部的富氢气出口时，停止吸附操作，将该吸附塔转入吸附剂再生过程；
吸附剂的再生过程步骤如下：
（1）均压降压 在吸附塔吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的富氢气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔内，这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间富氢气的过程，本步骤共包括四次连续的对不同吸附塔的续释放气体过程，将吸附塔内的压力由0.800 MPa(G)降至0.250 MPa(G)；
（2）顺放 在均压回收富氢气过程结束后，继续顺着吸附方向进行减压，将吸附塔内的压力由0.250 MPa(G)降至0.150 MPa(G)，顺放出来的富氢气放入顺放气缓冲罐中混合并储存起来，用作吸附塔冲洗和预处理系统再生吹冷气的气源；
（3）逆放 在顺放结束后，逆着吸附方向将吸附塔压力降至0.005 MPa(G)，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解析出来，逆放解析气送至逆放气缓冲罐，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（4）冲洗 为使吸附剂得到彻底的再生，用顺放气缓冲罐中储存的富氢气逆着吸附方向冲洗吸附床层，冲洗后的冲洗再生气通过逆放气缓冲罐送至预处理系统作为再生吹冷气源；
（5）抽真空 冲洗结束后，利用真空泵逆着吸附塔进行抽气，将吸附塔压力抽至-0.040Mpa(G)，真空泵抽出的气体送入逆放气缓冲罐中，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（6）均压升压 在抽真空步骤完成后，依次用其它吸附塔的较高压力富氢气对该吸附塔进行升压，这一过程与均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且也是回收其它塔的床层死空间富氢气的过程，本步骤共包括连续四次均压升压进气过程，将吸附塔内的压力升至0.520MPa(G)；
（7）净化气终升 在均压升压步骤完成后，为使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在吸附过程中不发生波动，用富氢气缓冲罐中储存的富氢气通过吸附塔上的压力调节阀缓慢而平稳地将吸附塔压力升至吸附工作压力0.800 MPa(G)，从而完成吸附剂再生过程，为下一次吸附做好了准备；
PSA变压吸附步骤的各个工序均采用微机程控实现；
6）水解步骤
来自PSA变压吸附单元的富氢气通过连接管道首先进入水解预热器内管中进行预热，再进入水解加热器通过蒸汽继续加热升温至250℃，加热过程中产生的液体进入冷凝水中间罐，加热后的富氢气从水解加热器的顶部引出进入水解塔的底部，自下而上穿过水解剂床层，使气体中的有机硫在水解剂床层中进行水解反应并生成硫化氢，水解后的气体从水解塔的顶部移出通过水解预热器进行热量回收和水解冷却器进行降温，使气体温度降至35℃，降温后的气体进入水解气液分离器进行气-液分离，分解出的液体自水解气液分离器下部的排水孔排出，分解出的气体从精脱硫塔的底部引入，自下而上穿过精脱硫塔内设置的脱硫剂床层，将气体中的硫化氢吸附脱除，使气体中的总硫含量达到0.1mg/Nm3以下，经精脱硫的净化气即可作为合成氨原料气用于合成氨生产。
Claims (10)
1.一种净化焦炉煤气的装置，其特征在于，它由COG升压单元、COG预处理单元、萘回收单元、压缩单元、PSA变压吸附单元、水解单元六个生产单元构成：
1）COG升压单元：本单元包括罗茨风机、COG冷却塔、循环液冷却器、冷水塔、冷却液循环泵、冷却水循环泵、废液排放泵，罗茨风机的进口总管与煤气总管相接，出口总管与COG冷却塔底部连通，COG冷却塔内设有鲍尔环填料层，循环液冷却器设置在COG冷却塔外，循环液冷却器的进液口、出液口分别设置在循环液冷却器内管的顶部和下部，循环液冷却器的进液口、出液口通过管道分别与冷却液循环泵出液口和COG冷却塔上部连通，冷却液循环泵的进液口通过管道与COG冷却塔底部连通，冷水塔的底、上部分别设置有进、出水口，冷水塔的出水口通过冷却水循环泵与循环冷却器外管下部相通，进水口通过管道与循环冷却器外管上部相通，废液排放泵一端通过管道与COG冷却塔底部相通，另一端与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
2）COG预处理单元：本单元包括预处理塔、再生气冷却器和分液器，预处理塔底部与COG升压单元的COG冷却塔顶部通过管道连通，预处理塔内设有活性炭填料层，顶部设有煤气出口和蒸汽、再生吹冷气进口，蒸汽进口连接着预处理蒸汽进管，预处理塔底部设有蒸汽和再生吹冷气出口，再生气冷却器通过管道与预处理塔底部再生吹冷气出口相通，再生气冷却器连通着分液器，分液器的顶、底部分别设有排气管和排水管，排水管与污水总管相通，各连接管道上均设置有控制阀门；
3）萘回收单元：本单元包括冷凝器、循环冷却罐、循环泵、过滤机、污水泵，冷凝器顶部通过管道与COG预处理单元的预处理塔底部蒸气出口相通，循环冷却罐顶部与冷凝器底部相通，循环泵的进液管和出液管分别与循环冷却罐的底、中部相通，循环泵的出液管上设有可切换至过滤机的切口，并通过该切口与过滤机连通，污水泵一端与过滤机相通，另一端连接污水总管；
4）压缩单元：本单元包括压缩机，压缩机两端分别与COG预处理单元的预处理塔顶部煤气出口和PSA变压吸附单元的除油塔底部进气口通过管道连通，连接压缩机和预处理塔的管道上设有通往甲醇合成工段的分管；
5）PSA变压吸附单元：本单元包括除油塔、顺放气缓冲罐、富氢气缓冲罐、真空泵、逆放气缓冲罐和至少5台吸附塔，除油塔的进气口通过管道与压缩单元的压缩机出口总管相通，各吸附塔之间通过管道相通，各吸附塔顶部均设有富氢气出口，底部均设有煤气进口，内部均设有吸附床层，吸附床层上有活性炭吸附剂，各吸附塔底部煤气进口与除油塔出气口通过管道连通，富氢气缓冲罐设置在吸附塔富氢气输出总管上，顺放气缓冲罐输气管与各吸附塔富氢气输出管连通，逆放气缓冲罐通过输气管与各吸附塔煤气输入管相通，真空泵的两端均与逆放气缓冲罐输气管相通，逆放气缓冲罐、顺放气缓冲罐顶部均通过再生吹冷气管与COG预处理单元的预处理塔顶部再生吹冷气进口相通，各连接管道均设置有控制阀门；
6）水解单元：本单元包括水解预热器、水解加热器、水解塔、水解冷却器、水解气液分离器、冷凝水中间罐、精脱硫塔，水解预热器设有内管和外管，内管底部和顶部分别设有气体进口和气体出口，外管的底部和顶部分别设有气体出口和气体进口，水解加热器的底部设有气体进口和冷凝水出口，顶部设有气体出口和蒸汽进口，蒸汽进口连接着水解蒸汽进管，水解预热器内管底部的进气口通过管道与PSA变压吸附单元的吸附塔顶部富氢气出口相通，水解预热器内管顶部的出气口与水解加热器底部气体进口相通，水解加热器顶部气体出口通过管道与水解塔底部相通，水解塔内设置有水解剂床层，水解塔顶部气体出口通过管道与水解预热器外管顶部进气口相通，水解冷却器的顶端通过管道与水解预热器外管底部气体出口相通，底端通过管道与水解气液分离器的进气口连接，水解气液分离器下部设有排水孔，顶部设有出气口，水解气液分离器的出气口通过管道与精脱硫塔底部相通，精脱硫塔内设有精脱硫剂床层，顶部设有净化气出口，冷凝水中间罐通过管道与水解加热器底部冷凝水出口相通，各连接管道均设置有控制阀门。
2.根据权利要求1所述的一种净化焦炉煤气的装置，其特征在于，所述COG升压单元的罗茨风机为4台，4台罗茨风机为3开1备，各罗茨风机出口均设有消音器，罗茨风机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管。
3.根据权利要求1所述的一种净化焦炉煤气的装置，其特征在于，所述COG预处理单元的预处理塔为4台，4台预处理塔按时序交替运行，其运行制度为：三台处于在线吸附工作，一台处于再生工作。
4.根据权利要求1所述的一种净化焦炉煤气的装置，其特征在于，所述压缩单元有压缩机3台，其操作制度为2开1备，压缩机的出口总管和进口总管间连接有煤气回流管。
5.根据权利要求1所述的一种净化焦炉煤气的装置，其特征在于，所述PSA变压吸附单元的吸附塔为8台，其中两台吸附塔始终处于在线吸附状态，所述顺放气缓冲罐为2台。
6.净化焦炉煤气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）COG升压步骤 原料焦炉煤气通过煤气总管进入罗茨风机进口，将煤气压力从4.0KPa(G)提升至55.0～58.0 KPa(G),然后将煤气通过管道从COG冷却塔底部送入COG冷却塔内，同时通过冷却液循环泵使外置式循环液冷却器内管中的冷却液从冷却塔上部进入塔内，自上而下穿过塔内的填料层，与自下而上穿过填料层的煤气进行热交换撤热，使煤气温度从45—55℃降至40—15℃，在冷却液循环过程中，通过冷却水循环泵使冷水塔中的冷水在循环液冷却器外管中保持循环，热交换完成后COG冷却塔内积存的废液通过废液排放泵抽出进入污水总管，经降温、洗涤的升压煤气从COG冷却塔顶部引出进入下一净化步骤；
2）COG预处理步骤 从COG升压单元的COG冷却塔顶部引出的煤气通过连接COG冷却塔和COG预处理单元的预处理塔底部的管道进入预处理塔，煤气自下而上穿过塔内的活性炭填料层，使煤气中的重烃类有机物质苯、萘、焦油、氨和硫化物H2S、COS、CS2、噻吩、硫醚的大部分被填料层吸附下来，净化后的煤气从预处理塔的顶部移出，并经流量分配调节，一部分输送到COG压缩单元，另一部分输送到甲醇厂作为生产甲醇的原料气，预处理器吸附饱和后通入蒸汽和再生吹冷气转入再生过程；
3）萘回收步骤 在预处理步骤预处理器再生过程中产生的含有大量苯、萘、焦油有机杂质的水气通过管道从萘回收单元的冷凝器的顶部进入冷凝器，并在冷凝器中进行全凝，冷凝后的冷却液自上而下流入循环冷却罐继续降温，使其中的萘凝结为固体，同时通过循环泵对循环冷却罐中的浆液进行强制循环，浆液从罐底部抽出，经循环泵加压后从罐的中部返回罐内，当罐内的溶液液位到达循环进液管管口时，将循环泵的出口切换到过滤机，罐内溶液经过滤机进行液--固分离，溶液部分由污水泵抽出进入污水总管，固体萘被分离收集；
4）压缩步骤 来自COG预处理单元经初步净化的煤气通过管道进入压缩单元的压缩机，将净化煤气的压力由0.045MPa(G)加压到0.7500—0.850MPa(G)，然后，送往PSA变压吸附单元；
5）PSA变压吸附步骤 升压后的焦炉煤气经除油塔除油后自PSA变压吸附单元的各吸附塔底部进入吸附塔内，自下而上穿过吸附塔内设置的活性炭吸附床层，在吸附剂选择性吸附下，一次性除去煤气中的CH4气，获得CH4含量小于0.80%的富氢气，富氢气从塔顶部排出后进入水解单元，当被吸附气的传质区前沿到达吸附塔顶部的富氢气出口时，停止吸附操作，将该吸附塔转入吸附剂再生过程；
6）水解步骤 来自PSA变压吸附单元的富氢气通过连接管道首先进入水解预热器内管中进行预热，再进入水解加热器通过蒸汽继续加热升温至150—270℃，加热过程中产生的液体进入冷凝水中间罐，加热后的富氢气从水解加热器的顶部引出进入水解塔的底部，自下而上穿过水解剂床层，使气体中的有机硫在水解剂床层中进行水解反应并生成硫化氢，水解后的气体从水解塔的顶部移出通过水解预热器进行热量回收和水解冷却器进行降温，使气体温度降至40—10℃，降温后的气体进入水解气液分离器进行气-液分离，分解出的液体自水解气液分离器下部的排水孔排出，分解出的气体从精脱硫塔的底部引入，自下而上穿过精脱硫塔内设置的脱硫剂床层，将气体中的硫化氢吸附脱除，使气体中的总硫含量达到0.1mg/Nm3以下，经精脱硫的净化气即可作为合成氨原料气用于合成氨生产。
7.根据权利要求6所述的净化焦炉煤气的方法，其特征在于，所述COG升压步骤中还包括将升压后的煤气通过设置在罗茨风机出口的消音器进行降噪的步骤；为确保罗茨风机进口压力，该升压步骤中还包括通过连接罗茨风机的出口总管和进口总管的回流管使部分煤气进行回流的步骤。
8.根据权利要求6所述的净化焦炉煤气的方法，其特征在于，所述COG预处理步骤中预处理器再生过程如下：首先，从预处理器顶部加入压力为0.1-0.14 MPa(G)的蒸气对预处理塔进行加热，使塔内的吸附剂温度提升到95—105℃，将吸附在吸附剂表面的重烃类有机杂质苯、萘解析出来，并随低压蒸汽从预处理塔底部排出，输送到萘回收单元，加入蒸汽40—80小时后，停止蒸汽输入，然后将来自PSA变压吸附单元的再生吹冷气从塔顶部加入，对吸附剂进行降温和吹干，含水汽的再生吹冷气从塔底部排出，并经再生气冷却器冷却降温，通过COG分液器进行气—液分离，除水后的再生吹冷气通过排气管排放，分离出的冷凝水进入污水总管排出；所述预处理步骤中各个工序均采用微机程控实现。
9.根据权利要求6所述的净化焦炉煤气的方法，其特征在于，所述压缩步骤还包括通过连接压缩机的出口总管和进口总管的回流管使部分煤气进行回流的步骤。
10.根据权利要求6所述的净化焦炉煤气的方法，其特征在于，所述PSA变压吸附步骤中吸附剂的再生过程步骤如下：
（1）均压降压 在吸附塔吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的富氢气放入其它已完成再生的较低压力的吸附塔内，本步骤共包括四次对不同吸附塔的连续释放气体过程，将吸附塔内的压力由0.750—0.850 MPa(G)降至0.300--0.200 MPa(G)；
（2）顺放 在均压回收富氢气过程结束后，继续顺着吸附方向进行减压，将吸附塔内的压力由0.200--0.300 MPa(G)降至0.180—0.100 MPa(G)，顺放出来的富氢气放入顺放气缓冲罐中混合并储存起来，用作吸附塔冲洗和预处理系统再生吹冷气的气源；
（3）逆放 在顺放结束后，逆着吸附方向将吸附塔压力降至0.010—0.001 MPa(G)，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解析出来，逆放解析气送至逆放气缓冲罐，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（4）冲洗 用顺放气缓冲罐中储存的富氢气逆着吸附方向冲洗吸附床层，冲洗后的冲洗再生气通过逆放气缓冲罐送至预处理系统作为再生吹冷气源；
（5）抽真空 冲洗结束后，利用真空泵逆着吸附塔进行抽气，将吸附塔压力抽至-0.040Mpa(G)，真空泵抽出的气体送入逆放气缓冲罐中，用作预处理系统的再生吹冷气源；
（6）均压升压 在抽真空步骤完成后，依次用其它吸附塔的较高压力富氢气对该吸附塔进行升压，本步骤共包括连续四次均压升压进气过程，将吸附塔内的压力升至0.50—0.550MPa(G)；
（7）净化气终升 在均压升压步骤完成后，用富氢气缓冲罐中储存的富氢气通过吸附塔上的压力调节阀缓慢而平稳地将吸附塔压力升至吸附工作压力0.750--0.850MPa(G)，从而完成吸附剂再生过程，为下一次吸附做好了准备；
所述PSA变压吸附步骤的各个工序均采用微机程控实现。
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