Коксовый газ, выходящий из подсводового пространства коксовых камер имеет температуру 650–750°С и содержит значительное количество паров смолы и воды. Для осуществления технологических процессов в цехе улавливания коксовый газ должен быть охлажден и освобожден от паров смолы и воды.
Поэтому первой и обязательной технологической операцией, которой подвергается газ по выходе из печей, является процесс охлаждения, обусловливающий конденсацию водяных паров и смолы.
Охлаждение газа осуществляется в две стадии: а) в коленах стояков и в газосборниках коксовых печей до 85–90°С при орошении газа аммиачной водой; б) в первичных газовых холодильниках до 25–35°С, эта температура является оптимальной, при которой происходит улавливание из газа бензольных углеводородов, сероводорода и аммиака. В результате такого охлаждения газа резко уменьшается его объем, что снижает энергетические затраты на его транспортировку по газовой трассе химического завода и создает условия для нормальной работы цеха улавливания.
Коксовый газ из коксовых камер, находящихся на различной стадии коксования, пройдя стойки и соединительные колена, поступает в газосборники коксовой батареи (по машинной и коксовой сторонам). В газосборниках происходит усреднение газа по составу, охлаждение и выделение смолы и фусов (угольной и коксовой пыли, смешанной со смолой). На рис. 1 показаны стояк, колено и газосборник.
Охлаждение газа в газосборниках достигается непрерывным орошением его надсмольной аммиачной водой, которая под напором 100–150 кПа (1,0–1,5 ат) интенсивно распыливается специальными форсунками, установленными в коленах стояков и в газосборниках.
Из общего количества тепла, которое вносится в газосборники горячим газом, преобладающая часть, а именно 85–90%, расходуется на испарение охлаждающей воды и лишь 10–15% на ее подогрев, 3–5% тепла теряется излучением наружной поверхностью газосборников в окружающую среду. В результате испарения воды происходит резкое охлаждение газа, температура воды при этом повышается незначительно, что приводит к повышению точки росы газа, т.е. к повышению его влагосодержания. Однако газ по выходе из газосборников не полностью насыщен водяными парами, так как температура газа продолжает оставаться несколько выше его точки росы. Точка росы газа 78–82°С. Воду, применяемую для орошения, называют аммиачной или надсмольной водой, так как она содержит поглощенный из газа аммиак. Второе название связано с тем, что плотность смолы больше единицы и вода при разделении всегда находится над смолой. Расход надсмольной воды составляет 5–6 м3 на 1 т шихты, 2–3% этой воды испаряется. Для орошения газосборников применяют горячую воду с температурой 70–75°С. В газосборниках она нагревается на 2–3°С. Так как охлаждение газа достигается главным образом за счет испарения воды, подача более холодной воды повлечет за собой худшее охлаждение газа из-за меньшего испарения. Надсмольная вода, уходящая из газосборника, имеет температуру 73–78°С.
В газосборнике конденсируется от 50 до 60% содержащейся в газе смолы, при этом в первую очередь конденсируются ее высококипящие погоны. Кроме смолы, в газосборнике в результате его интенсивного орошения водой вымываются фусы. Исследование охлаждения газа в газосборниках показало, что температура газа после газосборников зависит в основном от влажности шихты, температуры газа перед газосборниками и количества охлаждающей воды.
При орошении газа в стояках и газосборниках надсмольная аммиачная вода частично абсорбирует из него аммиак, сероводород, углекислоту, цианистый водород и другие кислые газы с образованием солей аммиака. Состав солей и содержание их в надсмольной воде зависят от температуры газа, покидающего газосборники.
Образовавшийся в газосборниках конденсат, состоящий из смолы, надсмольной воды и фусов, отводится по прямому газопроводу (с машинной стороны) в отстойную аппаратуру отделения конденсации. Из газосборника коксовой стороны батареи конденсат отводится по специальному трубопроводу. После отстоя и осветления надсмольная аммиачная вода снова подается на орошение газосборников.
Вторая ступень охлаждения коксового газа осуществляется в первичных, газовых холодильниках, расположенных в начале газовой трассы цеха улавливания. Так как охлаждение газа сопровождается конденсацией из него паров воды и смолы, это отделение получило название отделения охлаждения газа и конденсации смолы.
Оно должно обеспечить охлаждение коксового газа, выделение из него смолы, нафталина, водяных паров; отстаивание надсмольной воды от смолы и фусов, а также отстаивание, обезвоживание и обеззоливание смолы до установленных техническими условиями норм; отстаивание конденсата первичных газовых холодильников.
Дальнейшее охлаждение газа в первичных холодильниках проводится для того, чтобы уменьшить его объем и снизить расход энергии на последующее его сжатие в нагнетателях и для конденсации содержащегося в нем водяного пара, который образуется из влаги угольной шихты, загружаемой в печи, пирогенетической воды, а также водяных паров, получающихся от испарения надсмольной воды при орошении газосборников.
Выделение подавляющей части парообразной смолы в холодильниках важно и потому, что это исключает возможность загрязнения аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования и отложения смолы и нафталина в газопроводах. Вместе с тем более полное выделение смолы необходимо потому, что присутствие в газе загрязняет сульфат аммония, снижая его качество, и ухудшает качество поглотительного масла, используемого для улавливания бензольных углеводородов.
Температура газа после первичных газовых холодильников должна находиться в пределах 25–35°С. Повышение температуры газа неизбежно отражается на работе всей аппаратуры цеха улавливания. Для первичного охлаждения коксового газа и конденсации смоляных и водяных паров в коксохимической промышленности применяются трубчатые газовые холодильники с теплопередачей через стенку и холодильники непосредственного действия. В зависимости от типа применяемых холодильников различают несколько схем первичного охлаждения коксового газа: схема с холодильниками непосредственного действия; с использованием трубчатых газовых холодильников (с вертикальным расположением труб или холодильников с горизонтальным расположением труб); схема охлаждения газа в конденсаторах и трубчатых газовых холодильниках и др. Применение холодильников того или иного типа вносит характерные особенности в технологические схемы охлаждения газа и изменения в режим работы установок.
По этой схеме коксовый газ, надсмольная вода, смола и фусы из газосборника 1 отводятся по прямому газопроводу в сепаратор 2, где газ отделяется от жидкой фазы. Чтобы надсмольная вода и смола свободно стекали по газопроводу и уносили с собой фусы, газопровод от печей до сепаратора имеет уклон 10–15 мм на каждый погонный метр. Конденсат из сепаратора 2 стекает по трубопроводу в механизированный отстойник-осветлитель 3 для отстаивания и осветления надсмольной воды. Коксовый газ после сепаратора 2 по прямому газопроводу поступает в верхнюю часть межтрубного пространства трубчатых холодильников 9, где охлаждается технической водой. Охлаждающая вода поступает в холодильники по трубам снизу и выходит сверху. Так как трубы расположены горизонтально, осуществляется перекрестное движение газа и воды. Вода поступает с температурой 20–28°С и нагревается в холодильнике до температуры не выше 45°С. Горячая техническая вода охлаждается в градирнях принудительного дутья и снова возвращается в цикл. Убыль технической воды систематически пополняется.
В первичных холодильниках одновременно протекают следующие процессы: охлаждение газа, конденсация и выделение остатков паров смолы в количестве 40–50% от их ресурсов в газе, выделение нафталина, который растворяется в смоле; конденсация водяных паров до состояния насыщения ими газа при данной температуре (25–30°С); частичное растворение в образующемся водяном конденсате аммиака, сероводорода, диоксида углерода, цианистого водорода и других компонентов коксового газа с образованием химических соединений, частично растворяются фенолы, пиридиновые основания и другие примеси.
Из холодильников 9 коксовый газ направляется в электрофильтры 10 для очистки от туманообразной смолы, затем газ поступает в нагнетатели 11, из которых под давлением идет в аппаратуру для улавливания химических продуктов коксования. Проследим путь движения образовавшихся при охлаждении газа конденсата газосборников и газового конденсата первичных газовых холодильников.
Образовавшийся при охлаждении газа в холодильниках газовый конденсат по трубам межтрубного пространства холодильников стекает сверху вниз, смывая при этом отложения фусов и нафталина в нижнюю часть холодильника. Из нижней части конденсат, состоящий из смолы, надсмольной воды и незначительного количества фусов, стекает самотеком в гидрозатвор (конденсатоотводчик) 12, затем поступает в загубленный промежуточный сборник 13. В этот сборник через гидрозатворы 14 поступает также конденсат газа из машинного отделения и электрофильтров. Уровень конденсата в сборнике 13 поддерживается автоматически. Из сборника 13 конденсат газа насосом 15 подается в отстойник 16, где осуществляется его разделение по плотности на два слоя: верхний – надсмольная аммиачная вода и нижний – смола.
Осветленная надсмольная вода из верхней части отстойника 16 через перелив самотеком поступает в хранилище избытка надсмольной воды 17, откуда насосом 18 откачивается на переработку в аммиачное отделение. Отстоявшаяся в отстойнике смола через смолоотводчик поступает в механизированное хранилище для смолы 6, а оттуда в резервуары склада смолы.
В механизированных отстойниках-осветлителях 3 из-за резкого уменьшения скорости жидкой фазы, компоненты которой имеют различные плотности, она расслаивается на три слоя: верхний – надсмольная аммиачная вода плотностью 1010–1020 кг/м3, средний – каменноугольная смола плотностью 1170–1180 кг/м3 и нижний – фусы плотностью около 1250 кг/м3. Фусы из осветлителя непрерывно удаляются скребковым транспортером в бункер, откуда направляются в угле-подготовительный цех, где используются как добавка к шихте, идущей на коксование.
Смола из осветлителя самотеком через регулятор уровня смолы (смолоотводчик) поступает в заглубленный сборник 4, откуда насосом 5 откачивается в механизированное хранилище для смолы 6. В хранилище при температуре 70–80°С смола дополнительно отстаивается от воды и фусов, которые удаляются из хранилища скребковым транспортером. Из хранилища 6 отстоявшаяся смола насосом 19 подается в конечный газовый холодильник для вымывания нафталина из воды, охлаждающей коксовый газ. Отстоявшаяся от смолы и фусов надсмольная аммиачная вода из верхний части осветлителя 3 поступает в промежуточный сборник 7, откуда насосом 8 подается на охлаждение коксового газа в газосборниках коксовых печей. В осветлителе вода охлаждается на 3–5°С.
Таким образом, надсмольная вода, подаваемая на орошение газосборников, находится в цикле газосборники–осветлитель–промежуточный сборник–газосборники. В результате испарения части надсмольной воды при охлаждении газа в газосборниках количество ее в обороте уменьшается.
Эта убыль воды цикла газосборников пополняется надсмольной водой цикла первичных газовых холодильников, которая поступает в сборник 7 из отстойника конденсата газа первичных холодильников 16.
При разделении воды цикла холодильников и цикла газосборников в последней могут накапливаться нелетучие соли аммония – хлориды и роданиды, которые вызывают коррозию газосборников, трубопроводов и аппаратуры отделения.
При значительном содержании этих солей в воде цикла газосборников повышается концентрация их и в смоле, способствуя усилению коррозии аппаратуры и трубопроводов в цехе по переработке смолы. Для уменьшения накопления в воде цикла газосборников хлористых и роданистых солей аммония часть ее из промежуточного сборника 7 отводится в отстойник конденсата газа, т.е. производится смешение двух водяных потоков, что обеспечивает содержание этих солей в смеси не более 2–6 г/л.
Применение для охлаждения газа холодильников с горизонтальным или вертикальным расположением труб вносит различие в качественный состав надсмольной воды цикла холодильников. В газовых холодильниках с горизонтальными трубами конденсат находится в соприкосновении с коксовым газом более продолжительное время и поэтому в надсмольной воде растворяется больше компонентов газа. Количество аммиачной воды, подлежащей переработке, зависит от влажности шихты и выхода пирогенетической воды. После первичных газовых холодильников коксовый газ содержит, г/м3: Пары: воды (25–30°С) 25–35 смолы 2,0–5,0 Бензольные углеводороды 32–36 Аммиак 7–11 Сероводород 16–26 Нафталин до 2–3 Пиридиновые основания 0,4–0,6
Применение газовых холодильников конструкции Гипрококса с горизонтальными трубами обеспечивает более эффективное охлаждение газа, что вызывает значительное уменьшение его объема и, следовательно, улучшает режим работы нагнетателей газа и последующей аппаратуры цеха улавливания. Охлаждение газа в этих холодильниках может осуществляться не только водой, но и другими жидкостями, в частности поглотительным раствором сероочистки.
Отличительной особенностью технологической схемы охлаждения коксового газа с применением холодильников непосредственного действия является то, что охлаждение газа осуществляется непосредственным орошением надсмольной водой, при этом тепло газа передается соприкасающейся с ним охлаждающей воде, которая нагревается до 70°С. Так как вода при этом насыщается аммиаком, то выпуск ее из холодильников приводил к потере аммиака и к загрязнению водоемов, что запрещается санитарными правилами. Поэтому нагретая газом и насыщенная аммиаком вода находится в замкнутом цикле, охлаждаясь в чугунных или железных оросительных холодильниках, откуда снова подается на охлаждение газа. В остальном путь движения газа и жидкости (газового конденсата) такой же, как и в схеме с трубчатыми холодильниками.
Высокоэффективными аппаратами для непосредственного охлаждения газа являются колонны с провальными тарелками. Объем такого аппарата значительно меньше. Для охлаждения надсмольной воды, подаваемой на охлаждение газа, может быть применен пластинчатый теплообменник.
Для интенсификации охлаждения газа в промышленности существует несколько способов: охлаждение в две стадии, что позволяет значительно уменьшить тепловую нагрузку на холодильники и снизить отложение солей в трубах при ограниченном расходе оборотной технической воды; применение высокоинтенсивных турбулентных промывателей; двухступенчатое охлаждение газа с применением на I ступени охлаждения аппаратов воздушного охлаждения, такая схема обеспечивает снижение расхода воды и пара, раздельный выход конденсата газа I и II ступеней охлаждения и раздельную их переработку, получение коксового газа не насыщенного нафталином. В отделении конденсации каменноугольная смола проходит предварительную подготовку, которая заключается в удалении фусов, обезвоживании и одновременно обеззоливании и обессоливании. Смола из газосборников, газовых холодильников и электрофильтров смешивается.
Известно, что зольность смолы, поступающей из газосборников в механизированные отстойники-осветлители, составляет 0,3–1,0% и зависит от технологии загрузки печей, величины подсводового пространства, влажности и зольности загружаемой шихты, степени ее помола и т.д. Большая часть грубодисперсных частиц осаждается в отстойниках-осветлителях. Однако имеющиеся скоксованные пористые частицы угля с плотностью, меньшей, чем плотность смолы, отделять весьма сложно.
Проблема удаления воды, золы и агрессивных солей из смолы приобрела большое значение в связи с внедрением на коксохимических заводах бездымной загрузки коксовых печей, а также процессов сушки и подогрева шихты.
Для очистки смолы используются процессы отстаивания, виброфильтрования, центрифугирования и др. На некоторых коксохимических заводах применяются смолоэкстракционные установки, характерной особенностью которых является дополнительный отстой газосборниковой смолы после механизированных отстойников-осветлителей и наличие нескольких ступеней промывки ее надсмольной водой холодильникового цикла.
Обезвоженная смола из отстойника поступает в конечный газовый холодильник, в котором из воды вымывается нафталин, а затем направляется в хранилища смолы, где смешивается со смолой газосборников. Смесь смолы последовательно проходит хранилища склада смолы, где подогревается глухим паром до 70–80°С, и поступает на переработку.
При такой обработке одновременно с удалением воды происходит обеззоливание, обессоливание и дешламация смолы. Агрессивные соли (хлорид аммония, роданиды, цианиды и др.) наиболее интенсивно вымываются из смолы на I ступени смолоэкстракционной установки, где степень обессоливания достигает 78–82%.
Обеззоливание смолы начинается в механизированных отстойниках-осветлителях, однако зольность здесь снижается незначительно. Существенно она снижается в аппарате смолоэкстракционной установки (на 46–50%). При применении бездымной загрузки камер коксовых печей схема отстоя с промывкой смолы надсмольной водой цикла холодильников не сможет обеспечить требуемого качества смолы.
Наиболее перспективными способами подготовки смолы являются центрифугирование, вибросепарация, ультразвуковое обезвоживание, промывка поверхностно-активными веществами (ПАВ) с последующим отстаиванием.