WHG氣化裝置濕洗塔塔盤結(jié)垢的原因及優(yōu)化

(河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司，河南 孟津 471100)

河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司20萬t/a乙二醇項目，利用河南洛陽當?shù)丶爸苓吽a(chǎn)礦煤為生產(chǎn)原料，采用中國五環(huán)工程有限公司開發(fā)的對煤種適應(yīng)性較寬的五環(huán)爐( WHG) 煤氣化技術(shù)。五環(huán)爐煤氣化技術(shù)采用粉煤加壓、氣流床反應(yīng)、液態(tài)排渣、水冷壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室、余熱部分回收的氣化技術(shù)。本項目煤氣化裝置以干煤粉為原料，以氧氣、水蒸氣為氣化劑，生產(chǎn)以CO+H2為主的粗合成氣。煤氣化裝置包含磨煤及干燥工序、煤粉加壓輸送工序、氣化工序、除渣工序、濕洗工序、黑水處理工序、公用工程工序。煤氣化裝置公稱生產(chǎn)能力為 63 800 Nm3/h(CO+H2)，年操作時間為8 000 h。項目于2009年10月開工建設(shè)，2014年12月投料試車，2015年1月打通全流程，2017年12月產(chǎn)出合格乙二醇，2018年氣化爐實現(xiàn)A級連續(xù)運行128 d，五環(huán)爐實現(xiàn)滿負荷、長周期、穩(wěn)定運行。

本文主要針對試車期間濕洗塔塔盤結(jié)垢造成合成氣液泛的原因進行分析，并進行一系列改造，從根本上解決了制約五環(huán)爐長周期運行的關(guān)鍵問題。

1 濕洗系統(tǒng)工藝

濕洗系統(tǒng)工藝流程見圖1，從氣化爐燃燒室送出的高溫粗合成氣在激冷段經(jīng)激冷壓縮機送出的循環(huán)激冷氣干氣激冷后，經(jīng)輸氣管送往激冷罐，在激冷罐內(nèi)再次冷卻；出激冷罐的粗合成氣經(jīng)過文丘里洗滌器使循環(huán)水與合成氣充分接觸進行初步的洗滌和降溫，然后進入濕洗塔洗滌除灰，洗滌后的合成氣分兩部分，一部分經(jīng)過低壓廢熱鍋爐回收熱量，再經(jīng)激冷氣冷卻塔冷卻及氣液分離，經(jīng)激冷壓縮機加壓后作為循環(huán)激冷氣送往氣化爐激冷段激冷高溫粗合成氣。另一部分經(jīng)洗滌除灰塔洗滌、鍋爐水和除灰塔循環(huán)水充分洗滌除灰后送往后序變換裝置。

圖1 濕洗系統(tǒng)工藝流程注：1—氣化爐；2—激冷壓縮機；3—激冷氣加熱器；4—激冷氣冷卻塔；5—激冷罐；6—激冷循環(huán)水冷卻器；7—文丘里洗滌器；8—低壓廢熱鍋爐；9—濕洗塔；10—洗滌除灰塔

2 濕洗塔工作原理及作用

濕洗塔內(nèi)部安裝有4層塔盤，罐體頂部安裝有除沫器，通過塔盤和除沫器降低氣相中的固含量。合成氣從濕洗塔罐體側(cè)面進入，先經(jīng)下降管進入洗滌水中進行水浴降溫洗滌，大部分飛灰被潤濕后留在洗滌水中，少部分飛灰留在合成氣中。洗滌后的合成氣攜帶少量飛灰經(jīng)過上升筒后，從下至上逐層穿過4層塔盤與高壓洗滌水和變換冷凝液充分接觸再次洗滌，合成氣中的飛灰附著在塔盤表面，合成氣中的液體附著在除沫器表面沿下部導(dǎo)流管回到塔盤上。洗滌水來源主要有變換冷凝液和高壓灰水，其中，高壓灰水作為主要水源，正常運行大約200 m3/h，沖洗第3層、第4層塔盤，控制濕洗塔液位。

濕洗塔的作用主要有兩方面：一方面除去合成氣中的細灰，減少含灰量，另一方面除去合成氣中的一些酸性氣體(如CO2、H2S、HCN、HCl、NH3等)，并降低合成氣的溫度。

3 濕洗塔存在的問題和原因分析

3.1 存在的問題

氣化裝置氮氣工況下運行較為平穩(wěn)，濕洗塔壓差維持在4 kPa左右，切換為二氧化碳工況后，當系統(tǒng)運行7 d以上時，濕洗塔塔盤開始積灰，部分固閥出現(xiàn)堵塞、結(jié)垢，塔盤壓差開始明顯上漲，當壓差超過20 kPa時，濕洗塔洗氣效果急速下降，導(dǎo)致濕洗塔開始液泛，濕洗塔的液位、出口溫度、合成氣流量忽高忽低、大幅度波動無法控制，合成氣大量帶水帶灰，造成后序變換系統(tǒng)過濾器嚴重堵塞，無法運行，裝置被迫停車。停車后現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)第三、四層塔盤結(jié)垢較為嚴重。

3.2 原因分析

(1)五環(huán)爐與殼牌爐不同，五環(huán)爐沒有飛灰處理單元(殼牌U1500單元)，系統(tǒng)內(nèi)的飛灰主要通過渣和黑水系統(tǒng)進行排除，整個黑水系統(tǒng)的水質(zhì)濁度較高，水質(zhì)較差，第3層的塔盤沖洗水來自高壓灰水，沖洗水中的飛灰在沖洗塔盤過程中逐漸附著在塔盤表面，造成塔盤結(jié)垢。

(2)試車時濕洗塔內(nèi)洗滌水的pH分析值在8.0左右(偏堿性)，在第3層塔盤處設(shè)計有堿液添加管線，堿液添加后，堿性環(huán)境中灰水的金屬離子(Mg+、Ca+等)與碳酸根離子反應(yīng)生成MgCO3、CaCO3沉淀，切換二氧化碳工況后，系統(tǒng)合成氣中的CO2含量會快速上升，部分二氧化碳溶于水后形成碳酸根離子，進一步加劇了塔盤的結(jié)垢。

(3)從變換裝置送來的變換冷凝液較臟，且pH值較高，造成塔盤表面結(jié)垢較快。

(4)試車期間使用的煤種灰分較高，使黑水系統(tǒng)水質(zhì)較差，濁度較高。

(5)文丘里洗滌器除灰效率偏低。

4 技改措施

(1)加強對變換冷凝液的監(jiān)控，定時分析其濁度和pH值，減少對塔盤的影響。

(2)停止塔盤堿液的加入，控制pH分析值在7.0～7.5之間，盡量將濕洗塔洗滌水控制在中性環(huán)境，避免生成MgCO3、CaCO3沉淀。

(3)加強煤質(zhì)管理，煤種的灰分含量不能超過20%，盡量控制在12%～15%。

(4)改變第3層塔盤沖洗水(高壓灰水)的沖洗位置，不再經(jīng)過塔盤，直接通入塔釜。原設(shè)計的第3層塔盤沖洗水(高壓灰水)直接沖洗第3層塔盤表面，然后溢流至第4層塔盤，易造成第3層、第4層塔盤結(jié)垢(見圖2)。改造后塔盤沖洗水(高壓灰水)直接穿過第3層塔盤，經(jīng)過第4層塔盤的收集槽通入塔釜，不再沖洗第3、第4層塔盤(見圖3)。

(5)文丘里洗滌器改造。為提高除灰效率，將文丘里洗滌器的調(diào)節(jié)頭直徑增大100 mm。

圖2 改造前高壓灰水沖洗塔盤

圖3 改造后高壓灰水直接通入塔釜

5 改造效果

濕洗塔經(jīng)過一系列改造后，經(jīng)過近一年時間的實踐驗證，再沒有發(fā)生塔盤結(jié)垢的情況，濕洗塔壓差始終維持在2～4 kPa之間。打開人孔檢查時發(fā)現(xiàn)塔盤表面干凈，沒有結(jié)垢現(xiàn)象。自2018年7月開車至今，系統(tǒng)已連續(xù)運行128 d，未出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，氣化爐實現(xiàn)了長周期、安全、穩(wěn)定運行，技改取得了圓滿成功。

濕洗塔作為煤氣化裝置的重要設(shè)備，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著重要作用，濕洗塔的改造解決了制約五環(huán)爐長周期運行的關(guān)鍵問題，為五環(huán)爐濕法除灰提供了保障。目前，此項技改已在河南龍宇煤化工有限公司的項目中應(yīng)用。