粗煤氣洗滌的工藝研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志祥

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

目前，水煤漿氣化裝置制得的粗煤氣往往需要經(jīng)過(guò)包括洗滌塔水浴、塔板等在內(nèi)的多次洗滌除塵后，再經(jīng)變換、凈化系統(tǒng)等處理后用作如甲醇、乙二醇、合成氨、二甲醚等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原料氣。而我國(guó)部分地域性煤炭煤質(zhì)由于成分的復(fù)雜性與特殊性，高灰分、高灰熔點(diǎn)的煤炭占有較大比例，使得氣化反應(yīng)后生產(chǎn)的粗煤氣在洗滌工藝中存在著除塵效果差、洗滌水水質(zhì)差、往后系統(tǒng)帶水帶灰嚴(yán)重等問(wèn)題，導(dǎo)致洗滌后的粗煤氣含塵率偏高、帶灰嚴(yán)重，很大程度上制約著煤化工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。因此，在當(dāng)今我國(guó)大力倡導(dǎo)綠色、環(huán)保發(fā)展的大背景下，很有必要對(duì)粗煤氣洗滌工藝進(jìn)行研究，并對(duì)其工藝流程或洗滌設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以利于氣化裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 粗煤氣洗滌工藝概述

水煤漿氣化工藝的反應(yīng)條件為高溫 （1350℃左右）、高壓 （6.5MPa左右），氣化反應(yīng)產(chǎn)生的粗煤氣中的有效成分主要為CO和H2，而粗煤氣成分復(fù)雜，工業(yè)上往往需要對(duì)粗煤氣進(jìn)行多次洗滌后才送往后系統(tǒng)。具體工藝流程：氣化爐來(lái)粗煤氣首先經(jīng)過(guò)文丘里洗滌器噴淋 （增濕增重），接著粗煤氣從洗滌塔中部進(jìn)入，經(jīng)洗滌塔水浴和四層固閥式塔盤(pán)凈化除塵后，經(jīng)洗滌塔上部的旋流板后于洗滌塔頂部出口送至下游變換系統(tǒng)；洗滌塔底部的洗滌黑水送至氣化閃蒸系統(tǒng)處理；洗滌塔水浴中上部較潔凈的水，大部分被激冷水泵加壓送至激冷環(huán)作激冷水，小部分送至文丘里洗滌器作為洗滌水。

2 粗煤氣洗滌系統(tǒng)存在的問(wèn)題

灰分偏高的原料煤，氣化產(chǎn)生的粗煤氣中含塵量相對(duì)較高，同樣的工藝條件下，洗滌效率變化不大，經(jīng)洗滌后的粗煤氣含塵量就會(huì)隨之增大，洗滌水固含量也隨之增大。而粗煤氣含塵量的增大給后系統(tǒng)帶來(lái)的危害是巨大的，如變換催化劑活性大大降低以及管線(xiàn)、設(shè)備堵塞等；洗滌水中固含量的增加，不僅會(huì)增加氣化水處理系統(tǒng)（閃蒸系統(tǒng)）的負(fù)擔(dān)，更是對(duì)洗滌水輸送管線(xiàn)、流量調(diào)節(jié)閥及閃蒸罐等設(shè)備的一大考驗(yàn)。

以某公司氣化裝置為例，裝置正常運(yùn)行5a來(lái)，粗煤氣洗滌系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大大小小的很多問(wèn)題，其中，2015年、2016年、2017年最近3a管線(xiàn)堵塞和磨損及泄漏次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 粗煤氣洗滌系統(tǒng)管線(xiàn)堵塞、磨損及泄漏問(wèn)題統(tǒng)計(jì) 次

由于氣化灰水是循環(huán)使用的，如果氣化閃蒸系統(tǒng)對(duì)黑水不能進(jìn)行有效地處理，加之氣化工況苛刻，往往會(huì)出現(xiàn)粗煤氣含塵率偏高、氣化灰水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重及管線(xiàn)磨損加劇等問(wèn)題，繼而大大縮短氣化灰水系統(tǒng)的運(yùn)行周期和設(shè)備的使用壽命，甚至迫使氣化爐停車(chē)。

3 粗煤氣洗滌系統(tǒng)問(wèn)題分析與探討

由表1可以看出，在粗煤氣洗滌系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題中，洗滌水排放管線(xiàn)堵塞、磨損和激冷水泵泵頭密封損壞等問(wèn)題尤為突出，以下著重對(duì)這三方面的問(wèn)題進(jìn)行原因分析。

3.1 洗滌水排放管線(xiàn)堵塞

氣化裝置在穩(wěn)定生產(chǎn)的情況下，洗滌塔底部排水管線(xiàn)一般不會(huì)出現(xiàn)堵塞。當(dāng)工況不穩(wěn)定時(shí)，如氣化爐開(kāi)、停車(chē)過(guò)程中，因氣化裝置溫度的驟變以及設(shè)備的振動(dòng)，可能會(huì)使設(shè)備內(nèi)壁上的大塊垢片脫落而帶至洗滌塔底部，或氣化裝置大幅度調(diào)整負(fù)荷而工藝條件不能及時(shí)匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度波動(dòng)偏大，抑或灰水處理系統(tǒng)故障導(dǎo)致洗滌水流量調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉等，都會(huì)導(dǎo)致洗滌塔底部有大塊垢片沉積或集聚，再加上洗滌塔排水管線(xiàn)原始設(shè)計(jì)管徑偏小、彎頭較多，在洗滌黑水排至氣化閃蒸系統(tǒng)的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)管線(xiàn)堵塞、調(diào)節(jié)閥卡澀等問(wèn)題。

3.2 洗滌水排放管線(xiàn)磨損

氣化裝置因工藝需要采用框架布置，洗滌水排放管線(xiàn)上的彎頭較多，從洗滌塔底部至閃蒸罐有近10個(gè)彎頭，彎頭的設(shè)置導(dǎo)致洗滌水在排水管內(nèi)的流動(dòng)近乎湍流，其中含有的大量固體顆粒對(duì)管壁造成沖刷磨損，尤其是在流量調(diào)節(jié)閥處，流體壓力從6.0MPa以上減至1.0MPa以下的過(guò)程中，大量固體顆粒因洗滌水降壓而析出，洗滌水中的固體顆粒對(duì)管線(xiàn)造成劇烈的沖刷磨損。

3.3 激冷水泵泵頭密封損壞

目前，該公司氣化裝置的激冷水泵采用機(jī)械密封，后系統(tǒng)凈化裝置來(lái)的低溫 （40℃）、高壓（8.7MPa）變換冷凝液作為激冷水泵的密封水，以保護(hù)機(jī)封。由表1可以看出，平均每年氣化裝置激冷水泵泵頭因磨損造成機(jī)械密封泄漏達(dá)50次左右。而對(duì)于高溫高壓離心泵 （如激冷水泵）而言，從工藝角度看，機(jī)械密封泄漏主要受以下因素的影響。

（1）激冷水泵長(zhǎng)周期運(yùn)行的影響。激冷水泵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子在軸向上的竄量增加，軸與輔助密封的過(guò)盈量增加，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)與軸的摩擦力增大，進(jìn)而使得動(dòng)、靜環(huán)的磨損得不到位移補(bǔ)償［1］；另外，泵軸的周期性徑向振動(dòng)也會(huì)大大影響激冷水泵機(jī)械密封的使用壽命。

（2）工作介質(zhì)中固含量及雜質(zhì)的影響。激冷水中的細(xì)小固體顆粒在機(jī)械密封的彈性元件失效后會(huì)隨著激冷水進(jìn)入密封端面之間，造成密封端面的劃傷，破壞密封端面的緊密貼合度，進(jìn)而造成機(jī)械密封泄漏；另外，介質(zhì)中的雜質(zhì)或垢物還造成機(jī)械密封彈性元件堵塞而失效，失去彈性的彈性元件無(wú)法給予動(dòng)環(huán)應(yīng)有的軸向補(bǔ)償，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏。

（3）激冷水泵密封水的影響。主要是指凈化裝置來(lái)變換冷凝液的水質(zhì)和密封沖洗水水量的影響。變換冷凝液水質(zhì)變差會(huì)導(dǎo)致密封端面磨損；密封沖洗水水量偏小會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封端面的熱量不能及時(shí)、完全地被帶走。而密封端面的冷卻和潤(rùn)滑效果不良均會(huì)引起干磨，導(dǎo)致密封端面磨損泄漏。

（4）其他方面的問(wèn)題。如泵體本身的問(wèn)題［2］（軸發(fā)生彎曲變形、葉輪口環(huán)磨損等）和泵檢修及安裝質(zhì)量方面的問(wèn)題等。

4 粗煤氣洗滌工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

就該公司氣化裝置激冷水泵機(jī)封磨損問(wèn)題而言，主要是因?yàn)榧だ渌|(zhì)及密封水水質(zhì)方面的問(wèn)題，現(xiàn)主要針對(duì)激冷水水質(zhì)的改善，探討如何進(jìn)行粗煤氣洗滌工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鑒于目前粗煤氣洗滌系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文著重從粗煤氣洗滌設(shè)備——洗滌塔入手，對(duì)洗滌塔設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升粗煤氣的洗滌效率，進(jìn)而改善粗煤氣洗滌過(guò)程中出現(xiàn)的上述問(wèn)題。在對(duì)粗煤氣洗滌工藝和洗滌塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，主要包括以下2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 （筆者等人已申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利）。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一

如圖1所示，洗滌塔采用頂部進(jìn)氣、內(nèi)置氣液分離器［3］的結(jié)構(gòu)，洗滌水采用環(huán)管組噴淋，一級(jí)洗滌水和二級(jí)洗滌水各自設(shè)置獨(dú)立排放口，并且在激冷水泵入口處添加適應(yīng)高溫環(huán)境的分散劑。頂部進(jìn)氣的設(shè)計(jì)有利于粗煤氣在下降管中進(jìn)行充分地重力沉降；內(nèi)置新增氣液分離器有利于洗滌塔洗滌水 （水質(zhì)）的分級(jí)；噴淋環(huán)管組的設(shè)計(jì)，可提高粗煤氣中灰塵的濕潤(rùn)程度；一級(jí)洗滌水和二級(jí)洗滌水獨(dú)立排放，以及分散劑的加入，有利于循環(huán)洗滌水水質(zhì)的改善，可大大緩解系統(tǒng)的結(jié)垢及堵塞。本洗滌塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，旨在解決現(xiàn)有水煤漿氣化裝置中出現(xiàn)的灰水水質(zhì)差、用水量大、靈活性差、粗煤氣往后系統(tǒng)帶水帶灰嚴(yán)重等問(wèn)題。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一之洗滌塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本優(yōu)化設(shè)計(jì)可大大降低粗煤氣中的灰塵含量及其他非有效組分含量，提高氣體的凈化效率和洗滌塔的操作彈性，大大節(jié)約氣化用水量。本方案的提出，對(duì)于煤炭或其他原料氣化裝置中氣體的洗滌除塵也具有一定的參考意義。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二

如圖2所示，本洗滌塔的結(jié)構(gòu)包括一種對(duì)稱(chēng)旋流撞擊進(jìn)氣口、內(nèi)置一級(jí)洗滌器、升氣罩環(huán)形撞擊板和雙排液口［4］，以及用于提供降溫除塵噴淋水的激冷水泵。旨在解決現(xiàn)有水煤漿氣化裝置中出現(xiàn)的用水量大、系統(tǒng)水質(zhì)差、設(shè)備磨損嚴(yán)重及粗煤氣往后系統(tǒng)帶水帶灰嚴(yán)重等問(wèn)題。

氣化裝置產(chǎn)生的粗煤氣于洗滌塔中部進(jìn)入，較為特別的是其設(shè)置了對(duì)稱(chēng)布置的4個(gè)旋流入口，且進(jìn)氣管與下降管具有一定的軸向夾角α和水平夾角β，以利于粗煤氣中固體顆粒的碰撞、粘合、增大；旋流撞擊后粗煤氣中的大部分固體顆粒于一級(jí)洗滌水排放口排出，粗煤氣則繼續(xù)經(jīng)下降管與上升管環(huán)隙，于升氣罩的環(huán)形撞擊板處進(jìn)行二次撞擊，使粗煤氣得到進(jìn)一步凈化，之后粗煤氣再經(jīng)洗滌塔塔盤(pán)洗滌和旋流板除塵后送至后系統(tǒng)。粗煤氣在下降管與上升管洗滌場(chǎng)所內(nèi)的洗滌水經(jīng)一級(jí)排放口排出，另一部分洗滌場(chǎng)所的洗滌水經(jīng)二級(jí)排放口排出。本工藝設(shè)計(jì)可使粗煤氣除塵主要發(fā)生在第一洗滌場(chǎng)所內(nèi)，一級(jí)洗滌水內(nèi)固含量也會(huì)高些，一、二級(jí)洗滌水獨(dú)立排放的設(shè)計(jì)有利于提高激冷水水質(zhì)。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二之洗滌塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)將大大改善粗煤氣洗滌工藝中存在的如管線(xiàn)磨損嚴(yán)重、堵塞，以及因激冷水進(jìn)入機(jī)封密封腔導(dǎo)致摩擦副磨損進(jìn)而造成機(jī)封泄漏頻發(fā)等問(wèn)題。本設(shè)計(jì)也可為高灰分、高灰熔點(diǎn)的煤炭、石油焦及其他固體原料氣化產(chǎn)生的粗煤氣的洗滌提供一種思路。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，粗煤氣洗滌系統(tǒng)的頻發(fā)問(wèn)題主要是洗滌水排放管線(xiàn)堵塞嚴(yán)重、管線(xiàn)磨損以及激冷水泵機(jī)封泄漏等，影響著氣化裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。而采用本文提出的2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 （之一），可大大提高粗煤氣的洗滌效率，較好地克服氣體帶水帶灰嚴(yán)重等問(wèn)題，提高氣化爐的操作彈性，延長(zhǎng)氣化裝置的運(yùn)行周期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

當(dāng)然，要解決現(xiàn)有粗煤氣洗滌工藝存在的問(wèn)題，除了考慮洗滌塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還需從原料、藥劑 （灰水系統(tǒng)添加）、氣化過(guò)程、檢修等方面進(jìn)行攻關(guān)，以最大程度地發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，確保氣化裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］郝陽(yáng)洋.高溫高壓多級(jí)離心泵機(jī)封泄漏原因及改造 ［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2015（13）：85－86.

［2］于兆峰，白曉磊.高溫?zé)崴脵C(jī)封泄漏原因分析 ［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011（10）：150.

［3］李志祥，劉 澤，周 鵬，等.一種用于粗煤氣的洗滌機(jī)構(gòu)：201721019550［P］.2017.

［4］李志祥，馮長(zhǎng)志，周 鵬，等.一種粗煤氣凈化裝置：2017210233914［P］.2017.