干煤粉激冷氣化變換裝置除灰實踐分析

解政鼎，鄭渤星，張煥照

（1.中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012；2.長慶油田伴生氣綜合利用項目部，陜西 西安 710018）

現(xiàn)代煤化工項目多數(shù)采用氣流床氣化技術(shù)，出氣化爐的粗合成氣中飛灰含量比較高，且其中含有大量未轉(zhuǎn)化的炭粒[1]。不論氣化技術(shù)采用廢熱鍋爐流程還是激冷流程，一般都需要控制去下游的粗合成氣中飛灰質(zhì)量濃度不大于1 mg/m3[2]。但由于洗滌系統(tǒng)設(shè)計問題或其他原因，導(dǎo)致粗煤氣除塵不徹底，實際運行灰含量會高出設(shè)計值[3]，其中含有的飛灰容易附著在催化劑表面[4]，或者堵塞床層[5]，影響下游變換裝置的正常運行。通常需要從兩方面解決該問題，一是優(yōu)化氣化裝置除塵、洗滌單元的設(shè)計[6-7]，從源頭降低飛灰夾帶量，例如增設(shè)文丘里洗滌器、鼓泡塔等；二是變換裝置要有應(yīng)對措施，降低飛灰對下游工序的影響。

本文以采用干煤粉激冷氣化技術(shù)的某煤制烯烴改造項目和某新建煤炭間接液化項目為例，介紹了兩個項目在變換裝置入口分別采用多因子旋風(fēng)子母分離器和前置廢熱鍋爐+ 高效葉片分離器進行粗煤氣除灰的生產(chǎn)實踐，以供參考。

1 多因子旋風(fēng)子母分離器除灰

某煤制烯烴項目采用干煤粉激冷氣化技術(shù)，粗煤氣經(jīng)變換調(diào)節(jié)氫碳比后，在低溫甲醇洗裝置脫硫脫碳，然后凈化氣進入甲醇合成裝置，生產(chǎn)MTO 級甲醇。變換裝置采用絕熱變換，粗煤氣進界區(qū)后先經(jīng)過預(yù)熱器升溫，預(yù)熱后的粗煤氣進入保護床，脫除粗煤氣中夾帶的氯離子等有害組分，脫除雜質(zhì)后的粗煤氣進入變換反應(yīng)器，局部流程示意圖如圖1 所示。

圖1 某煤制烯烴變換工藝局部流程示意圖

該項目開車僅半個月，變換裝置就出現(xiàn)了粗煤氣預(yù)熱器堵塞、保護床壓降升高等情況，導(dǎo)致變換裝置難以正常運行。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，由于氣化來的粗煤氣帶灰嚴重，導(dǎo)致粗煤氣預(yù)熱器的換熱管和保護床堵塞，為此進行了針對性的除灰改造。

1.1 堵塞原因分析

該項目粗煤氣量約為120 萬m3/h，其中灰質(zhì)量濃度為10 mg/m3，遠遠超出設(shè)計時粗煤氣飛灰質(zhì)量濃度不超過1 mg/m3的要求。項目粗煤氣灰總量約為96 t/a，約合320 m3/a，帶灰量的顯著增大是導(dǎo)致粗煤氣預(yù)熱器堵塞的直接原因，而根本原因在于該氣化工藝粗煤氣洗滌工段的洗滌除塵作用不明顯，大量的飛灰夾帶在粗合成氣中進入變換裝置，由于溫降，飽和態(tài)的粗合成氣中飛灰隨凝液吸附在管壁上和吸附劑的上層，導(dǎo)致變換裝置壓降增大，影響了變換裝置的正常運行。

1.2 改造方法

檢修時發(fā)現(xiàn)，上游原料氣分離罐里洗滌水濁度較高，含有絮凝膠狀灰塵；粗煤氣預(yù)熱器換熱管內(nèi)壁附著大量的灰塵，保護床床層上部積聚了大量的細灰。

改造思路：從減少粗煤氣飛灰夾帶和降低堵塞率兩方面著手改造。一方面提高分離效率，減少飛灰夾帶，從根本上降低進入變換裝置的飛灰；另一方面盡可能降低飛灰堵塞換熱管的可能性。

1.2.1 減少飛灰夾帶

經(jīng)調(diào)研和技術(shù)比選，選擇了在粗煤氣預(yù)熱器前增設(shè)旋風(fēng)分離器的方案。在對旋風(fēng)分離器廠家和應(yīng)用業(yè)績進行考察后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器不能滿足該項目改造需求，主要原因為：（1）傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器尺寸過大，且分離效率低，需要多個設(shè)備串、并聯(lián)運行，投資大，且現(xiàn)有改造空間不足；（2）傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器操作彈性窄，分離效率對流體動量變化敏感，流體流速低時難以有效分離輕、重兩相，流體流速高時則容易出現(xiàn)“返混”；（3）傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器抗沖擊負荷性能差。

最終選擇了多因子旋風(fēng)子母分離器。該分離器包括分離筒體和內(nèi)件，筒體內(nèi)部設(shè)置入口分離總成、級間動能動量再分配空間、級間輕相導(dǎo)流裝置、動力學(xué)反射流多因子旋風(fēng)子母分離組件（旋風(fēng)子堆）、沉降管系統(tǒng)、防輕相返混系統(tǒng)、重相排放系統(tǒng)幾部分。通過分離總成對混合相中的重相進行脫除，并對流體動能動量進行一次分配；級間動能動量再分配空間通過流道的膨大空間，使輕相軸向流突然大幅減速，進而使分離筒體橫截面各流體微元速度差進一步縮小，提升了抗重相沖擊工況性能；重相排放系統(tǒng)用來密閉且穩(wěn)定排送收集到的重相。

與傳統(tǒng)分離器相比，多因子旋風(fēng)子母分離器的優(yōu)點在于：（1）提升了抗重相沖擊工況性能，可很好地適應(yīng)該項目粗煤氣夾帶大量固體飛灰的工況；（2）輕相流不易“短路”（未經(jīng)過分離就直接排出），抗“返混”和“二次攜帶”性能有明顯提升，分離效率穩(wěn)定，處理能力強，可確保下游工藝裝置長期穩(wěn)定運行；（3）操作彈性好，由于是多臺氣化爐對應(yīng)一個系列的變換裝置，存在1 臺氣化爐檢修或故障的工況，粗煤氣負荷變化較大，該分離器可以很好地適應(yīng)這一變化。該分離器還具有相同工況下節(jié)省投資、相同投資下高產(chǎn)的特性，適宜該項目改造需求。

實際選用的多因子旋風(fēng)子母分離器內(nèi)設(shè)94 組分離內(nèi)件，＞8 μm 的重相攜帶質(zhì)分離效率達 99.9%，5 μm～8 μm 的重相攜帶質(zhì)的分離效率可達到99%，而傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器需要大約4 級串聯(lián)才能達到15 μm 分離精度，這極大節(jié)省了改造費用和空間；且其運行壓降很小，一般在 2 kPa～15 kPa。

粗煤氣進入多因子旋風(fēng)子母分離器，氣流進入按流體動力學(xué)模型特殊設(shè)計分布的多因子旋風(fēng)子堆，多因子旋風(fēng)子堆可以大幅提升液滴在離心力場分離效率。從多因子旋風(fēng)分離段分離出來的液體，夾帶著大量飛灰直接進入分離器底部的貯液區(qū)，實現(xiàn)了飛灰與粗合成氣的分離；貯液區(qū)的液位高度由液位控制閥自動控制，安全可靠，分離下來的液體返回氣化；氣體從多因子旋風(fēng)分離段頂部出來，匯合后進入下游。

1.2.2 防止堵塞

經(jīng)多因子旋風(fēng)子母分離器除塵后的粗煤氣已經(jīng)脫除了99.9%的飛灰，進入粗煤氣預(yù)熱器。為防止長時間運行后粗煤氣中殘留的飛灰堵塞粗煤氣預(yù)熱器換熱管，在此處也進行了針對性改造：在粗煤氣預(yù)熱器前增設(shè)1 臺靜態(tài)混合器，通過往粗合成氣中加入少量中壓過熱蒸汽，將合成氣的溫度提高10 ℃，合成氣由飽和態(tài)變?yōu)檫^熱態(tài)，這樣可以使進入換熱器的合成氣為干態(tài)氣體，不易凝結(jié)飛灰、黏附堵塞換熱管道。某煤制烯烴變換工藝流程改造示意圖見圖2（虛線內(nèi)為改造新增部分）。

圖2 某煤制烯烴變換工藝流程改造示意圖

改造前每半個月需對粗煤氣預(yù)熱器進行一次高壓水槍清洗，2011 年完成改造后不再需要清洗，實現(xiàn)了變換裝置的長周期穩(wěn)定生產(chǎn)，大大提高了項目的生產(chǎn)效率和效益。

2 前置廢熱鍋爐+氣液分離除灰

前述煤制烯烴項目的變換裝置采用了高水氣比變換工藝，沒有設(shè)置前置廢熱鍋爐。近年來隨著低水氣比變換工藝的廣泛應(yīng)用，變換裝置普遍設(shè)置了前置廢熱鍋爐來降低粗合成氣的水氣比，同時利用“前置廢熱鍋爐+氣液分離”達到除灰的目的。

某煤炭間接液化項目采用前述干煤粉激冷氣化技術(shù)，后接耐硫變換工藝。原料氣本身的水氣比（摩爾比）為1.0 左右，變換工序只需保證水氣比（摩爾比）在0.7～0.9，就能滿足工藝條件對出口CO 指標的要求，故在變換爐前設(shè)置廢熱鍋爐，利用廢熱鍋爐調(diào)整原料氣的水氣比，使變換反應(yīng)的深度易于控制。與高水氣比變換工藝相比，該項目實施低水氣比變換工藝，至少可以節(jié)省蒸汽700 t/h，經(jīng)濟效益提升明顯。同時，采用前置廢熱鍋爐將多余的水分去掉，可以對原料氣起到二次凈化的作用，變換部分無需再設(shè)置脫毒槽，節(jié)省脫毒槽和保護劑費用，減少裝置的運行成本。

該項目的變換裝置分為變換和未變換兩部分，粗合成氣進入變換裝置后，一部分進入變換部分的前置廢熱鍋爐，副產(chǎn)低壓蒸汽后，進入變換氣第一水分離器；另一部分粗合成氣去往未變換部分，同樣先進入一個低壓蒸汽廢熱鍋爐，副產(chǎn)低壓蒸汽后，粗合成氣進入未變換氣第一水分離器。進入這兩個分離器的介質(zhì)都帶有灰塵，物料較臟，且是氣液固三相，飛灰大部分混入了液相，少量殘留在氣相里。為防止灰塵等臟物料堵塞分離器內(nèi)件，設(shè)計時對分離器內(nèi)件進行了比選，主要比較了傳統(tǒng)絲網(wǎng)和新式高效分離葉片。

傳統(tǒng)絲網(wǎng)的工作原理：夾帶有液滴的氣體以一定速度上升通過絲網(wǎng)時，液滴與絲網(wǎng)細絲發(fā)生碰撞而被附著在細絲的表面上，由于細絲的可潤濕性，在液體表面張力及細絲毛細管效應(yīng)的聯(lián)合作用下，液滴逐漸聚結(jié)長大，直到聚結(jié)的液滴大到其自身所產(chǎn)生的重力超過氣體的上升力與液體表面張力的合力時，液滴就從細絲上分離掉落，經(jīng)分離器底部收集。

高效葉片分離器的工作原理：（1）氣液兩相入口的進料緩沖裝置可以幫助減小氣液兩相流體進入分離器的動能，同時可以移除氣體中所夾帶的大尺寸液滴；（2）夾帶液滴的氣體一旦進入高效分離葉片的通道，將被葉片立即分離成多個區(qū)域，氣體在通過各個區(qū)域過程中被葉片強制進行多次快速的流向轉(zhuǎn)變，在離心力的作用下，氣體中所夾帶的液滴從氣流中分離出來；（3）被分離出來的液滴與葉片發(fā)生多次動能碰撞，液滴附著在葉片表面后通過聚結(jié)效應(yīng)形成液膜；（4）附著在葉片表面的液膜在自身重力、液體表面張力和氣體動能的聯(lián)合作用下，被推入葉片的夾層，并在夾層中匯流成股，通過重力沉降流入到葉片下方的積液槽進行收集；（5）最終經(jīng)過凈化處理的、不再含有夾帶液滴的干凈氣體從葉片后端流出。

高效葉片分離器可以100%去除8 μm 及以上尺寸的液滴，液體總脫除率大于99.99%；前置聚結(jié)裝置可以將 5 μm～8 μm 尺寸的液滴聚結(jié)到 8 μm 以上，然后被后方的葉片脫除，從而實現(xiàn)5 μm 及以上尺寸液滴的100%脫除。高效葉片分離器的操作壓降僅0.3 kPa～0.4 kPa，無操作彈性上限。雖然其沒有在變換裝置上應(yīng)用過，但在其他領(lǐng)域氣液分離工藝得到了廣泛應(yīng)用，如壓縮機級間罐、天然氣處理、三相分離器、蒸汽脫水等領(lǐng)域。

經(jīng)過論證，采用高效分離葉片設(shè)計所需要的分離罐殼體尺寸比采用傳統(tǒng)絲網(wǎng)設(shè)計小30%～40%，意味著更低的投資建設(shè)成本和更小的占地空間。高效葉片分離器由光滑的不銹鋼片壓制而成，本身不易損壞和堵塞，其日常操作維護和停車檢修成本低，使用壽命也超過傳統(tǒng)的絲網(wǎng)。

該項目最終選用了高效立式葉片分離器，在入口增設(shè)高效進料預(yù)處理元件，在葉片前方設(shè)置一組噴頭用于定期噴淋，洗掉臟污，防止葉片堵塞。項目投產(chǎn)至今已有4 a，運行效果良好，前置廢熱鍋爐和后接氣液分離器從未發(fā)生過堵塞，也未更換內(nèi)件。

3 結(jié)論和建議

3.1 多因子旋風(fēng)子母分離器的分離效果優(yōu)于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器，在煤制烯烴改造項目中，采用多因子旋風(fēng)子母分離器后，粗煤氣預(yù)熱器再未因為積聚飛灰導(dǎo)致堵塞。不論新建項目還是改造項目，采用該分離器均是去除飛灰的適宜選擇。

3.2 前置廢熱鍋爐是一種非常有效的除灰手段，降低水氣比的同時，起到了凈化粗合成氣的作用，一舉兩得，適用于大部分變換裝置。

3.3 對于合成氨等項目，或者粗合成氣水氣比已經(jīng)很低的情況，變換裝置無需設(shè)置前置廢熱鍋爐來降低水氣比，此時可以采用多因子高效旋風(fēng)分離器+ 提高粗合成氣干度等方法，來去除飛灰、防止下游裝置堵塞。