五環(huán)爐濕洗塔塔盤結(jié)垢的原因分析及解決方案

杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱“龍宇煤化工”)二期40萬t/a醋酸項目配套氣化裝置采用五環(huán)爐干煤粉氣化工藝提供濕法洗滌合成氣,濕洗塔是合成氣濕法洗滌的最關(guān)鍵設(shè)備。但在五環(huán)爐氣化裝置運行期間,發(fā)現(xiàn)濕洗塔塔盤存在結(jié)垢的問題,結(jié)垢嚴重時裝置會出現(xiàn)合成氣帶液和液泛的情況,嚴重影響后系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,會造成五環(huán)爐氣化裝置被迫停車,制約五環(huán)爐氣化裝置的長周期運行。針對如何解決五環(huán)爐氣化裝置濕洗塔塔盤的結(jié)垢問題,本文進行深入研究。

1 濕洗系統(tǒng)工藝流程

從五環(huán)爐激冷罐來的粗合成氣進入濕洗系統(tǒng)洗滌,首先合成氣通過濕洗塔前的文丘里洗滌器與循環(huán)水充分混合,出文丘里洗滌器的氣水混合物進入濕洗塔的底部,合成氣從濕洗塔底部水層中溢流進入各層塔盤,與濕洗塔內(nèi)的洗滌水逆流充分接觸,達到合成氣除塵、降溫、除酸性氣體的目的。粗合成氣通過濕洗塔頂部除沫器后,含塵量應(yīng)控制在<1 mg/Nm3,送到下游工序。濕洗塔循環(huán)水中含有一定濃度的固體顆粒,需要排至閃蒸系統(tǒng),用來降低循環(huán)水中的灰含量和酸性氣含量。濕洗系統(tǒng)工藝流程見圖1。

2 濕洗塔在運行中的問題

五環(huán)爐濕洗塔原設(shè)計有四層固閥塔盤,塔盤洗滌水有兩股:一股來自閃蒸系統(tǒng)的除氧器通過高壓灰水泵,送至濕洗塔的第三、四層塔盤(從上往下計算),補水量約為280 Nm3/h,高壓灰水壓力為4.6 MPa,溫度約為135 ℃;另外一股是工藝水,補水量約為30 Nm3/h,溫度約為60 ℃。在五環(huán)爐氣化裝置運行中發(fā)現(xiàn),濕洗塔運行兩個月左右時壓差上漲達到10 kPa以上,出現(xiàn)明顯帶液現(xiàn)象,洗滌效果變差,影響下游裝置安全運行,嚴重時五環(huán)爐氣化裝置被迫停車檢修,制約裝置長周期運行(見圖2)。濕洗塔塔盤結(jié)垢成為制約五環(huán)爐氣化裝置的瓶頸問題,為了實現(xiàn)五環(huán)爐裝置的長周期、安全運行,需要有效解決濕洗塔的塔盤結(jié)垢問題。

圖2 濕洗塔運行期間壓差趨勢

3 濕洗塔塔盤結(jié)垢的原因分析及解決方案

3.1 塔盤結(jié)構(gòu)形式

在檢查因壓差過高而多次停車的濕洗塔后發(fā)現(xiàn),濕洗塔的第三、四層塔盤堵塞比較嚴重,這是造成濕洗塔壓差高的主要原因。原設(shè)計的塔盤是固閥塔盤,固閥塔雖有鼓泡均勻、液面梯度低、流動方向性好、壓降低等優(yōu)點[1],但五環(huán)爐采用濕法除灰,合成氣中帶灰量大,易造成濕洗塔塔盤積泥和結(jié)垢。

采用高效抗堵塔盤代替原固閥塔盤是一種理想的改造方案。龍宇煤化工經(jīng)過對多種塔盤形式進行對比,并與生產(chǎn)廠家反復溝通、核算確保洗滌效果的情況,最終與河北某大學合作,將第三、第四層改為立體傳質(zhì)塔盤[2](見圖3)。立體傳質(zhì)塔盤具有抗堵效果好、消泡性能好、操作彈性大、效率高等優(yōu)點。第三、四層改為立體傳質(zhì)塔盤后,運行周期達到預期,未再出現(xiàn)因濕洗塔塔盤結(jié)垢而導致五環(huán)爐氣化裝置被迫停車的情況。

圖3 改造后的立體傳質(zhì)塔盤

3.2 工藝流程優(yōu)化

原設(shè)計中,濕洗塔入口文丘里的洗滌水是濕洗塔底部循環(huán)水泵回流的黑水,在濕洗塔洗滌過合成氣的黑水濁度高達700NTU,水質(zhì)較差,易造成文丘里噴頭堵塞,文丘里內(nèi)部有結(jié)垢,影響文丘里內(nèi)捕捉合成氣中細灰的能力。閃蒸來的高壓灰水濁度只有60NTU左右,由這股閃蒸來的灰水代替原設(shè)計的循環(huán)黑水作為文丘里的洗滌水(見圖4)。文丘里的洗滌效果大幅提升,大量的細灰在濕洗塔的塔釜水浴中被除去,到達濕洗塔塔盤的合成氣中的灰量減少,降低了濕洗塔塔盤堵塞的概率。

圖4 文丘里洗滌水改為高壓灰水

3.3 工藝操作措施優(yōu)化

3.3.1煤種煤質(zhì)的控制

對濕洗塔塔盤上的垢片多次取樣分析發(fā)現(xiàn),垢片的主要成分是CaO,MgO。垢片的成分主要來源于五環(huán)爐煤氣化裝置用煤,其中,煤種灰分影響比較大。為研究煤種灰分對濕洗塔結(jié)垢的影響,筆者收集五環(huán)爐使用不同灰分煤種的運行數(shù)據(jù),并對其進行對比(見表1)。

表1 使用不同灰分煤種時濕洗塔壓差的趨勢情況

通過對五環(huán)爐使用不同灰分煤種的情況進行分析,可以得出如下結(jié)論:控制煤種的灰分在16%～20%時,濕洗塔不易結(jié)垢,有利于實現(xiàn)長周期運行。灰分過高,易造成濕洗塔塔盤結(jié)垢,壓差上漲無法實現(xiàn)長周期運行?；曳诌^低,雖有利于控制濕洗塔結(jié)垢,但影響五環(huán)爐的爐膛掛渣,對五環(huán)爐穩(wěn)定運行有影響。單一煤種不易滿足五環(huán)爐的用煤要求,不同灰分的煤是通過兩元配煤或三元配煤來實現(xiàn)的。

3.3.2灰水阻垢分散劑加入量的控制

五環(huán)爐采用干煤粉氣化工藝,氣化爐飛灰量大,灰分顆粒直徑小,濕法除灰形成的灰水中灰分含量是其他種類氣化裝置的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。五環(huán)爐灰水具有高溫、高壓、高濁度、高硬度、高堿度等特點,容易產(chǎn)生沉積、結(jié)垢。灰水的水質(zhì)分析情況如下:≤1 μm約10%～20%;≤2 μm約25%～40%;≤5 μm約45%～80%;≤10 μm約60%～90%;≤20 μm約75%～95%;≤75 μm約97%;≤250 μm約99%。因此,灰水阻垢分散劑的選型和加入量也是防止?jié)裣此P結(jié)垢的主要因素。

灰水阻垢分散劑由專業(yè)廠家提供,已針對五環(huán)爐煤氣化裝置高壓灰水做過選型實驗。理論上,阻垢分散劑的用量越大,阻垢效果越好[3],但隨著阻垢分散劑的用量增大,長周期運行后會出現(xiàn)設(shè)備管道腐蝕、減薄、泄漏的情況,輔材費用也隨之增加。結(jié)合五環(huán)爐氣化裝置幾次長周期運行的情況來看,灰水阻垢分散劑投加濃度控制在180 mg/L左右比較合適,若煤種灰分偏高時,可以適當提高灰水阻垢分散劑的投加濃度。

3.3.3灰水pH值的控制

工藝控制方案:每4 h對灰水進行取樣分析,當灰水中Ca2+、Mg2+含量偏高時,控制灰水的pH值在5～7,抑制碳酸鹽垢片形成;當灰水中的SiO2含量較高時,可將灰水的pH值控制在7～8,使灰水呈弱堿性,抑制硅酸鹽結(jié)垢形成。龍宇煤化工五環(huán)爐氣化裝置常用配煤會造成灰水中的Ca2+、Mg2+含量偏高,灰水的pH值一般控制在6左右。

3.3.4黑水處理系統(tǒng)循環(huán)回用濕洗塔水質(zhì)的控制

五環(huán)爐煤氣化裝置的黑水經(jīng)過處理后得到澄清液,通過機泵再送至濕洗塔洗滌合成氣。澄清液的濁度控制直接影響濕洗塔洗滌水(又稱高壓灰水)的水質(zhì),濁度越高,濕洗塔壓差上漲趨勢明顯,易造成濕洗塔塔盤上結(jié)垢[4]。筆者根據(jù)不同濁度時濕洗塔壓差的趨勢變化,來判斷濁度對塔盤的影響。觀察實驗方法:在五環(huán)爐氣化裝置正常運行情況下,控制黑水處理系統(tǒng)澄清液濁度為200NTU,150NTU,100NTU,50NTU,10NTU,各觀察10 d濕洗塔壓差變化趨勢(見表2),根據(jù)濕洗塔壓差變化情況判斷濁度對濕洗塔塔盤結(jié)垢的影響。

表2 澄清液濁度和壓差變化對塔盤結(jié)垢的影響

實驗結(jié)論如下:①澄清液濁度越高,濕洗塔壓差上漲越快,塔盤越容易結(jié)垢;②澄清液濁度控制得越低越好,但濁度控制太低也會增加PAM使用量,造成生產(chǎn)成本增加,同時,加入過量的PAM影響黑水處理系統(tǒng)的污泥分離設(shè)備的正常運行。一般將澄清液濁度控制在50NTU左右比較合適。

4 小結(jié)

通過改造濕洗塔設(shè)備,將濕洗塔塔盤第三、四層改造為立體傳質(zhì)塔盤;通過優(yōu)化工藝(包括煤種灰分控制在18%左右,灰水分散劑投加濃度控制在180 mg/L左右,灰水的pH值控制在6左右,澄清液濁度控制在50NTU左右),基本解決了濕洗塔塔盤結(jié)垢造成五環(huán)爐煤氣化裝置停車的問題,創(chuàng)造了五環(huán)爐氣化裝置連續(xù)A級運行288 d(因電儀問題停車)的紀錄。

5 結(jié)語

濕洗塔塔盤結(jié)垢是采用濕法除灰系統(tǒng)的氣化裝置存在的共性問題,龍宇煤化工解決五環(huán)爐氣化裝置濕洗塔塔盤結(jié)垢的方案,對同類裝置具有一定的借鑒意義。