水煤漿氣化裝置混合器改造總結

王德勝，丁盼盼

(寧波中金石化有限公司 浙江寧波 315203)

寧波中金石化有限公司氣化裝置以石油焦為氣化原料，氣化產(chǎn)生的水煤氣經(jīng)洗滌單元后進入廢熱鍋爐回收余熱，再通過換熱器降溫、降濕后進入MDEA脫硫裝置，最終生產(chǎn)出合格的合成氣供后工序使用。隨著氣化裝置的投運，出現(xiàn)了合成氣含塵量高的問題。停車拆檢洗滌單元的混合器，發(fā)現(xiàn)其管道壁面有明顯的結垢現(xiàn)象；調閱DCS運行記錄，發(fā)現(xiàn)混合器進出口壓差以1.5 kPa/d的速率增長，嚴重影響了氣化裝置的穩(wěn)定運行。針對此狀況，對混合器進行了改造。

1 洗滌單元簡介

來自氣化爐激冷室的飽和水煤氣與來自黑水循環(huán)泵的黑水在混合器內混合，使水煤氣中夾帶的固體顆粒完全潤濕并被除去，然后水與水煤氣的混合物進入旋風分離器。在旋風分離器內，氣相中的大部分細灰進入液相(31 m3/h，173 ℃，1.4 MPa)，黑水送黑水處理工段。出旋風分離器的水煤氣進入水洗塔的塔板下部，水煤氣向上穿過塔板，與塔中部來自蒸發(fā)熱水塔的高溫灰水、塔上部加入的鍋爐水和來自熱回收裝置的冷凝液逆流直接接觸，洗滌剩余的固體顆粒，同時伴隨著水煤氣降濕、相變及灰水升溫等過程。水煤氣在水洗塔頂部經(jīng)旋流板除沫器除去夾帶的霧沫，使水氣比達到約0.92、含塵質量濃度<1 mg/m3(標態(tài))。水煤氣洗滌單元工藝流程如圖1所示。

2 混合器的改造

2.1 改造前混合器簡介

圖1 水煤氣洗滌單元工藝流程

圖2 改造前混合器結構

圖3 洗滌水噴頭

改造前混合器結構如圖2所示。洗滌水流入混合器內的噴頭(圖3)后，在噴頭內形成水膜，由于洗滌水管及套管的存在，濕煤氣被加速并與旋轉水膜進行動量交換，洗滌水被霧化，再由噴頭霧化噴出。在套管段中，煤氣保持高速流動，液滴與液滴之間、液滴與灰粒之間劇烈碰撞，此時凝并大于分裂，液滴得以長大，為獲得下游良好的旋風分離效果奠定了基礎。

2.2 改造后混合器簡介

改造后混合器(圖4)主要由收縮段、喉管和擴散段3部分組成，除塵過程分為霧化、凝聚和除霧3個階段，其中霧化和凝聚在文丘里管內進行，除霧在旋風分離器內完成[1]。

在文丘里管中，捕塵體均為液滴和液膜，氣液兩相接觸表面是液滴和液膜表面。用液滴捕集含塵氣體中的粉塵粒子涉及到慣性碰撞、攔截、擴散力、離心力、重力等沉降捕塵機理，但對于粒徑大于0.5 μm的粉塵粒子，在沒有強電場力作用下，主要捕塵機理是慣性碰撞[2]。含塵氣體進入收縮段后流速增大，進入喉管時流速達到最大值；洗滌液在收縮段和喉管中被霧化為細小的液滴后進入洗滌水噴頭，氣液兩相間相對流速很大，氣體完全被液體所飽和，塵粒表面附著的氣膜被沖破，使塵粒被液體潤濕，因此在塵粒與液滴或塵粒之間發(fā)生劇烈的碰撞、凝聚。在擴散段，氣體速度逐漸降低，壓力逐漸回升；由于慣性影響，液滴速度可能高于氣速，使這種以塵粒為凝結核的凝聚作用發(fā)生得更快，并形成直徑較大的含塵液滴。

圖4 改造后混合器結構

2.3 混合器改造前后說明

與改造前相比，改造后的混合器有以下幾點不同。

(1) 內部管件改成了文丘里管，相當于增加了擴散段。由于改造前混合器內沒有擴散管，一方面氣流保持著高流速，隨著時間的延長，聚集的塵粒和液滴也逐漸變大，從而導致摩擦力增大，影響了聚集物的速度(與文丘里管不同，聚集物的速度可能會低于氣流速度)，造成聚集效率下降；另一方面，氣流夾帶著聚集物流出內部管件后，管徑的突然增大導致氣流速度急劇下降，聚集物由于質量大，故慣性也比較大，依然保持著較高速度且方向有一定的隨意性，這就容易造成管壁結垢，這與檢修混合器發(fā)現(xiàn)明顯結垢的現(xiàn)象相吻合。

(2) 洗滌水噴頭前管壁上增設了2圈螺旋狀金屬擋板，其目的是為了提高洗滌水的湍流程度，再配合洗滌水噴頭，有利于水的霧化。

(3) 在原混合器的基礎上增設了2 m長的延長管，便于以塵粒為凝結核的凝聚作用時間延長，以便充分凝聚成直徑較大的含塵液滴，同時也減輕了旋風分離器的負荷，特別在負荷波動較大時起到了很好的緩沖作用。

2.4 混合器的工藝改造

改造前，混合器洗滌水由水洗塔下部的黑水通過黑水循環(huán)泵補給，因此洗滌水本身較臟、細渣較多，影響了混合器的除塵效果。由于混合器洗滌水水質較差、高溫灰水至洗滌塔儀表閥的開度較小、高溫灰水泵出口壓力高，僅運行1個月就造成儀表閥后管壁嚴重磨損，為此將混合器補水改為高溫灰水。由于高溫灰水壓力高、湍流程度大，利于霧化，而且解決了儀表閥后管壁磨損嚴重的問題，同時滿足了混合氣使用清潔水的要求。此外，再配置1路鍋爐水(2.2 MPa，120 ℃)至混合器的管路作為備選措施，若出界區(qū)的合成氣帶灰仍較嚴重時，可使用更為清潔的鍋爐水。

3 混合器至旋風分離器入口下傾角度的調整

旋風分離器為加壓設備，如采用切向進口則投資巨大。為使氣流沿分離器筒體旋轉，將濕煤氣進口管伸入旋風分離器內(圖5)，以達到進氣作切向運動的目的。

圖5 旋風分離器進口管布置

濕煤氣進口管設有端部法蘭并與旋風分離器進口法蘭連接，進口管自器壁到端部的距離為450 mm，沿管道母線剖去一半。其端部用柱面圓形蓋焊封，該封件應能從入口移出以便于維修，其厚度為30 mm。因其受氣流中固體沖刷而易損壞，檢修時應予以更換。為了使旋風分離器內氣體穩(wěn)定旋轉，該封件應保證周邊光滑，防止毛刺干擾流場。為使氣流相對水平面產(chǎn)生向下傾角，進氣管剖去半柱面所得矩形法線與水平面夾角呈60°且向下。水煤氣沿旋風分離器筒壁旋轉，在離心力的作用下，液滴及其包裹的細灰被甩至筒壁，而筒壁內側已被水潤濕，易于捕獲液滴，在重力的作用下液膜沿壁流至分離器下部的儲液槽。氣體不斷旋轉，先是自上而下，探底后折返向上旋轉，經(jīng)排氣管逸出旋風分離器，因液體密度遠大于氣體密度，所以在上述旋轉過程中均有分離效果。正常操作時，由于氣流旋轉，相應地拉動儲液槽內液體旋轉，細灰相對集中于旋風分離器中心線附近并自灰水出口排出。

旋風分離器入口下傾角對改善旋風分離器的分離性能、降低能耗并有效減輕“上灰環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)生具有重要的作用。入口下傾角也不是越大越好，隨著入口下傾角的增大，旋風分離器的壓力損失降低，分離效率先升高后降低[3]。根據(jù)計算，將旋風分離器入口下傾角由60°調整至45°。旋風分離器入口下傾角調整前后示意見圖6。

圖6 旋風分離器入口下傾角調整前后示意

4 結語

混合器改造完成后，合成氣帶灰現(xiàn)象有了較大的改觀，旋風分離器底部黑水含固質量分數(shù)由1.5%提高至2.0%，說明混合器和旋風分離器除塵效果有了較大提高，但與設計指標含塵質量濃度<1 mg/m3(標態(tài))仍存在一定差距。石油焦霧

化效果不好等因素造成系統(tǒng)灰渣較多，這與水煤氣含塵量高有較大關系。為此，還應該繼續(xù)探索，以便徹底解決水煤氣含塵量高的問題。

參考文獻

[1] 郝吉明，馬廣大，王書肖.大氣污染控制工程 [M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1985：59.

[2] 胡金榜，陳志強，宗潤寬，等.文丘里洗滌器除塵操作參數(shù)的優(yōu)化設計與工程實踐[J].環(huán)境工程，1999(5)：35- 38.

[3] 田曉慶，何宏舟.旋風分離器入口結構影響的研究現(xiàn)狀與進展[J].過濾與分離，2013(2)：4- 8.