WHG氣化裝置濕洗塔塔盤結垢的原因及優化

(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，利用河南洛陽當地及周邊所產礦煤為生產原料，采用中國五環工程有限公司開發的對煤種適應性較寬的五環爐( WHG) 煤氣化技術。五環爐煤氣化技術采用粉煤加壓、氣流床反應、液態排渣、水冷壁結構的反應室、余熱部分回收的氣化技術。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，2014年12月投料試車，2015年1月打通全流程，2017年12月產出合格乙二醇，2018年氣化爐實現A級連續運行128 d，五環爐實現滿負荷、長周期、穩定運行。

本文主要針對試車期間濕洗塔塔盤結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爐長周期運行的關鍵問題。

1 濕洗系統工藝

濕洗系統工藝流程見圖1，從氣化爐燃燒室送出的高溫粗合成氣在激冷段經激冷壓縮機送出的循環激冷氣干氣激冷后，經輸氣管送往激冷罐，在激冷罐內再次冷卻；出激冷罐的粗合成氣經過文丘里洗滌器使循環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，一部分經過低壓廢熱鍋爐回收熱量，再經激冷氣冷卻塔冷卻及氣液分離，經激冷壓縮機加壓后作為循環激冷氣送往氣化爐激冷段激冷高溫粗合成氣。另一部分經洗滌除灰塔洗滌、鍋爐水和除灰塔循環水充分洗滌除灰后送往后序變換裝置。

圖1 濕洗系統工藝流程注：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面進入，先經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，濕洗塔壓差維持在4 kPa左右，切換為二氧化碳工況后，當系統運行7 d以上時，濕洗塔塔盤開始積灰，部分固閥出現堵塞、結垢，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，造成后序變換系統過濾器嚴重堵塞，無法運行，裝置被迫停車。停車后現場檢查，發現第三、四層塔盤結垢較為嚴重。

3.2 原因分析

(1)五環爐與殼牌爐不同，五環爐沒有飛灰處理單元(殼牌U1500單元)，系統內的飛灰主要通過渣和黑水系統進行排除，整個黑水系統的水質濁度較高，水質較差，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，造成塔盤結垢。

(2)試車時濕洗塔內洗滌水的pH分析值在8.0左右(偏堿性)，在第3層塔盤處設計有堿液添加管線，堿液添加后，堿性環境中灰水的金屬離子(Mg+、Ca+等)與碳酸根離子反應生成MgCO3、CaCO3沉淀，切換二氧化碳工況后，系統合成氣中的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，造成塔盤表面結垢較快。

(4)試車期間使用的煤種灰分較高，使黑水系統水質較差，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境，避免生成MgCO3、CaCO3沉淀。

(3)加強煤質管理，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，不再經過塔盤，直接通入塔釜。原設計的第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節頭直徑增大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

濕洗塔經過一系列改造后，經過近一年時間的實踐驗證，再沒有發生塔盤結垢的情況，濕洗塔壓差始終維持在2～4 kPa之間。打開人孔檢查時發現塔盤表面干凈，沒有結垢現象。自2018年7月開車至今，系統已連續運行128 d，未出現液泛現象，氣化爐實現了長周期、安全、穩定運行，技改取得了圓滿成功。

濕洗塔作為煤氣化裝置的重要設備，對系統的穩定運行起著重要作用，濕洗塔的改造解決了制約五環爐長周期運行的關鍵問題，為五環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用。