閃蒸罐除沫器損壞原因分析與處理措施

李 剛

（國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400）

國能新疆化工有限公司68 萬t/a 煤基新材料項目氣化裝置采用GE 水煤漿氣化技術(shù)，共設(shè)置8 套氣化爐系統(tǒng)，5 開3 備，單套系統(tǒng)投煤量1 500 t/d，2016年建成試車，2017 年達產(chǎn)并投入商業(yè)運行。GE 水煤漿煤氣化工藝系統(tǒng)設(shè)置高壓閃蒸、低壓閃蒸、第一真空閃蒸、第二真空閃蒸四級閃蒸過程，主要處理來自氣化爐激冷室、洗滌塔底部的黑水。黑水經(jīng)減壓后進入高壓閃蒸罐，溶解在黑水中的微量工藝氣體隨水汽一起被閃蒸出來。閃蒸后的黑水由罐底進入下一步閃蒸，同時高壓閃蒸罐內(nèi)的閃蒸氣經(jīng)罐頂?shù)男靼迨匠魉蛛x后進入下一處理單元。其中高壓閃蒸罐內(nèi)的旋流板式除沫器通常在運行60 d 左右就出現(xiàn)旋流板葉片斷裂、損壞，嚴重影響高壓閃蒸罐的正常使用。

通常情況下，設(shè)備內(nèi)件的損壞與設(shè)備的初始設(shè)計、設(shè)備制造與維修、運行操作工況等因素有關(guān)，因此本文針對高壓閃蒸罐除沫器損壞的問題，基于設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，分別對上述幾個因素進行了分析，找出主要原因，并進行了調(diào)整優(yōu)化。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點與除沫器損壞情況

高壓閃蒸罐設(shè)計壓力1.25 MPa，設(shè)計溫度230 ℃，筒體直徑 3 700 mm，總高度 13 010 mm，材質(zhì)為Q345R+S31603 ，其中基材 Q345R 壁厚為 22 mm，復(fù)合層S31603 壁厚為4 mm。在高壓閃蒸罐頂部設(shè)置有旋流板式除沫器，除沫器由Φ1 600 mm×400 mm 的套筒、防爬線、環(huán)板、旋流板組件等部件組成，其中旋流板組件是除沫器的關(guān)鍵部位，由盲板、葉片和罩筒等部件組成，其中葉片是核心部件。高壓閃蒸罐除沫器旋流板組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 高壓閃蒸罐除沫器旋流板組件結(jié)構(gòu)示意圖

通常情況下，GE 水煤漿氣化系統(tǒng)在運行一段時間后需要停車檢修，單系統(tǒng)運行周期一般為60 d 左右，在系統(tǒng)停車檢修時，基本每次都會發(fā)現(xiàn)旋流板葉片與罩筒的根部焊縫、葉片與盲板的焊接點產(chǎn)生明顯的裂紋，嚴重時除沫器上的旋流板葉片、盲板因焊縫斷裂后整體脫落，掉至高壓閃蒸罐底部，堆積在高壓閃蒸罐的底部出水口，造成高壓閃蒸罐無法通過底部排水，只能從側(cè)面進行排水，最終造成高壓閃蒸罐底部堆積大量灰渣，給后續(xù)設(shè)備檢修帶來困難。

2 除沫器旋流板損壞原因分析

2.1 除沫器初始設(shè)計核算分析

除沫器初始設(shè)計時各項基礎(chǔ)工藝參數(shù)如下：氣體負荷（流量）Vs=5 430 m3/h，夾帶液滴量Ls=0.032 m3/s，氣體密度 ρG=5.093 kg/m3，液體密度 ρL=887.59 kg/m3。

除沫器初始設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸如下：旋流板葉片外徑Dx=1 200 mm，盲板外徑 Dm=600 mm，葉片數(shù) m=18 片，葉片仰角 α=25 °，徑向角β=30 °，葉片厚度 δ=3 mm，罩筒高度Hz=100 mm。

根據(jù)除沫器設(shè)計理論，將上述參數(shù)代入式（1）計算穿孔面積A0：

根據(jù)式（2）計算穿孔動能因子F0：

由式（2）可知，穿孔動能因子F0基本滿足10 kg0.5/（m0.5·s）～12 kg0.5/（m0.5·s）的取值規(guī)定要求[1]。說明初始設(shè)計選定的旋流板葉片外徑Dx、盲板直徑Dm、葉片徑向角等值滿足設(shè)計要求。

2.2 設(shè)備運行工況分析

在氣化裝置正常運行過程中，系統(tǒng)高壓閃蒸罐的操作參數(shù)和初始設(shè)計參數(shù)對比見表1。

表1 系統(tǒng)高壓閃蒸罐的操作參數(shù)和初始設(shè)計參數(shù)對比

由表1 可知，設(shè)備沒有出現(xiàn)超溫、超壓現(xiàn)象，但是黑水進料量為設(shè)計值的1.8 倍左右。這是由于在初始工藝系統(tǒng)設(shè)計時，是以新疆紅沙泉煤礦的煤質(zhì)特性為基礎(chǔ)進行的物料核算，但是在商業(yè)運行后，發(fā)現(xiàn)單一的紅沙泉煤種不能滿足生產(chǎn)需求，經(jīng)過多次試驗驗證，采用了新疆紅沙泉煤礦與新疆黑山煤礦的混煤為原料，導(dǎo)致了氣化爐、洗滌塔出來的黑水量與初始設(shè)計相比大幅增加。

在GE 水煤漿氣化工藝中，高壓閃蒸罐的進料黑水分別來自氣化爐和洗滌塔，黑水成分為氣液固三相混合物，進料總量的增加，勢必會導(dǎo)致黑水中氣相組分的增加，同時經(jīng)過閃蒸后還有部分液相轉(zhuǎn)化成氣相。由于現(xiàn)場沒有設(shè)置流量計，無法準確測量高壓閃蒸罐通過除沫器的氣體流量，結(jié)合實際經(jīng)驗和閃蒸原理進行評估，當進料總量為初始設(shè)計值的1.8 倍時，氣相流量約為初始設(shè)計值的1.5 倍，見式（3）：

除沫器旋流板組件的穿孔面積不變，氣體密度不變，核算此時的穿孔動能因子F0′，見式（4）：

此時穿孔動能因子F0′不能滿足10 kg0.5/(m0.5·s)～12 kg0.5/(m0.5·s) 的取值規(guī)定要求。同時通過現(xiàn)場觀察，當高壓閃蒸罐黑水進料量在260 m3/h 時，高壓閃蒸罐頂部的氣流聲音和振動比黑水進料量在320 m3/h時要小得多。

2.3 設(shè)備制造維修分析

為了排除設(shè)備制造維修方面的原因，查閱了該類設(shè)備制造維修的相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)問題。同時為了提高焊接強度，現(xiàn)場還將旋流板葉片的厚度由3 mm 增加至6 mm，并且確認焊接沒有質(zhì)量問題的情況下，運行一個周期后檢查還是出現(xiàn)了損壞情況。

通過上述分析認為，除沫器的初始設(shè)計、設(shè)備制造維修以及旋流板葉片厚度等因素均不是導(dǎo)致旋流板組件損壞的主要原因。分析其主要原因是高壓閃蒸罐氣相負荷大幅增高，葉片在超過設(shè)計允許流量的氣體作用下，旋流板會發(fā)生較為劇烈的振動，最終導(dǎo)致了旋流板焊縫處開裂損壞。

3 處理措施

根據(jù)上述分析，要解決除沫器旋流板葉片斷裂問題，需要降低旋流板的穿孔動能因子F0，而影響穿孔動能因子的參數(shù)有3 個，分別是氣體流量Vs、氣體密度ρG和穿孔面積A0，其中氣體密度在一定的操作溫度和壓力條件下基本不變，可以調(diào)整的是氣體流量和旋流板的穿孔面積。但是在當前裝置的生產(chǎn)條件下，正常生產(chǎn)負荷時高壓閃蒸罐的氣相負荷無法進行大幅度降低，因此只能把增大旋流板的穿孔面積A0作為調(diào)整方向。

根據(jù)上述旋流板穿孔面積A0的計算公式（1）可知，影響穿孔面積的參數(shù)有旋流板葉片外徑Dx、盲板外徑Dm、葉片數(shù)m、葉片仰角α 和葉片厚度δ。

以實際工況條件作為設(shè)計基礎(chǔ)，對除沫器旋流板組件進行重新設(shè)計，同時在保證滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)，盡量減少改動量，減小現(xiàn)場的制作、安裝工作量。

3.1 計算調(diào)整旋流板葉片外徑Dx

利用式（5）計算調(diào)整旋流板葉片外徑Dx：

取整為1.4 m，如按此進行調(diào)整，將對除沫器的套筒、防爬線、環(huán)板等部件進行制作調(diào)整，工作量比較大，并且不利于現(xiàn)場施工。因此決定在不改變旋流板葉片外徑Dx的前提下，對盲板外徑Dm、葉片數(shù)m、葉片仰角α 和葉片厚度δ 等幾個參數(shù)進行試算，最終使旋流板的穿孔動能因子在規(guī)定范圍內(nèi)，初步選取Dx=1 200 mm。

3.2 調(diào)整選取旋流板葉片參數(shù)

一般情況下，選擇葉片仰角 α= 22 °～30 °、葉片數(shù)m 為 12 片 ～24 片、葉片厚度 δ 為 3 mm～6 mm、盲板外徑Dm為0.25Dx～0.56Dx[1]。其中穿孔面積與α 正相關(guān)，與葉片數(shù)m、盲板外徑Dm負相關(guān)，取值時α 盡量選較大值，m、Dm盡量選較小值。而葉片厚度δ 雖然與穿孔面積成負相關(guān)，但是影響較小，為了確保旋流板葉片有較高的焊接強度，選取δ=6 mm。

根據(jù)上述思路，經(jīng)過多次選值試算，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，最終各參數(shù)取值如下：Dm=0.42Dx=0.42×1 200=504 mm（為了便于計算，取整為500 mm）、葉片仰角 α= 30 °、葉片數(shù) m=14 片。

3.3 計算穿孔面積A0

根據(jù)3.2 節(jié)選取的旋流板葉片參數(shù)，對調(diào)整后的旋流板穿孔面積A0進行計算，見式（6）：

3.4 核算穿孔動能因子F0

利用式（7）核算穿孔動能因子F0：

由式（7）計算結(jié)果可知，穿孔動能因子F0滿足10 kg0.5/(m0.5·s)～12 kg0.5/(m0.5·s) 的取值規(guī)定。

3.5 計算調(diào)整旋流板罩筒高度

由于葉片仰角α 由原來的25 °調(diào)整為30 °，盲板外徑Dm由初始設(shè)計的600 mm 調(diào)整為500 mm，葉片數(shù)量從18 片調(diào)整到14 片，旋流板組件罩筒高度Hz和葉片的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。計算時要求葉片邊線與盲板圓相切。

3.5.1 計算葉片徑向角β

利用式（8）計算葉片徑向角β：

3.5.2 計算外沿處葉片間的距離hB

利用式（9）計算外沿處葉片間的距離hB：

3.5.3 計算罩筒高初值hz及增量Δ利用式（10）計算罩筒高初值hz：

為了改善氣液分離效果，當要求外沿處葉片的水平投影相接，罩筒高需在hz的基礎(chǔ)上加一增量Δ，其計算見式（11）：

3.5.4 計算罩筒高度Hz

利用式（12）計算罩筒高度 Hz：

取Hz=0.16 m，即在初始設(shè)計100 mm 的基礎(chǔ)上增加60 mm 即可，安裝時取一塊寬60 mm、厚6 mm 的鋼帶，焊接在原罩筒的頂部即可。調(diào)整后除沫器組件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 調(diào)整后旋流板組件結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 葉片結(jié)構(gòu)尺寸的計算調(diào)整

采用畫圖法計算葉片的實際尺寸，詳細見圖3，圖3 中ACDF 即為葉片。

作圖時，先作出橢圓m 和橢圓z，使他們的短軸和長軸分別重合于X 軸和Y 軸，作橢圓m 的切線AC，以 C 點為圓心，以弦長 L 為半徑，求出 D 點，作切線DF 即可。

圖3 調(diào)整后旋流板葉片結(jié)構(gòu)示意圖

其中橢圓 m 的短、長半軸分別按式（13）、（14）計算：

橢圓 z 的短、長半軸、弦長 L 分別按式（15）、（16）、（17）計算：

3.7 實施后效果

現(xiàn)場實施時，首先在8 臺高壓閃蒸罐中選取了1臺按照上述措施進行實施，在黑水進料量300 m3/h～360 m3/h 運行了73 d 后系統(tǒng)停運檢修，高壓閃蒸罐除沫器旋流板組件未發(fā)現(xiàn)損壞，運行期間各項工藝運行參數(shù)正常，驗證上述措施有效。隨后陸續(xù)對公司剩余7 臺高壓閃蒸罐除沫器旋流板組件進行了調(diào)整，使用效果良好。

4 結(jié) 語

針對高壓閃蒸罐除沫器旋流板組件損壞的問題，分別從初始設(shè)計、制造安裝、工藝運行等方面進行了分析論證，找出了損壞的主要原因，以除沫器旋流板組件設(shè)計理論為依據(jù)，結(jié)合工廠現(xiàn)場的實際情況，以當前運行工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，重新對除沫器旋流板組件的結(jié)構(gòu)進行了核算和調(diào)整，實施后達到了預(yù)期的效果。另外，在進行理論計算時，采用了多次試算的方法，目的是將旋流板組件穿孔動能因子F0值調(diào)整到相對合理。