文丘里洗滌器在凈化粗煤氣中的應(yīng)用及優(yōu)化

徐 煜，李淑華，普繞華

（云南先鋒化工有限公司，云南 尋甸 655204）

文丘里洗滌器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、占地面積小、操作和維修方便，以及凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)。文丘里洗滌器對(duì)細(xì)粉塵具有較高的凈化效率，且對(duì)高溫氣體的降溫也有很好的效果，適宜凈化高溫、易燃、易爆及有害氣體的降溫和除塵，缺點(diǎn)是壓力損失大［1］。

云南先鋒褐煤潔凈化利用試驗(yàn)示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“云南先鋒項(xiàng)目”）以當(dāng)?shù)氐碗A褐煤為原料，主要生產(chǎn)甲醇、汽油、LNG、LPG、硫酸等產(chǎn)品。該項(xiàng)目采用固定床熔渣氣化技術(shù)為氣頭，生產(chǎn)甲醇合成的原料氣，主要組分為CO、CO2、H2、CH4。因氣化原料為高水分 （Mt：35% ～38%）、高揮發(fā)分 （Var：～38%）、高灰分（Aar：12% ～25%）、熱穩(wěn)定性差的低階褐煤，因此固定床熔渣氣化出口粗煤氣的水分含量高，且含塵、含油。該粗煤氣需設(shè)置高效、多功能的洗滌裝置。

云南先鋒煤氣化裝置的粗煤氣洗滌系統(tǒng)，采用三級(jí)文丘里洗滌對(duì)粗煤氣進(jìn)行洗滌除塵、降溫、除濕。

1 粗煤氣洗滌系統(tǒng)簡(jiǎn)介

粗煤氣洗滌系統(tǒng)主要包括：一級(jí)文丘里洗滌器（1）、一級(jí)文丘里洗滌器（2）、二級(jí)文丘里洗滌器（1）、二級(jí)文丘里洗滌器（2）、三級(jí)文丘里洗滌器（1）、三級(jí)文丘里洗滌器（2）、洗滌循環(huán)泵等設(shè)備。采用三級(jí)串聯(lián)模式（見圖1），洗滌水在噴淋過程中吸熱溫度升高，粗煤氣洗滌降溫形成飽和煤氣。飽和煤氣中的水蒸氣，在后續(xù)一氧化碳變換過程中得以消耗，達(dá)到降低煤氣化廢水處理量及節(jié)能的目的。

圖1 粗煤氣洗滌系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1.1 粗煤氣洗滌系工藝流程簡(jiǎn)述

氣化爐出口的粗煤氣在一級(jí)文丘里洗滌器（1）進(jìn)行第一次洗滌并降溫，粗煤氣溫度降至195℃左右，粗煤氣中的酚類、焦油及顆粒得到初步分離。

隨后煤氣再進(jìn)入二級(jí)文丘里洗滌器（1）和三級(jí)文丘洗滌器（1）進(jìn)一步洗滌和分離。一級(jí)文丘里洗滌器高濃洗滌水送至后系統(tǒng)除塵、回收洗滌水中的油酚類產(chǎn)品，三級(jí)相對(duì)潔凈的洗滌水通過洗滌循環(huán)泵循環(huán)使用。

在各級(jí)洗滌分離器底部的排液管線中設(shè)置沖洗管線，利用沖洗管線定期對(duì)排液管線進(jìn)行沖洗，防止排液管線堵塞。粗煤氣經(jīng)洗滌、冷卻、分離，送至后續(xù)工序。

2 文丘里洗滌系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題

粗煤氣洗滌系統(tǒng)自2013年底運(yùn)行以來，出現(xiàn)文丘里洗滌系統(tǒng)阻力過大的現(xiàn)象，表1給出處理粗煤氣洗滌系統(tǒng)阻力分布情況。

表1 粗煤氣洗滌系統(tǒng)阻力分布情況

由表1可知，粗煤氣洗滌系統(tǒng)主要阻力集中在二級(jí)文丘里洗滌器上。二級(jí)文丘里洗滌器壓力降高達(dá)135 kPa，占了該系統(tǒng)67.5%的阻力。

2.1 二級(jí)文丘里洗滌器設(shè)計(jì)參數(shù)

二級(jí)文丘里洗滌器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，運(yùn)行中氣體組成見表3。

表2 二級(jí)文丘里洗滌器原參數(shù)

表3 實(shí)際運(yùn)行過程中氣體組分（mol%）

2.2 二級(jí)文丘里洗滌器阻力大的原因

1）液氣比過高

一級(jí)文丘里洗滌器主要用于粗煤氣降溫，并進(jìn)行初步除塵洗滌，液氣比為14.5 L／m3。二級(jí)文丘里洗滌器承擔(dān)著洗滌除塵的作用，因而洗滌水量設(shè)置加大，洗滌水約為一級(jí)文丘里洗滌器的3倍，液氣比高達(dá)54.80 L／m3。粗煤氣經(jīng)過二級(jí)文丘里洗滌器后相對(duì)潔凈，三級(jí)文丘里洗滌器起輔助洗滌降溫作用，洗滌水僅為二級(jí)文丘里洗滌器的1／4。

2）洗滌水水質(zhì)相對(duì)較差

二級(jí)文丘里洗滌器洗滌水全部采用洗滌循環(huán)泵出口水進(jìn)行洗滌（見圖1），洗滌水為洗滌系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)水，水質(zhì)含塵、油等，水質(zhì)相對(duì)新鮮洗滌水水質(zhì)較差。

3）喉管喉徑過小

二級(jí)文丘里洗滌器原有喉管喉徑偏小（150 mm），通過喉徑的相對(duì)氣速較快，阻力增加。

2.3 粗煤氣洗滌系統(tǒng)優(yōu)化

從粗煤氣洗滌系統(tǒng)流程配置上看，二級(jí)文丘里洗滌器承擔(dān)著洗滌除塵的作用。為保證文丘里洗滌系統(tǒng)的效果，首先必需確保二級(jí)文丘里洗滌器的洗滌效果。

從系統(tǒng)流程圖來看，粗煤氣洗滌系統(tǒng)流程配置不宜調(diào)整，而受后系統(tǒng)新鮮洗滌水供應(yīng)限制，又無法將二級(jí)文丘里洗滌器洗滌水改為相對(duì)潔凈的新鮮洗滌水。因此，降低粗煤氣系統(tǒng)阻力，必須從二級(jí)文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)上著手。

文丘里洗滌器壓力損失主要由喉管部分產(chǎn)生。從施工周期、難度及成本等多方面綜合考慮，確定了重新設(shè)計(jì)優(yōu)化二級(jí)文丘里洗滌器喉管部分結(jié)構(gòu)，是降低阻力、解決粗煤氣洗滌系統(tǒng)阻力過大最為經(jīng)濟(jì)可行的途徑。

3 二級(jí)文丘里喉管優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 壓力損失計(jì)算

文丘里管的壓力損失是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。在進(jìn)行文丘里洗滌器設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)推薦使用計(jì)算壓力損失的方法主要有兩種，一種方法推薦使用Hesketh經(jīng)驗(yàn)公式［4-6］：

式中：ΔP為文丘里管的壓力損失，Pa；νgt為喉管處的氣流速度，m／s；At為喉管的截面積，m2；ρg為氣體密度，kg／m3；Lg為液氣比，L／m3。

另一種方法推薦使用公式［7-8］：

式中：K1為干氣體通過文氏管（不噴水）時(shí)的阻力系數(shù)，取決于其結(jié)構(gòu)尺寸與加工精度，K1＝0.177～0.340；K2為水時(shí)的阻力系數(shù)，Lg＝0.55～1.0 L／m3，氣流方向與液體噴射方向一致時(shí)，K2＝（0.89～0.34）Lg。

本文采用公式（1）進(jìn)行文丘里洗滌器壓力損失設(shè)計(jì)計(jì)算。二級(jí)文丘里洗滌器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)見表4，5。

表4 二級(jí)文丘里洗滌器設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 氣體組分

3.2 二級(jí)文丘里喉管工藝計(jì)算

粗煤氣洗滌系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力損失為100～150 kPa。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算條件為：二級(jí)文丘里洗滌器壓力損失＜30 kPa。由此相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1）可計(jì)算出喉管截面積：

解得，喉管截面積At＝0.0582 m2，喉管直徑d2≈273 mm。

3.3 二級(jí)文丘里喉管優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際工況條件下，理論計(jì)算喉管直徑273 mm可滿足30 kPa壓降要求。工程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一定的安全系統(tǒng)，結(jié)合二級(jí)文丘里洗滌器殼體限制條件，最終確定二級(jí)文丘里洗滌器喉管尺寸為：?290×200。優(yōu)化設(shè)計(jì)后二級(jí)文丘里相關(guān)參數(shù)見表6。

表6 優(yōu)化后二級(jí)文丘里洗滌器參數(shù)

4 優(yōu)化后運(yùn)行效果

云南先鋒煤氣化裝置項(xiàng)目的粗煤氣洗滌系統(tǒng)的二級(jí)文丘里洗滌器喉管由?150×200優(yōu)化改造為?290×200前后阻力對(duì)比見表7。改造后，二級(jí)文丘里洗滌器阻力38 kPa，與理論計(jì)算接近。

表7 優(yōu)化改造前后粗煤氣洗滌系統(tǒng)阻力對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

首臺(tái)二級(jí)文丘里洗滌器喉管改造工作于2015年1月完成，二級(jí)文丘里洗滌器喉管優(yōu)化改造后，粗煤氣洗滌系統(tǒng)阻力降由200 kPa至98 kPa，減少了51%。首臺(tái)二級(jí)文丘里洗滌器優(yōu)化改造成功后，煤氣化裝置其余7臺(tái)二級(jí)文丘里洗滌器喉管相繼改造為?290×200，運(yùn)行過程中最高阻力約140 kPa，均能滿足粗煤氣洗滌系統(tǒng)運(yùn)行壓力損失100～150 kPa設(shè)計(jì)要求。