旋風(fēng)分離器在航天爐氣化裝置中的應(yīng)用與優(yōu)化

童維風(fēng)，于振海，韓 偉，秦中良

(安徽泉盛化工有限公司，安徽 定遠(yuǎn) 233290)

1 概 述

安徽泉盛化工有限公司(前身為定遠(yuǎn)縣化肥廠，始建于1969年，2008年7月被安徽晉煤中能化工股份有限公司全資收購(gòu)后更名為現(xiàn)名，簡(jiǎn)稱泉盛化工)是一家以合成氨生產(chǎn)為龍頭集化肥化工產(chǎn)品為一體的化工生產(chǎn)企業(yè)，主要產(chǎn)品有尿素、甲醇、雙氧水等。為淘汰落后產(chǎn)能、提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，泉盛化工2019年10月啟動(dòng)320 kt/a氨醇裝置原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目，改造的核心內(nèi)容是采用先進(jìn)的航天爐粉煤加壓氣化工藝實(shí)現(xiàn)原料路線調(diào)整和工藝技術(shù)升級(jí)——采用HTL-4/S-38/38-Ⅱ/Y型航天爐，單爐投煤量2 000 t/d，氣化爐運(yùn)行壓力4.0 MPa，氣化爐設(shè)計(jì)產(chǎn)氣2 760 km3/d。泉盛化工航天爐粉煤加壓氣化裝置包括磨煤干燥、粉煤加壓及輸送、氣化、渣水處理、公用工程5個(gè)單元。在氣化單元，HTL-4/S-38/38-Ⅱ/Y型航天爐采用4條煤線進(jìn)料，配置2條氧管線，氣化爐開(kāi)工燒嘴與煤燒嘴各自獨(dú)立，點(diǎn)火開(kāi)工采用單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火開(kāi)工一體化油燒嘴，開(kāi)車便捷、靈活，輸煤載氣及保護(hù)氣為高壓CO2氣，提升了氣化裝置的操作彈性，有利于氣化裝置的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；合成氣凈化設(shè)置有旋分除塵器，(粗)合成氣除塵、洗滌更徹底，氣體更潔凈；渣水處理單元采用三級(jí)閃蒸工藝，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備布置和工藝設(shè)計(jì)使閃蒸氣回收系統(tǒng)能量利用更科學(xué)、合理。

泉盛化工320 kt/a氨醇裝置原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目氣化裝置2019年10月開(kāi)工建設(shè)，2022年2月氣化裝置進(jìn)入吹掃、試車階段，2022年6月氣化裝置進(jìn)入聯(lián)動(dòng)調(diào)試、試車階段；2022年7月25日16:30氣化爐點(diǎn)火，當(dāng)日18:34一次投料成功，2022年7月30日18:10氨合成系統(tǒng)接氣，標(biāo)志著裝置全流程打通，正式進(jìn)入開(kāi)車運(yùn)行狀態(tài)；之后經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整，氣化裝置氧負(fù)荷逐漸加至35 000 m3/h，各項(xiàng)指標(biāo)及運(yùn)行參數(shù)正常，總體運(yùn)行平穩(wěn)。

2 旋風(fēng)分離器的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

航天爐粉煤加壓氣化裝置采用傳統(tǒng)的粗合成氣洗滌流程，普遍存在合成氣固含量高、影響洗滌設(shè)備使用壽命、影響激冷水水質(zhì)等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)院通過(guò)Aspen Plus模擬試驗(yàn)在泉盛化工320 kt/a氨醇裝置原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目氣化裝置工藝流程設(shè)計(jì)中增設(shè)了旋風(fēng)分離器，理論上能大幅降低合成氣的含塵量，提高合成氣的洗滌效果；在理論的指導(dǎo)下，旋風(fēng)分離器在泉盛化工航天爐粉煤加壓氣化裝置中得以應(yīng)用，取得了較為明顯的成效。

2.2 氣化裝置工藝流程設(shè)計(jì)

粉煤與氧氣+蒸汽混合氣經(jīng)粉煤燒嘴噴入氣化爐，經(jīng)部分氧化反應(yīng)生成主要成分為CO、H2、CO2的合成氣(另含少量H2S、COS、N2、Ar、CH4等)。未反應(yīng)的熔渣與合成氣一起進(jìn)入激冷環(huán)經(jīng)下降管進(jìn)入激冷室水浴，合成氣被激冷水冷卻并飽和后，向上進(jìn)入上升管和折流板分離器進(jìn)行初步氣液分離，分離后的合成氣經(jīng)文丘里洗滌器增濕除塵(采用高壓灰水)后進(jìn)入旋風(fēng)分離器(旋風(fēng)分離器錐部設(shè)置有沖洗水，以免含固量高的黑水在錐部沉淀而結(jié)垢)，旋風(fēng)分離器分離出的含固量相對(duì)較高的黑水排至高壓閃蒸系統(tǒng)閃蒸處理，經(jīng)分離除塵后相對(duì)清潔的合成氣進(jìn)入洗滌塔，進(jìn)一步洗滌、除塵后較為清潔的合成氣飽和一定的水蒸氣后送入變換系統(tǒng)；合成氣中的熔融態(tài)灰渣沿下降管進(jìn)入激冷室水浴中冷卻固化并落入激冷室底部，經(jīng)破渣機(jī)破碎除去大塊渣后由渣鎖斗排入撈渣機(jī)中。

2.3 旋風(fēng)分離器系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

據(jù)氣化裝置負(fù)荷及物料平衡計(jì)算，旋風(fēng)分離器系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：氣化激冷室(排)黑水溫度217 ℃、壓力4.00 MPa、流量178 m3/h，文丘里洗滌器噴淋水溫度156 ℃、壓力4.83 MPa、流量87 m3/h，旋風(fēng)分離器(排)黑水溫度215 ℃、壓力3.80 MPa、流量185 m3/h，出旋風(fēng)分離器合成氣(含飽和蒸汽)溫度204 ℃、壓力3.80 MPa、流量226 741 m3/h。

2.4 旋風(fēng)分離器系統(tǒng)工藝優(yōu)化調(diào)整

泉盛化工航天爐粉煤加壓氣化裝置開(kāi)車運(yùn)行后，氣化爐氧負(fù)荷維持在35 000 m3/h穩(wěn)定運(yùn)行，旋風(fēng)分離器系統(tǒng)各項(xiàng)工藝控制按照其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)氣化裝置黑水/灰水水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)控分析；雖然運(yùn)行中由于實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況存在偏差，各流量計(jì)的示數(shù)可能存在偏差，但其總體變化趨勢(shì)仍可作為重要的參考依據(jù)。

2.4.1 實(shí)際工藝指標(biāo)控制情況

(1)實(shí)際生產(chǎn)中，氣化激冷室(排)黑水溫度205 ℃、壓力3.95 MPa、流量178 m3/h，文丘里洗滌器噴淋水基本上按照設(shè)計(jì)壓力、溫度、流量進(jìn)行控制——溫度156 ℃、壓力4.75 MPa、流量87 m3/h，受氣化爐熱負(fù)荷的影響，出激冷室的合成氣存在夾帶液態(tài)水的情況(夾帶液體量受氣化爐熱負(fù)荷、原料煤煤質(zhì)、激冷水量等綜合因素的影響)，使得旋風(fēng)分離器排(黑)水(溫度201 ℃、壓力3.75 MPa)必須控制在265 m3/h左右才能維持其液位平衡。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中，氣化激冷室(排)黑水量178 m3/h、文丘里洗滌器噴淋水量87 m3/h、旋風(fēng)分離器排(黑)水量約265 m3/h，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離除塵后的合成氣進(jìn)入洗滌塔進(jìn)一步洗滌除塵，出洗滌塔黑水固含量80 mg/L、出洗滌塔合成氣固含量50 mg/m3(設(shè)計(jì)值≤10 mg/m3)。

可以看到，旋風(fēng)分離器系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在三方面的問(wèn)題：① 出氣化爐激冷室的合成氣存在夾帶液態(tài)水的情況，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器排(黑)水量達(dá)265 m3/h，明顯高于設(shè)計(jì)值185 m3/h；② 洗滌塔排(黑)水固含量80 mg/L，雖然較未設(shè)置旋風(fēng)分離器的航天爐粉煤加壓氣化裝置洗滌塔排(黑)水固含量約300 mg/L有大幅降低，但依然較高，沒(méi)有達(dá)到理想的效果，且目測(cè)洗滌塔排(黑)水較為渾濁，表明旋風(fēng)分離器的分離效果不佳，未能將合成氣中的灰渣等顆粒物有效洗滌、分離，導(dǎo)致洗滌塔出口合成氣固含量≤10 mg/m3的設(shè)計(jì)指標(biāo)未能達(dá)成；③ 激冷水泵從洗滌塔塔釜抽取灰水供氣化爐激冷環(huán)使用，它是航天爐氣化裝置水系統(tǒng)平衡和保障激冷環(huán)和下降管安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，一旦激冷水泵故障或激冷水流量出現(xiàn)大幅波動(dòng)都可能導(dǎo)致停車事件發(fā)生，因此激冷水泵出口流量設(shè)置了安全聯(lián)鎖以確保其穩(wěn)定高效運(yùn)行，而由于旋風(fēng)分離器分離效果不佳，在每月定期倒激冷水泵清理濾網(wǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)上灰垢較多，激冷水泵進(jìn)/出口閥門軌道有積灰現(xiàn)象。總之，需對(duì)旋風(fēng)分離器系統(tǒng)工藝控制參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.4.2 運(yùn)行問(wèn)題原因分析

2.4.2.1出激冷室合成氣夾帶液態(tài)水的原因

氣化爐燃燒室產(chǎn)生的合成氣通過(guò)渣口進(jìn)入激冷室，高溫合成氣在經(jīng)過(guò)激冷環(huán)和下降管時(shí)被激冷水激冷，大量的激冷水被汽化；激冷室內(nèi)部的下降管和上升管一般有30%～50%處于激冷室的液位內(nèi)，汽化后的蒸汽和合成氣一并沿下降管進(jìn)入激冷室的水浴中，經(jīng)水浴后沿上升管出液面離開(kāi)氣化爐進(jìn)入下一設(shè)備。由于合成氣溫度高，具有汽化激冷水的能量，同時(shí)合成氣流速的變化又具備了夾帶液態(tài)水的能量，就會(huì)出現(xiàn)出氣化爐合成氣帶水的現(xiàn)象。雖然合成氣出氣化爐前其中的大部分液態(tài)水經(jīng)激冷室折流板被分離下來(lái)，但還是會(huì)有一部分液態(tài)水被合成氣帶出氣化爐，通過(guò)文丘里洗滌器進(jìn)入旋風(fēng)分離器中。出激冷室合成氣夾帶少量液態(tài)水屬正?，F(xiàn)象，但當(dāng)出激冷室合成氣夾帶大量液態(tài)水并被帶入旋風(fēng)分離器的話，就需要加大旋風(fēng)分離器的排(黑)水來(lái)維持其液位平衡了。

2.4.2.2出洗滌塔合成氣固含量超標(biāo)的原因

航天爐中粉煤與氧氣燃燒后產(chǎn)生的高溫合成氣和灰渣，首先通過(guò)激冷室經(jīng)激冷水洗滌，因而激冷室(排)黑水固含量是最高的、水質(zhì)也是最差的，如激冷室(排)黑水量不足、合成氣固含量過(guò)高超出旋風(fēng)分離器的處理能力，或文丘里洗滌器噴淋水流量偏小而達(dá)不到理想的增濕除塵效果，就會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)分離器分離效果不佳，入洗滌塔的合成氣固含量偏高，最終導(dǎo)致出洗滌塔合成氣固含量超標(biāo)。

2.4.3 工藝控制參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

從理論上講，加大激冷室(排)黑水量以減小旋風(fēng)分離器的處理負(fù)荷，同時(shí)增大文丘里洗滌器的噴淋水量以提高合成氣的增濕除塵效果，有利于固體顆粒在旋風(fēng)分離器中沉降下來(lái)，降低合成氣的含固量，優(yōu)化合成氣氣質(zhì)。

增大激冷水量可以有效排出合成氣初次洗滌產(chǎn)生的含固量較高的黑水，加大激冷室(排)黑水量可以有效改善旋風(fēng)分離器進(jìn)口合成氣氣質(zhì)，降低其運(yùn)行負(fù)荷。激冷室黑水的排量受激冷水流量及氣化爐激冷室合成氣帶水量等因素的影響，激冷水流量一般固定后不再隨意調(diào)整，激冷室合成氣帶水量則受原料煤煤質(zhì)、氣化爐熱負(fù)荷等因素影響，一般不易人為控制或調(diào)整；控制激冷室液位的常規(guī)手段是通過(guò)調(diào)整氣化爐激冷室黑水排量來(lái)實(shí)現(xiàn)，為控制激冷室液位在安全、合理的區(qū)間，激冷室黑水排量也不能過(guò)大，在一定負(fù)荷下激冷室液位穩(wěn)定可控的工況下，需摸索最大限度提高激冷室黑水排量。

增加文丘里洗滌器噴淋水量可提高增濕除塵效果，加速合成氣中固體顆粒的沉降，但噴淋水量過(guò)大會(huì)使文丘里洗滌器系統(tǒng)阻力增加，影響氣化裝置(或旋風(fēng)分離器系統(tǒng))壓力，故文丘里洗滌器噴淋水量也并非越大越好，需尋找一個(gè)最佳值。

在上述工藝控制參數(shù)優(yōu)化調(diào)整思路指導(dǎo)下，逐步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整過(guò)程中在洗滌塔合成氣出口取冷凝水樣進(jìn)行分析以觀察調(diào)整效果——在氣化爐氧負(fù)荷37 000 m3/h的工況下，氣化激冷室(排)黑水量由設(shè)計(jì)值178 m3/h逐步調(diào)整至300 m3/h，文丘里洗滌器噴淋水量由設(shè)計(jì)值87 m3/h逐步調(diào)整至120 m3/h，旋風(fēng)分離器排(黑)水量由設(shè)計(jì)值185 m3/h逐步調(diào)整至260 m3/h左右。

2.4.4 優(yōu)化效果

旋風(fēng)分離器系統(tǒng)工藝控制參數(shù)經(jīng)上述優(yōu)化調(diào)整后，取得了明顯的效果：① 系統(tǒng)水質(zhì)及氣質(zhì)方面，洗滌塔排(黑)水固含量由優(yōu)化前的80 mg/L降至優(yōu)化后的20 mg/L，洗滌塔出口合成氣固含量由優(yōu)化前的50 mg/m3降至優(yōu)化后的10 mg/m3，洗滌塔出口合成氣固含量達(dá)到設(shè)計(jì)值，表明旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效運(yùn)行；② 重要設(shè)備運(yùn)行方面，由于洗滌塔洗滌水水質(zhì)得到明顯改善，激冷水泵運(yùn)行穩(wěn)定，倒泵清理濾網(wǎng)時(shí)未發(fā)現(xiàn)有明顯的灰垢，激冷水泵進(jìn)/出口閥門軌道無(wú)明顯積灰現(xiàn)象，進(jìn)/出口閥開(kāi)關(guān)自如。

3 結(jié)束語(yǔ)

鑒于航天爐粉煤加壓氣化裝置常規(guī)的合成氣洗滌流程存在合成氣固含量高、影響洗滌設(shè)備使用壽命、影響激冷水水質(zhì)等問(wèn)題，泉盛化工原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初就在氣化裝置設(shè)置了旋風(fēng)分離器，并針對(duì)投運(yùn)后因旋風(fēng)分離器分離效果不佳導(dǎo)致的洗滌塔排水水質(zhì)和出口合成氣氣質(zhì)較差等問(wèn)題，工藝上通過(guò)不斷地優(yōu)化調(diào)整，在不同負(fù)荷下控制適宜的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了旋風(fēng)分離器的穩(wěn)定運(yùn)行和良好的分離效果，為激冷水泵提供了優(yōu)質(zhì)的水源，確保了激冷環(huán)、激冷水泵等設(shè)備的良好運(yùn)行，保障了航天爐粉煤加壓氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。