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，氣化產生的水煤氣經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，最終生產出合格的合成氣供后工序使用。隨著氣化裝置的投運，出現了合成氣含塵量高的問題。停車拆檢洗滌單元的混合器，發現其管道壁面有明顯的結垢現象；調閱DCS運行記錄，發現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)。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，這與檢修混合器發現明顯結垢的現象相吻合。

(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”現象的發生具有重要的作用。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，合成氣帶灰現象有了較大的改觀，旋風分離器底部黑水含固質量分數由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)仍存在一定差距。石油焦霧

化效果不好等因素造成系統灰渣較多，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的優化設計與工程實踐[J].環境工程，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狀與進展[J].過濾與分離，2013(2)：4- 8.