煤氣化裝置在線分析儀表預處理系統優化改造

劉成亮

（中海石油華鶴煤化有限公司，鶴崗154100）

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴公司）年產520 kt 尿素項目是典型的煤化工裝置之一。其煤氣化裝置設有3 臺氣化爐，以水煤漿和氧氣為原料，采用GE 水煤漿氣化工藝技術制氫，再通過氫與氮合成氨，最終轉化為尿素。煤氣化裝置在線分析預處理系統在使用中，因無法將樣氣中的水分、雜質和副產物進行合格處理，致使堵塞取樣管路和閥件，損壞分析儀及附屬配件。針對煤氣化合成氣工藝介質特點及樣品處理系統使用中的問題，華鶴公司通過2年多來對在線分析預處理系統的優化改造，實現了在線分析儀系統能夠長周期安全、穩定、可靠的運行。

1 煤氣化合成氣工藝過程及樣品特點

水煤漿和O2在溫度1350 ℃，壓力6．5 MPa（G）左右的條件下，在爐內進行氣化反應，生成以H2和CO 為主要成分的粗合成氣，經洗滌塔冷卻洗滌后的合成氣送至下游裝置。

煤氣化合成氣是高溫、高壓、高含水且高粉塵含量的介質，其壓力為6.3 MPa，溫度240 ℃；其組分包括（體積分數）：58.09%H2O，0.05%NH3，18.29%CO，15.95%H2，7.18%CO2，0.09%CH4，0.05%Ar，0.11%N2，0.12%H2S，0.004%COS，0.02%O2。該樣品氣的特點是壓力大、溫度高、含水量大、含粉塵量大、組分復雜[1]。

2 在線分析儀及樣品預處理系統的設計

煤氣化合成氣在線分析儀表能否長周期正常平穩地運行，關鍵在于樣品預處理系統的設計是否合理。根據煤氣化合成氣樣品的特點，預處理系統必須對樣品氣進行減壓、降溫、除液態水、除塵以及去除影響測量的副產物，使樣品符合在線分析儀表的進樣要求。

在線分析表取樣點的位置一般設置在洗滌塔出口，主要分析合成氣中CH4，CO，CO2，H2，H2S，Ar及O2的含量。由于3 套氣化爐洗滌塔出口粗合成氣含量組分以及其工藝狀況全部相同，不存有相互干擾的情況。華鶴公司采用1 臺四級桿質譜分析儀（3流路），進行CO，CO2，H2，H2S，Ar 及O2多組分氣體測量，在一定程度上降低了成本。此外，每臺氣化爐還單獨設置1 臺紅外分析儀進行CH4含量檢測，以便及時對氣化爐操作溫度進行判斷[2]。

在線分析儀表對樣品的要求很高。要求樣品壓力不能過大，溫度不能過高，不能帶液態水，不能帶粉塵。其在線分析儀預處理系統一般分為2 級：一級預處理系統安裝在取樣點旁，主要用于對樣品進行減壓、降溫、除去大量的液態水和粉塵；二級預處理系統安裝在分析小屋預處理柜中，主要用于二次去除水汽、粉塵，嚴格控制樣品溫度、壓力及流量[3]。

3 處理系統存在問題及優化改造

華鶴公司煤氣化裝置自2015年5月開車以來，合成氣在線分析儀預處理系統多次進水和粉塵雜質，堵塞、損壞取樣管線及管閥件，危害質譜分析儀和紅外分析儀，導致在線分析儀系統運行故障，故障處理異常困難。華鶴公司通過2年多的運行實踐，結合現場實際的環境工況，截止2017年8月在線分析儀預處理系統先后完成3 次技術改造。優化改造后的預處理系統，完全克服了煤氣化合成氣粉塵大、水量多、溫度高、組分復雜的不足[4]。

3.1 一級預處理系統改造

煤氣化合成氣原一級預處理系統如圖1 所示，普遍存在比較差的除水、除塵能力。冷卻裝置一般采用旋風渦流制冷，或者采用獨立的循環水單盤管冷卻，無法使樣品中大部分的水冷卻下來并及時排放掉，粉塵等雜質也無法進行合理的粗過濾，導致在線分析儀系統頻繁性的進水、進粉塵雜質現象。

圖1 煤氣化合成氣原一級預處理系統Fig.1 Original primary pretreatment system of coal gasification syngas

針對煤氣化合成氣原一級預處理系統，創新發明了高壓水冷自過濾技術并應用于取樣探頭裝置。其基本設計思路是“冷卻回流取樣”，即采用循環水冷卻辦法，把煤氣化合成氣中的水分冷凝下來，冷凝液在流回工藝管道時洗滌樣品中的顆粒物粉塵和其他雜質，從而實現系統的自清洗并使樣品氣得到凈化。過濾段采用自制“濾絲球”過濾器，可以有效合理地進行粗過濾且免維護。高壓水冷自過濾取樣裝置如圖2 所示。

圖2 優化改造后的一級預處理系統Fig.2 Optimized and reformed primary pretreatment system

圖中，來自工藝管線的循環冷卻水進入冷卻器，通過列管式換熱器冷卻樣品，使合成氣中大量的水攜帶著粉塵雜質冷凝為液體，順著立管回流到工藝管線中。由于煤氣化合成氣中含水量大，冷凝下來的水足以形成足夠的反沖洗能力來反洗樣品氣及過濾器。

在實際運行中發現，通過冷卻過濾洗滌的樣品中，仍存在少量的粉塵顆粒和微量氨鹽副產物，粉塵顆粒、氨鹽副產物容易分別在傳輸管線和二級預處理制冷段冷凝融合、結晶堵塞管路。在一級預處理系統取樣裝置的后端，通過增設水洗罐和雙冗余細過濾器來解決此問題，它利用水洗的原理再次去除樣品氣中的粉塵、氨鹽副產物雜質等。水洗罐的設計一方面防止了氨鹽結晶堵塞管路，另一方面降低了精細過濾器維修清理的頻率。

優化改造后的一級預處理系統工作過程如下：來自工藝管線高溫、高壓、高含水且帶有粉塵、副產物雜質的合成氣，先經過取樣裝置自制過濾段，被“濾絲球”過濾掉一部分粉塵顆粒和雜質，并回流到工藝管線里；通過取樣裝置列管式冷卻段，將合成氣中大部分的水攜帶著粉塵雜質冷凝為液體回流到工藝管線中，此時的含水量將會從 （體積分數）58.09%左右降至7.5%。冷卻后的氣體樣品經頂部的電磁閥進入樣品管線，為防止氣體樣品中攜帶較多水或雜質，氣體樣品出口的溫度由一個溫控開關控制，當溫度高于或低于35～45 ℃設定值時，出口的電磁閥關斷，切斷氣體樣品。由取樣裝置過來的樣品氣經過水洗罐，在水洗罐中少量的粉塵顆粒、氨鹽副產物會溶于水中，由水洗罐頂部出口引出的樣品氣幾乎不含粉塵雜質，較為潔凈。樣品氣再通過三通閥進入細過濾器，雙重冗余的細過濾器可通過2個三通閥進行自由切換。樣品氣經過細過濾器后進入減壓閥，減壓閥采用雙級減壓，壓力嚴格控制至0.1～0.15 MPa，送至二級預處理進一步處理。

高壓水冷自過濾取樣裝置是一級預處理系統優化改造中最重要的一個部分，在應用中應注意：煤氣化合成氣中存在粉塵雜質及微量的煤焦油，使用中發現，煤焦油雜質凝結物會在取樣裝置前的工藝管線根部處凝聚，長期聚集會堵塞管線，建議每隔半年左右清理1 次。

3.2 二級預處理系統改造

圖3 煤氣化合成器原二級預處理系統Fig.3 Original secondary pretreatment system of coal gasification syngas

煤氣化合成氣原二級預處理系統如圖3 所示。該系統安裝在分析小屋預處理機柜中，由氣液分離器、過濾器、壓縮機制冷器、安全閥、旁路放空流量計等組成。原有的氣液分離器采用不銹鋼微型分離裝置，氣液分離除水、降溫的效率較低，而且不易觀察內部汽水分離情況；壓縮機制冷器成本高、無溫度控制，使樣品溫度控制不穩定。由此導致在線分析儀存在進入水汽的危險，而且影響質譜分析儀測量精度。

針對該二級預處理系統，將原有不銹鋼微型氣液分離器，通過冷量及滯后時間的計算，改為中型透明有機玻璃式氣液分離器。經過如此優化改造，氣液分離除水和降溫效率得到明顯提高，而且還可以觀察冷凝液液位實際情況進行定期排放，同時降低了分離器成本。在二級預處理系統中，將原有單路精細過濾器設計改造為冗余的膜式過濾器，能夠同時過濾樣品中的微量粉塵和水，這樣不僅增加了系統的安全性，而且減少了水汽對質譜分析儀測量的影響[5]。

針對壓縮機制冷器，改造中將儀表風渦流管制冷技術應用于制冷器，通過高速儀表空氣流產生漩渦分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流來獲得制冷。

通過采購單獨的可調節渦流管，制冷器本體自行機械加工方式，組合裝配成儀表風渦流制冷器，大大降低了制冷器的成本。渦流制冷器的本體增設了溫度顯示表，通過調節渦流管風量，可將樣品嚴格控制在2～10 ℃的露點溫度范圍。儀表風渦流制冷器成本低、結構簡單、啟動快、維護方便，在煤氣化裝置防爆場所最適用。

優化改造后的二級預處理系統如圖4 所示。其工藝流程如下：通過一級預處理系統過來的樣品氣經過氣液分離器，將冷凝后釋放出來的液態水滴通過重力的作用降下來，沉積在氣液分離器底部排放。此時，工藝樣氣的露點溫度在常溫（約25 ℃）和常壓狀態下，可將含水量從（體積分數）7．5%降低到2．31%。然后，一部分樣氣通過旁路放空流量計進入火炬氣管線放空，減少分析滯后時間，另一部分樣氣通過膜式過濾器進入渦流制冷器，渦流管內部產生的冷風將和工藝樣品進行熱交換，將樣品的溫度冷卻到5 ℃左右。這時，樣品氣的露點溫度嚴格控制在5 ℃，工藝樣氣含水量將進一步降低至小于（體積分數）0．7%。

圖4 優化改造后的二級預處理系統Fig.4 Optimized and reformed secondary pretreatment system

儀表風渦流制冷裝置是二級預處理系統優化改造中最重要的一個部分，在應用中注意以下要求：渦流制冷器的使用必須提供潔凈的儀表壓縮空氣，在實際使用中，樣氣溫度不能太低，若低于0 ℃，冷凝出的水凍結會堵塞管道。一般溫度設定在2～5 ℃，使樣氣中含水量降至（體積分數）0．6%～0．8%即可。

3.3 取樣傳輸管線及預處理系統伴熱保溫標準化

樣品傳輸管線選用d＝6 mm 或6．35 mm （1/4 英寸）不銹鋼管，為防止樣品氣中微量水冷凝以及氨鹽等物質結晶析出堵塞樣品傳輸管線，采用低壓蒸汽或一體化電伴熱對樣品傳輸管線進行伴熱和保溫，保持工藝樣氣在一個很高的溫度狀態下（＞80 ℃）進入到在線分析儀及預處理系統。

樣品預處理系統各零部件、管閥件要集成于預處理機柜。在寒冷地區冬季，機柜箱體內部必須進行伴熱，保證內部溫度在25～30 ℃左右，使預處理系統內工藝樣品不再處于飽和水蒸汽的狀態下。這將極大的避免了氣態水液化的可能性，避免了液態水進入分析儀器的可能性。

在線分析取樣傳輸管線及預處理系統伴熱保溫必須形成標準規范，其樣品傳輸管線伴熱一年365天禁停，伴熱保溫要覆蓋死角。將工藝樣品保持在露點溫度以上，不出現冷凝現象，確保導壓傳輸安全。

4 整改效果

自2017年8月煤氣化合成氣在線分析儀預處理優化改造完成至今，經過2年的運行觀察，在線分析預處理系統完全克服了煤氣化合成氣工況惡劣復雜的特點。煤氣化在線分析預處理系統故障率為零，基本實現了日常免維護，大大減少了儀表人員維護工作量。同時，煤氣化在線分析儀預處理優化改造，共降低節省取樣裝置、氣液分離裝置、制冷器、日常檢維修等成本費用45．5 萬元，每年節約日常檢維修、人工以及維修備件費用約21 萬元。

5 結語

華鶴公司優化改造后的煤氣化在線分析預處理系統，已經形成了一套自己特有的新方案。煤氣化在線分析預處理系統，通過了東北極寒地區條件下的考驗，有效地解決了合成氣粉塵大、水量多、溫度高、樣品復雜的問題，使合成氣樣品在不失真的條件下滿足在線分析儀器的要求，保證在線分析系統長期安全、穩定、可靠的運行，為氣化爐的安全運行提供了指導和幫助，為同行業煤氣化裝置在線分析儀預處理應用提供了案例。