五環爐濕洗塔塔盤結垢的原因分析及解決方案

杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱“龍宇煤化工”)二期40萬t/a醋酸項目配套氣化裝置采用五環爐干煤粉氣化工藝提供濕法洗滌合成氣,濕洗塔是合成氣濕法洗滌的最關鍵設備。但在五環爐氣化裝置運行期間,發現濕洗塔塔盤存在結垢的問題,結垢嚴重時裝置會出現合成氣帶液和液泛的情況,嚴重影響后系統的安全穩定運行,會造成五環爐氣化裝置被迫停車,制約五環爐氣化裝置的長周期運行。針對如何解決五環爐氣化裝置濕洗塔塔盤的結垢問題,本文進行深入研究。

1 濕洗系統工藝流程

從五環爐激冷罐來的粗合成氣進入濕洗系統洗滌,首先合成氣通過濕洗塔前的文丘里洗滌器與循環水充分混合,出文丘里洗滌器的氣水混合物進入濕洗塔的底部,合成氣從濕洗塔底部水層中溢流進入各層塔盤,與濕洗塔內的洗滌水逆流充分接觸,達到合成氣除塵、降溫、除酸性氣體的目的。粗合成氣通過濕洗塔頂部除沫器后,含塵量應控制在<1 mg/Nm3,送到下游工序。濕洗塔循環水中含有一定濃度的固體顆粒,需要排至閃蒸系統,用來降低循環水中的灰含量和酸性氣含量。濕洗系統工藝流程見圖1。

2 濕洗塔在運行中的問題

五環爐濕洗塔原設計有四層固閥塔盤,塔盤洗滌水有兩股:一股來自閃蒸系統的除氧器通過高壓灰水泵,送至濕洗塔的第三、四層塔盤(從上往下計算),補水量約為280 Nm3/h,高壓灰水壓力為4.6 MPa,溫度約為135 ℃;另外一股是工藝水,補水量約為30 Nm3/h,溫度約為60 ℃。在五環爐氣化裝置運行中發現,濕洗塔運行兩個月左右時壓差上漲達到10 kPa以上,出現明顯帶液現象,洗滌效果變差,影響下游裝置安全運行,嚴重時五環爐氣化裝置被迫停車檢修,制約裝置長周期運行(見圖2)。濕洗塔塔盤結垢成為制約五環爐氣化裝置的瓶頸問題,為了實現五環爐裝置的長周期、安全運行,需要有效解決濕洗塔的塔盤結垢問題。

圖2 濕洗塔運行期間壓差趨勢

3 濕洗塔塔盤結垢的原因分析及解決方案

3.1 塔盤結構形式

在檢查因壓差過高而多次停車的濕洗塔后發現,濕洗塔的第三、四層塔盤堵塞比較嚴重,這是造成濕洗塔壓差高的主要原因。原設計的塔盤是固閥塔盤,固閥塔雖有鼓泡均勻、液面梯度低、流動方向性好、壓降低等優點[1],但五環爐采用濕法除灰,合成氣中帶灰量大,易造成濕洗塔塔盤積泥和結垢。

采用高效抗堵塔盤代替原固閥塔盤是一種理想的改造方案。龍宇煤化工經過對多種塔盤形式進行對比,并與生產廠家反復溝通、核算確保洗滌效果的情況,最終與河北某大學合作,將第三、第四層改為立體傳質塔盤[2](見圖3)。立體傳質塔盤具有抗堵效果好、消泡性能好、操作彈性大、效率高等優點。第三、四層改為立體傳質塔盤后,運行周期達到預期,未再出現因濕洗塔塔盤結垢而導致五環爐氣化裝置被迫停車的情況。

圖3 改造后的立體傳質塔盤

3.2 工藝流程優化

原設計中,濕洗塔入口文丘里的洗滌水是濕洗塔底部循環水泵回流的黑水,在濕洗塔洗滌過合成氣的黑水濁度高達700NTU,水質較差,易造成文丘里噴頭堵塞,文丘里內部有結垢,影響文丘里內捕捉合成氣中細灰的能力。閃蒸來的高壓灰水濁度只有60NTU左右,由這股閃蒸來的灰水代替原設計的循環黑水作為文丘里的洗滌水(見圖4)。文丘里的洗滌效果大幅提升,大量的細灰在濕洗塔的塔釜水浴中被除去,到達濕洗塔塔盤的合成氣中的灰量減少,降低了濕洗塔塔盤堵塞的概率。

圖4 文丘里洗滌水改為高壓灰水

3.3 工藝操作措施優化

3.3.1煤種煤質的控制

對濕洗塔塔盤上的垢片多次取樣分析發現,垢片的主要成分是CaO,MgO。垢片的成分主要來源于五環爐煤氣化裝置用煤,其中,煤種灰分影響比較大。為研究煤種灰分對濕洗塔結垢的影響,筆者收集五環爐使用不同灰分煤種的運行數據,并對其進行對比(見表1)。

表1 使用不同灰分煤種時濕洗塔壓差的趨勢情況

通過對五環爐使用不同灰分煤種的情況進行分析,可以得出如下結論:控制煤種的灰分在16%～20%時,濕洗塔不易結垢,有利于實現長周期運行。灰分過高,易造成濕洗塔塔盤結垢,壓差上漲無法實現長周期運行。灰分過低,雖有利于控制濕洗塔結垢,但影響五環爐的爐膛掛渣,對五環爐穩定運行有影響。單一煤種不易滿足五環爐的用煤要求,不同灰分的煤是通過兩元配煤或三元配煤來實現的。

3.3.2灰水阻垢分散劑加入量的控制

五環爐采用干煤粉氣化工藝,氣化爐飛灰量大,灰分顆粒直徑小,濕法除灰形成的灰水中灰分含量是其他種類氣化裝置的數倍甚至數十倍。五環爐灰水具有高溫、高壓、高濁度、高硬度、高堿度等特點,容易產生沉積、結垢。灰水的水質分析情況如下:≤1 μm約10%～20%;≤2 μm約25%～40%;≤5 μm約45%～80%;≤10 μm約60%～90%;≤20 μm約75%～95%;≤75 μm約97%;≤250 μm約99%。因此,灰水阻垢分散劑的選型和加入量也是防止濕洗塔塔盤結垢的主要因素。

灰水阻垢分散劑由專業廠家提供,已針對五環爐煤氣化裝置高壓灰水做過選型實驗。理論上,阻垢分散劑的用量越大,阻垢效果越好[3],但隨著阻垢分散劑的用量增大,長周期運行后會出現設備管道腐蝕、減薄、泄漏的情況,輔材費用也隨之增加。結合五環爐氣化裝置幾次長周期運行的情況來看,灰水阻垢分散劑投加濃度控制在180 mg/L左右比較合適,若煤種灰分偏高時,可以適當提高灰水阻垢分散劑的投加濃度。

3.3.3灰水pH值的控制

工藝控制方案:每4 h對灰水進行取樣分析,當灰水中Ca2+、Mg2+含量偏高時,控制灰水的pH值在5～7,抑制碳酸鹽垢片形成;當灰水中的SiO2含量較高時,可將灰水的pH值控制在7～8,使灰水呈弱堿性,抑制硅酸鹽結垢形成。龍宇煤化工五環爐氣化裝置常用配煤會造成灰水中的Ca2+、Mg2+含量偏高,灰水的pH值一般控制在6左右。

3.3.4黑水處理系統循環回用濕洗塔水質的控制

五環爐煤氣化裝置的黑水經過處理后得到澄清液,通過機泵再送至濕洗塔洗滌合成氣。澄清液的濁度控制直接影響濕洗塔洗滌水(又稱高壓灰水)的水質,濁度越高,濕洗塔壓差上漲趨勢明顯,易造成濕洗塔塔盤上結垢[4]。筆者根據不同濁度時濕洗塔壓差的趨勢變化,來判斷濁度對塔盤的影響。觀察實驗方法:在五環爐氣化裝置正常運行情況下,控制黑水處理系統澄清液濁度為200NTU,150NTU,100NTU,50NTU,10NTU,各觀察10 d濕洗塔壓差變化趨勢(見表2),根據濕洗塔壓差變化情況判斷濁度對濕洗塔塔盤結垢的影響。

表2 澄清液濁度和壓差變化對塔盤結垢的影響

實驗結論如下:①澄清液濁度越高,濕洗塔壓差上漲越快,塔盤越容易結垢;②澄清液濁度控制得越低越好,但濁度控制太低也會增加PAM使用量,造成生產成本增加,同時,加入過量的PAM影響黑水處理系統的污泥分離設備的正常運行。一般將澄清液濁度控制在50NTU左右比較合適。

4 小結

通過改造濕洗塔設備,將濕洗塔塔盤第三、四層改造為立體傳質塔盤;通過優化工藝(包括煤種灰分控制在18%左右,灰水分散劑投加濃度控制在180 mg/L左右,灰水的pH值控制在6左右,澄清液濁度控制在50NTU左右),基本解決了濕洗塔塔盤結垢造成五環爐煤氣化裝置停車的問題,創造了五環爐氣化裝置連續A級運行288 d(因電儀問題停車)的紀錄。

5 結語

濕洗塔塔盤結垢是采用濕法除灰系統的氣化裝置存在的共性問題,龍宇煤化工解決五環爐氣化裝置濕洗塔塔盤結垢的方案,對同類裝置具有一定的借鑒意義。