水煤气带灰的原因及改造措施

王德胜　丁盼盼

宁波中金石化有限公司（浙江宁波　277527）

工作研究

水煤气带灰的原因及改造措施

王德胜丁盼盼

宁波中金石化有限公司（浙江宁波277527）

水煤气带灰是煤气化装置常见的问题之一，会对系统稳定运行造成严重影响。针对这一不良工况，从原料、工艺操作和设备缺陷三个方面对水煤气带灰原因进行了详细分析，并提出了相应的技术改造措施，从而较好地解决了问题。

水煤气带灰堵塞和结垢石油焦水质雾化解决措施文丘里管入口下倾角

0　引言

宁波中金石化有限公司的焦气化装置，采用华东理工大学具有自主知识产权的对置式多喷嘴水煤浆加压气化工艺，将原料水焦浆（由石油焦、原煤和水按一定比例制成）和纯氧投入气化炉中进行不完全燃烧，制得合格水煤气送往芳烃装置。与传统的合成氨或制氢装置相比，本装置没有变换和低温甲醇洗单元，而是采用了成本低，流程简单的热回收（由废锅、换热器、水分离器等组成）和甲基二乙醇胺（MDEA）脱硫单元。运行一段时间后，焦气化装置出现水煤气带灰的问题，这不利于系统的长周期稳定运行。因此，工艺人员分析了问题产生的原因，并对水煤气除尘和渣水处理单元做出较大改造。

1　水煤气带灰的影响

（1）水煤气带灰容易造成水煤气管道堵塞和设备结垢。特别是对于水洗塔，带灰会堵塞浮阀塔盘的浮阀孔，这一方面降低了水洗塔的除灰效率，另一方面造成塔内气体流速加快，加重水煤气带灰，从而形成恶性循环。（2）由于MDEA在脱硫过程中和水煤气直接接触，水煤气中的部分煤灰会进入胺液循环系统中。固体颗粒可以稳定脱硫再生塔产生的胺液气泡，使之不易被破坏，从而造成塔盘压差增大、胺液损失、拦液冲塔等问题，为了避免这些问题，需要添加消泡剂，进而增加了成本。（3）对于后续用气单元，水煤气带灰一方面会频繁堵塞过滤器，使水煤气流量波动大，从而造成芳烃装置加热炉炉温和压力的较大波动；另一方面，煤灰中的Al2O3，SiO2，Fe2O3等物质无法除去，被带入芳烃装置造成二次污染。

2　水煤气带灰的原因探讨

2.1水焦浆雾化效果差，气化渣含碳量高

（1）石油焦气化活性较低。宁波中金石化有限公司采用的石油焦与原煤按照1∶1的比例掺烧。根据研究，石油焦主要由重油中的沥青质、胶质的高度聚合物，少量低分子有机物及微量无机物组成，不利于反应的进行；石油焦内表面光滑、孔隙结构不发达，反应面积较小；煤中的很多矿物质对气化反应有着良好的催化作用，而石油焦的灰分低于0.6%，其对气化反应的催化作用相对较弱。总之，石油焦的反应活性及可燃性相对较差，其反应后生成的气化渣含碳量（质量分数，下同）高达70%左右，从而增加了系统的灰渣量。由于水煤浆供应比较紧张，掺烧的石油焦质量分数有时会达到90%，造成工况进一步恶化，气化渣含碳量一度达到80%。（2）分析发现，宁波中金石化有限公司的水焦浆粒度分布不合理。通过对各个厂家及设计值煤浆粒度进行对比（见表1），可以看出公司的煤浆粒度偏细很多。煤浆粒度细可以增强雾化效果，增加反应物的接触面积，有利于气化反应的进行。但是如果粒度过细，会造成反应物未完全反应就被水煤气带走。而宁波中金石化有限公司的气化炉压力只有1.5MPa,水煤气在炉内停留时间相对较短，会加重这种夹带作用。（3）烧嘴压差低，氧阀开度低。公司4个烧嘴压差均在0.35MPa左右，氧阀开度普遍为55%（负荷为90%），这就造成了煤浆和氧气流速低，外环氧不足以形成良好的雾化角度，从而改变了流场的结构。通过观察气化炉运行一个月后的情况，发现烧嘴平面基本完好如初，没有大的磨损和烧蚀。这也证明气化炉内撞击流股能量小，在烧嘴周围回流区不明显，雾化效果差。

表1　各厂家煤浆粒度分布%

2.2系统水质差

在原来的设计中，渣水单元没有设置用于处理黑水的压滤机，沉降槽的黑水排到动力站。但在实际运行中，动力站无法接受黑水，只能新配一条去一联合焦池管线。由于黑水固含量高、管线长，多次出现管线堵塞现象，使黑水无法排出进而导致系统水质恶化。装置灰水外排到四联合，由于受到处理量和灰水过滤器堵塞的影响，灰水体积流量一直在15 Nm3/h左右，远低于设计的40Nm3/h。由于整个装置外排水量少，为保持系统水平衡，补水量受到严重限制。由于水煤气洗涤水采用系统内循环的工艺水，因此水煤气洗涤效果差。随着时间的延长，系统水质会持续恶化，从而使水煤气带灰情况越来越严重。

2.3设备和工艺操作

设备施工时有一定缺陷。在A炉运行期间，气化框架6楼会听到明显的晃动及冲击钢板的声音，初步判断原因为气化炉破泡条脱落。检修时，拆开人孔后发现气化炉有3层破泡条脱落，同时还发现水洗塔最底层浮阀塔盘脱落。有缺陷的设备严重影响了水煤气洗涤效果，极易造成气化炉和水洗塔带水带灰。在工艺操作中存在较多问题。一方面，因工艺条件不稳定，操作人员不能严格按照多喷嘴气化炉操作条件（见表2）进行操作。焦气化装置生产的水煤气通过管径为DN800的工艺管道，专供芳烃部加热炉使用，由于水煤气热值较低，加热炉会掺烧一部分液化气。因此，由于加热炉温度，液化气管网压力和焦气化自身状况（如水焦浆浓度、气体成分等）这几个方面的原因，造成气化炉压力不稳定。当气化炉压力低时，氧气流速过快，进而导致拱顶易超温；当气化炉压力高时，氧气流速慢，导致煤浆雾化效果不好，气化渣残碳含量高。另一方面，工艺操作人员经验不足，操作水平不高。特别是在提炉温降炉渣残碳含量时，由于系统热负荷高，气化炉容易带水带灰，若激冷水量、黑水排量和气化炉液位调整不到位，会加剧工况带灰程度。

表2　多喷嘴气化炉操作条件

3　解决措施

（1）联系动力站煤浆制备工段，加强水煤浆质量管理，做到焦煤比为1∶1，如果有变动要及时通知，以便及时应对。同时调整球磨机钢球配比和提高外购水煤浆质量，尽量保证水焦浆粒度分布合理。（2）针对烧嘴压差低的状况，与华东理工大学和设备厂家进行沟通，重新设计烧嘴尺寸。（3）新增两台离心机，用于处理沉降槽黑水，防止气化渣在系统内累积；同时加配灰水到给排水装置的管线，保证灰水外排量正常。（4）重新安装气化炉破泡条及水洗塔塔盘，仔细检查气化炉和水洗塔内部易脱落元件，发现问题要及时进行加固处理。（5）改造水煤气初步净化单元的水煤气混合器。将其内置件改为文丘里管（见图1），加强尘粒与液滴或尘粒之间的碰撞、凝聚，形成以尘粒为凝结核的直径较大的含尘液滴；入混合器洗涤水喷管头部内部焊注弧形钢片，增强洗涤水的湍流雾化效果，以充分与水煤气混合；新配高温热水泵到混合器管线，既可解决高温热水泵出口压力高造成进水洗塔仪表阀后管道磨损严重的问题，又可满足混合器使用清洁水的要求，同时配一路高温锅炉水（2.2MPa、120℃）到混合器作为备选措施。（6）改变水煤气入旋风分离器的入口下倾角角度。根据研究，入口下倾角角度并不是越大越好，随着入口截面角的增加，旋风分离器的压力损失降低，分离效率先升高后降低。根据计算结果，将入口截面角由60°调整为45°。调整前后接管角度见图2。（7）在脱硫系统前配备两台过滤器，一开一备防止水煤气中的煤灰对MDEA造成污染。（8）加强工艺人员业务培训，严格执行工艺指标。尤其是严格执行多喷嘴气化炉操作条件，并靠近最高负荷操作，以提高水焦浆的雾化效果、降低炉渣残碳含量。

图1　改造后的混合器

图2　入旋风分离器接管角度

4　结语

通过对水煤气带灰问题进行分析，宁波中金石化有限公司对焦气化装置做出了一系列的改造。改造后，水煤气带灰程度减轻，气化炉灰渣含碳量由最高时的80%降至20%左右；水煤气水分离器冷凝液明显变清。混合器改造效果更好，在开车初期，由于旋风分离器底部排黑水管线堵塞，为了控制其液位，进混合器的补水体积流量保持在10Nm3/h，此时测得的出界区水煤气含尘量（质量浓度，下同）高达200mg/Nm3。疏通旋风分离器排水管线后，将混合器补水体积流量增加到正常的40 Nm3/h，此时水煤气含尘量稳定在约10mg/Nm3，基本满足工况的需求。

Reasons for the Containing of Ash in W ater Gas and Reformation M easures

Wang Deshen Din Panpan

The containing ofash in water gas is one of the common problems in coalgasification unit,which has a serious impacton the stableoperation ofsystem.According to thisabnormalworking condition,reasons for the containing ofash in watergaswere analyzed in detail from the pointof rawmaterial,technologicaloperation and equipmentdeficiency,and the corresponding technical transformationmeasureswere put forward to solve the problem perfectly.

The containing ofash in watergas;Blocking and scaling;Petroleum coke;Water quality;Atomization;Solution;Venturitube;Entrance inclination angle

（略）

TQ 546.5

王德胜男1991年生本科助理工程师从事水煤浆气化方面的工作

2016年6月