粗煤气洗涤的工艺研究与优化设计

李志祥

（神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头 014000）

目前，水煤浆气化装置制得的粗煤气往往需要经过包括洗涤塔水浴、塔板等在内的多次洗涤除尘后，再经变换、净化系统等处理后用作如甲醇、乙二醇、合成氨、二甲醚等化工产品的生产原料气。而我国部分地域性煤炭煤质由于成分的复杂性与特殊性，高灰分、高灰熔点的煤炭占有较大比例，使得气化反应后生产的粗煤气在洗涤工艺中存在着除尘效果差、洗涤水水质差、往后系统带水带灰严重等问题，导致洗涤后的粗煤气含尘率偏高、带灰严重，很大程度上制约着煤化工项目的经济效益和环保效益。因此，在当今我国大力倡导绿色、环保发展的大背景下，很有必要对粗煤气洗涤工艺进行研究，并对其工艺流程或洗涤设备进行优化设计，以利于气化装置的长周期、稳定运行。

1 粗煤气洗涤工艺概述

水煤浆气化工艺的反应条件为高温 （1350℃左右）、高压 （6.5MPa左右），气化反应产生的粗煤气中的有效成分主要为CO和H2，而粗煤气成分复杂，工业上往往需要对粗煤气进行多次洗涤后才送往后系统。具体工艺流程：气化炉来粗煤气首先经过文丘里洗涤器喷淋 （增湿增重），接着粗煤气从洗涤塔中部进入，经洗涤塔水浴和四层固阀式塔盘净化除尘后，经洗涤塔上部的旋流板后于洗涤塔顶部出口送至下游变换系统；洗涤塔底部的洗涤黑水送至气化闪蒸系统处理；洗涤塔水浴中上部较洁净的水，大部分被激冷水泵加压送至激冷环作激冷水，小部分送至文丘里洗涤器作为洗涤水。

2 粗煤气洗涤系统存在的问题

灰分偏高的原料煤，气化产生的粗煤气中含尘量相对较高，同样的工艺条件下，洗涤效率变化不大，经洗涤后的粗煤气含尘量就会随之增大，洗涤水固含量也随之增大。而粗煤气含尘量的增大给后系统带来的危害是巨大的，如变换催化剂活性大大降低以及管线、设备堵塞等；洗涤水中固含量的增加，不仅会增加气化水处理系统（闪蒸系统）的负担，更是对洗涤水输送管线、流量调节阀及闪蒸罐等设备的一大考验。

以某公司气化装置为例，装置正常运行5a来，粗煤气洗涤系统出现过大大小小的很多问题，其中，2015年、2016年、2017年最近3a管线堵塞和磨损及泄漏次数统计如表1。

表1 粗煤气洗涤系统管线堵塞、磨损及泄漏问题统计 次

由于气化灰水是循环使用的，如果气化闪蒸系统对黑水不能进行有效地处理，加之气化工况苛刻，往往会出现粗煤气含尘率偏高、气化灰水系统结垢严重及管线磨损加剧等问题，继而大大缩短气化灰水系统的运行周期和设备的使用寿命，甚至迫使气化炉停车。

3 粗煤气洗涤系统问题分析与探讨

由表1可以看出，在粗煤气洗涤系统出现的问题中，洗涤水排放管线堵塞、磨损和激冷水泵泵头密封损坏等问题尤为突出，以下着重对这三方面的问题进行原因分析。

3.1 洗涤水排放管线堵塞

气化装置在稳定生产的情况下，洗涤塔底部排水管线一般不会出现堵塞。当工况不稳定时，如气化炉开、停车过程中，因气化装置温度的骤变以及设备的振动，可能会使设备内壁上的大块垢片脱落而带至洗涤塔底部，或气化装置大幅度调整负荷而工艺条件不能及时匹配时会导致系统温度波动偏大，抑或灰水处理系统故障导致洗涤水流量调节阀长时间关闭等，都会导致洗涤塔底部有大块垢片沉积或集聚，再加上洗涤塔排水管线原始设计管径偏小、弯头较多，在洗涤黑水排至气化闪蒸系统的过程中，往往会出现管线堵塞、调节阀卡涩等问题。

3.2 洗涤水排放管线磨损

气化装置因工艺需要采用框架布置，洗涤水排放管线上的弯头较多，从洗涤塔底部至闪蒸罐有近10个弯头，弯头的设置导致洗涤水在排水管内的流动近乎湍流，其中含有的大量固体颗粒对管壁造成冲刷磨损，尤其是在流量调节阀处，流体压力从6.0MPa以上减至1.0MPa以下的过程中，大量固体颗粒因洗涤水降压而析出，洗涤水中的固体颗粒对管线造成剧烈的冲刷磨损。

3.3 激冷水泵泵头密封损坏

目前，该公司气化装置的激冷水泵采用机械密封，后系统净化装置来的低温 （40℃）、高压（8.7MPa）变换冷凝液作为激冷水泵的密封水，以保护机封。由表1可以看出，平均每年气化装置激冷水泵泵头因磨损造成机械密封泄漏达50次左右。而对于高温高压离心泵 （如激冷水泵）而言，从工艺角度看，机械密封泄漏主要受以下因素的影响。

（1）激冷水泵长周期运行的影响。激冷水泵经过长周期运行后，转子在轴向上的窜量增加，轴与辅助密封的过盈量增加，导致动环与轴的摩擦力增大，进而使得动、静环的磨损得不到位移补偿［1］；另外，泵轴的周期性径向振动也会大大影响激冷水泵机械密封的使用寿命。

（2）工作介质中固含量及杂质的影响。激冷水中的细小固体颗粒在机械密封的弹性元件失效后会随着激冷水进入密封端面之间，造成密封端面的划伤，破坏密封端面的紧密贴合度，进而造成机械密封泄漏；另外，介质中的杂质或垢物还造成机械密封弹性元件堵塞而失效，失去弹性的弹性元件无法给予动环应有的轴向补偿，进而导致机械密封泄漏。

（3）激冷水泵密封水的影响。主要是指净化装置来变换冷凝液的水质和密封冲洗水水量的影响。变换冷凝液水质变差会导致密封端面磨损；密封冲洗水水量偏小会导致机械密封端面的热量不能及时、完全地被带走。而密封端面的冷却和润滑效果不良均会引起干磨，导致密封端面磨损泄漏。

（4）其他方面的问题。如泵体本身的问题［2］（轴发生弯曲变形、叶轮口环磨损等）和泵检修及安装质量方面的问题等。

4 粗煤气洗涤工艺的优化设计

就该公司气化装置激冷水泵机封磨损问题而言，主要是因为激冷水水质及密封水水质方面的问题，现主要针对激冷水水质的改善，探讨如何进行粗煤气洗涤工艺的优化设计。

鉴于目前粗煤气洗涤系统的现状，本文着重从粗煤气洗涤设备——洗涤塔入手，对洗涤塔设备结构进行优化设计，以提升粗煤气的洗涤效率，进而改善粗煤气洗涤过程中出现的上述问题。在对粗煤气洗涤工艺和洗涤塔的优化设计上，主要包括以下2种优化设计方案 （笔者等人已申请实用新型专利）。

4.1 优化设计方案一

如图1所示，洗涤塔采用顶部进气、内置气液分离器［3］的结构，洗涤水采用环管组喷淋，一级洗涤水和二级洗涤水各自设置独立排放口，并且在激冷水泵入口处添加适应高温环境的分散剂。顶部进气的设计有利于粗煤气在下降管中进行充分地重力沉降；内置新增气液分离器有利于洗涤塔洗涤水 （水质）的分级；喷淋环管组的设计，可提高粗煤气中灰尘的湿润程度；一级洗涤水和二级洗涤水独立排放，以及分散剂的加入，有利于循环洗涤水水质的改善，可大大缓解系统的结垢及堵塞。本洗涤塔结构的设计，旨在解决现有水煤浆气化装置中出现的灰水水质差、用水量大、灵活性差、粗煤气往后系统带水带灰严重等问题。

图1 优化设计方案一之洗涤塔结构简图

本优化设计可大大降低粗煤气中的灰尘含量及其他非有效组分含量，提高气体的净化效率和洗涤塔的操作弹性，大大节约气化用水量。本方案的提出，对于煤炭或其他原料气化装置中气体的洗涤除尘也具有一定的参考意义。

4.2 优化设计方案二

如图2所示，本洗涤塔的结构包括一种对称旋流撞击进气口、内置一级洗涤器、升气罩环形撞击板和双排液口［4］，以及用于提供降温除尘喷淋水的激冷水泵。旨在解决现有水煤浆气化装置中出现的用水量大、系统水质差、设备磨损严重及粗煤气往后系统带水带灰严重等问题。

气化装置产生的粗煤气于洗涤塔中部进入，较为特别的是其设置了对称布置的4个旋流入口，且进气管与下降管具有一定的轴向夹角α和水平夹角β，以利于粗煤气中固体颗粒的碰撞、粘合、增大；旋流撞击后粗煤气中的大部分固体颗粒于一级洗涤水排放口排出，粗煤气则继续经下降管与上升管环隙，于升气罩的环形撞击板处进行二次撞击，使粗煤气得到进一步净化，之后粗煤气再经洗涤塔塔盘洗涤和旋流板除尘后送至后系统。粗煤气在下降管与上升管洗涤场所内的洗涤水经一级排放口排出，另一部分洗涤场所的洗涤水经二级排放口排出。本工艺设计可使粗煤气除尘主要发生在第一洗涤场所内，一级洗涤水内固含量也会高些，一、二级洗涤水独立排放的设计有利于提高激冷水水质。

图2 优化设计方案二之洗涤塔结构简图

上述优化设计将大大改善粗煤气洗涤工艺中存在的如管线磨损严重、堵塞，以及因激冷水进入机封密封腔导致摩擦副磨损进而造成机封泄漏频发等问题。本设计也可为高灰分、高灰熔点的煤炭、石油焦及其他固体原料气化产生的粗煤气的洗涤提供一种思路。

5 结 语

目前，粗煤气洗涤系统的频发问题主要是洗涤水排放管线堵塞严重、管线磨损以及激冷水泵机封泄漏等，影响着气化装置的长周期、稳定运行。而采用本文提出的2种优化设计方案 （之一），可大大提高粗煤气的洗涤效率，较好地克服气体带水带灰严重等问题，提高气化炉的操作弹性，延长气化装置的运行周期，具有显著的经济效益和环保效益。

当然，要解决现有粗煤气洗涤工艺存在的问题，除了考虑洗涤塔的优化设计外，还需从原料、药剂 （灰水系统添加）、气化过程、检修等方面进行攻关，以最大程度地发挥协同效应，确保气化装置的长周期、稳定运行。

［1］郝阳洋.高温高压多级离心泵机封泄漏原因及改造 ［J］.内蒙古石油化工，2015（13）：85－86.

［2］于兆峰，白晓磊.高温热水泵机封泄漏原因分析 ［J］.中国石油和化工标准与质量，2011（10）：150.

［3］李志祥，刘 泽，周 鹏，等.一种用于粗煤气的洗涤机构：201721019550［P］.2017.

［4］李志祥，冯长志，周 鹏，等.一种粗煤气净化装置：2017210233914［P］.2017.