WHG气化装置湿洗塔塔盘结垢的原因及优化

(河南能源化工集团洛阳永龙能化有限公司，河南 孟津 471100)

河南能源化工集团洛阳永龙能化有限公司20万t/a乙二醇项目，利用河南洛阳当地及周边所产矿煤为生产原料，采用中国五环工程有限公司开发的对煤种适应性较宽的五环炉( WHG) 煤气化技术。五环炉煤气化技术采用粉煤加压、气流床反应、液态排渣、水冷壁结构的反应室、余热部分回收的气化技术。本项目煤气化装置以干煤粉为原料，以氧气、水蒸气为气化剂，生产以CO+H2为主的粗合成气。煤气化装置包含磨煤及干燥工序、煤粉加压输送工序、气化工序、除渣工序、湿洗工序、黑水处理工序、公用工程工序。煤气化装置公称生产能力为 63 800 Nm3/h(CO+H2)，年操作时间为8 000 h。项目于2009年10月开工建设，2014年12月投料试车，2015年1月打通全流程，2017年12月产出合格乙二醇，2018年气化炉实现A级连续运行128 d，五环炉实现满负荷、长周期、稳定运行。

本文主要针对试车期间湿洗塔塔盘结垢造成合成气液泛的原因进行分析，并进行一系列改造，从根本上解决了制约五环炉长周期运行的关键问题。

1 湿洗系统工艺

湿洗系统工艺流程见图1，从气化炉燃烧室送出的高温粗合成气在激冷段经激冷压缩机送出的循环激冷气干气激冷后，经输气管送往激冷罐，在激冷罐内再次冷却；出激冷罐的粗合成气经过文丘里洗涤器使循环水与合成气充分接触进行初步的洗涤和降温，然后进入湿洗塔洗涤除灰，洗涤后的合成气分两部分，一部分经过低压废热锅炉回收热量，再经激冷气冷却塔冷却及气液分离，经激冷压缩机加压后作为循环激冷气送往气化炉激冷段激冷高温粗合成气。另一部分经洗涤除灰塔洗涤、锅炉水和除灰塔循环水充分洗涤除灰后送往后序变换装置。

图1 湿洗系统工艺流程注：1—气化炉；2—激冷压缩机；3—激冷气加热器；4—激冷气冷却塔；5—激冷罐；6—激冷循环水冷却器；7—文丘里洗涤器；8—低压废热锅炉；9—湿洗塔；10—洗涤除灰塔

2 湿洗塔工作原理及作用

湿洗塔内部安装有4层塔盘，罐体顶部安装有除沫器，通过塔盘和除沫器降低气相中的固含量。合成气从湿洗塔罐体侧面进入，先经下降管进入洗涤水中进行水浴降温洗涤，大部分飞灰被润湿后留在洗涤水中，少部分飞灰留在合成气中。洗涤后的合成气携带少量飞灰经过上升筒后，从下至上逐层穿过4层塔盘与高压洗涤水和变换冷凝液充分接触再次洗涤，合成气中的飞灰附着在塔盘表面，合成气中的液体附着在除沫器表面沿下部导流管回到塔盘上。洗涤水来源主要有变换冷凝液和高压灰水，其中，高压灰水作为主要水源，正常运行大约200 m3/h，冲洗第3层、第4层塔盘，控制湿洗塔液位。

湿洗塔的作用主要有两方面：一方面除去合成气中的细灰，减少含灰量，另一方面除去合成气中的一些酸性气体(如CO2、H2S、HCN、HCl、NH3等)，并降低合成气的温度。

3 湿洗塔存在的问题和原因分析

3.1 存在的问题

气化装置氮气工况下运行较为平稳，湿洗塔压差维持在4 kPa左右，切换为二氧化碳工况后，当系统运行7 d以上时，湿洗塔塔盘开始积灰，部分固阀出现堵塞、结垢，塔盘压差开始明显上涨，当压差超过20 kPa时，湿洗塔洗气效果急速下降，导致湿洗塔开始液泛，湿洗塔的液位、出口温度、合成气流量忽高忽低、大幅度波动无法控制，合成气大量带水带灰，造成后序变换系统过滤器严重堵塞，无法运行，装置被迫停车。停车后现场检查，发现第三、四层塔盘结垢较为严重。

3.2 原因分析

(1)五环炉与壳牌炉不同，五环炉没有飞灰处理单元(壳牌U1500单元)，系统内的飞灰主要通过渣和黑水系统进行排除，整个黑水系统的水质浊度较高，水质较差，第3层的塔盘冲洗水来自高压灰水，冲洗水中的飞灰在冲洗塔盘过程中逐渐附着在塔盘表面，造成塔盘结垢。

(2)试车时湿洗塔内洗涤水的pH分析值在8.0左右(偏碱性)，在第3层塔盘处设计有碱液添加管线，碱液添加后，碱性环境中灰水的金属离子(Mg+、Ca+等)与碳酸根离子反应生成MgCO3、CaCO3沉淀，切换二氧化碳工况后，系统合成气中的CO2含量会快速上升，部分二氧化碳溶于水后形成碳酸根离子，进一步加剧了塔盘的结垢。

(3)从变换装置送来的变换冷凝液较脏，且pH值较高，造成塔盘表面结垢较快。

(4)试车期间使用的煤种灰分较高，使黑水系统水质较差，浊度较高。

(5)文丘里洗涤器除灰效率偏低。

4 技改措施

(1)加强对变换冷凝液的监控，定时分析其浊度和pH值，减少对塔盘的影响。

(2)停止塔盘碱液的加入，控制pH分析值在7.0～7.5之间，尽量将湿洗塔洗涤水控制在中性环境，避免生成MgCO3、CaCO3沉淀。

(3)加强煤质管理，煤种的灰分含量不能超过20%，尽量控制在12%～15%。

(4)改变第3层塔盘冲洗水(高压灰水)的冲洗位置，不再经过塔盘，直接通入塔釜。原设计的第3层塔盘冲洗水(高压灰水)直接冲洗第3层塔盘表面，然后溢流至第4层塔盘，易造成第3层、第4层塔盘结垢(见图2)。改造后塔盘冲洗水(高压灰水)直接穿过第3层塔盘，经过第4层塔盘的收集槽通入塔釜，不再冲洗第3、第4层塔盘(见图3)。

(5)文丘里洗涤器改造。为提高除灰效率，将文丘里洗涤器的调节头直径增大100 mm。

图2 改造前高压灰水冲洗塔盘

图3 改造后高压灰水直接通入塔釜

5 改造效果

湿洗塔经过一系列改造后，经过近一年时间的实践验证，再没有发生塔盘结垢的情况，湿洗塔压差始终维持在2～4 kPa之间。打开人孔检查时发现塔盘表面干净，没有结垢现象。自2018年7月开车至今，系统已连续运行128 d，未出现液泛现象，气化炉实现了长周期、安全、稳定运行，技改取得了圆满成功。

湿洗塔作为煤气化装置的重要设备，对系统的稳定运行起着重要作用，湿洗塔的改造解决了制约五环炉长周期运行的关键问题，为五环炉湿法除灰提供了保障。目前，此项技改已在河南龙宇煤化工有限公司的项目中应用。