干煤粉激冷气化变换装置除灰实践分析

解政鼎，郑渤星，张焕照

（1.中国寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012；2.长庆油田伴生气综合利用项目部，陕西 西安 710018）

现代煤化工项目多数采用气流床气化技术，出气化炉的粗合成气中飞灰含量比较高，且其中含有大量未转化的炭粒[1]。不论气化技术采用废热锅炉流程还是激冷流程，一般都需要控制去下游的粗合成气中飞灰质量浓度不大于1 mg/m3[2]。但由于洗涤系统设计问题或其他原因，导致粗煤气除尘不彻底，实际运行灰含量会高出设计值[3]，其中含有的飞灰容易附着在催化剂表面[4]，或者堵塞床层[5]，影响下游变换装置的正常运行。通常需要从两方面解决该问题，一是优化气化装置除尘、洗涤单元的设计[6-7]，从源头降低飞灰夹带量，例如增设文丘里洗涤器、鼓泡塔等；二是变换装置要有应对措施，降低飞灰对下游工序的影响。

本文以采用干煤粉激冷气化技术的某煤制烯烃改造项目和某新建煤炭间接液化项目为例，介绍了两个项目在变换装置入口分别采用多因子旋风子母分离器和前置废热锅炉+ 高效叶片分离器进行粗煤气除灰的生产实践，以供参考。

1 多因子旋风子母分离器除灰

某煤制烯烃项目采用干煤粉激冷气化技术，粗煤气经变换调节氢碳比后，在低温甲醇洗装置脱硫脱碳，然后净化气进入甲醇合成装置，生产MTO 级甲醇。变换装置采用绝热变换，粗煤气进界区后先经过预热器升温，预热后的粗煤气进入保护床，脱除粗煤气中夹带的氯离子等有害组分，脱除杂质后的粗煤气进入变换反应器，局部流程示意图如图1 所示。

图1 某煤制烯烃变换工艺局部流程示意图

该项目开车仅半个月，变换装置就出现了粗煤气预热器堵塞、保护床压降升高等情况，导致变换装置难以正常运行。经检查发现，由于气化来的粗煤气带灰严重，导致粗煤气预热器的换热管和保护床堵塞，为此进行了针对性的除灰改造。

1.1 堵塞原因分析

该项目粗煤气量约为120 万m3/h，其中灰质量浓度为10 mg/m3，远远超出设计时粗煤气飞灰质量浓度不超过1 mg/m3的要求。项目粗煤气灰总量约为96 t/a，约合320 m3/a，带灰量的显著增大是导致粗煤气预热器堵塞的直接原因，而根本原因在于该气化工艺粗煤气洗涤工段的洗涤除尘作用不明显，大量的飞灰夹带在粗合成气中进入变换装置，由于温降，饱和态的粗合成气中飞灰随凝液吸附在管壁上和吸附剂的上层，导致变换装置压降增大，影响了变换装置的正常运行。

1.2 改造方法

检修时发现，上游原料气分离罐里洗涤水浊度较高，含有絮凝胶状灰尘；粗煤气预热器换热管内壁附着大量的灰尘，保护床床层上部积聚了大量的细灰。

改造思路：从减少粗煤气飞灰夹带和降低堵塞率两方面着手改造。一方面提高分离效率，减少飞灰夹带，从根本上降低进入变换装置的飞灰；另一方面尽可能降低飞灰堵塞换热管的可能性。

1.2.1 减少飞灰夹带

经调研和技术比选，选择了在粗煤气预热器前增设旋风分离器的方案。在对旋风分离器厂家和应用业绩进行考察后，发现传统的旋风分离器不能满足该项目改造需求，主要原因为：（1）传统旋风分离器尺寸过大，且分离效率低，需要多个设备串、并联运行，投资大，且现有改造空间不足；（2）传统旋风分离器操作弹性窄，分离效率对流体动量变化敏感，流体流速低时难以有效分离轻、重两相，流体流速高时则容易出现“返混”；（3）传统旋风分离器抗冲击负荷性能差。

最终选择了多因子旋风子母分离器。该分离器包括分离筒体和内件，筒体内部设置入口分离总成、级间动能动量再分配空间、级间轻相导流装置、动力学反射流多因子旋风子母分离组件（旋风子堆）、沉降管系统、防轻相返混系统、重相排放系统几部分。通过分离总成对混合相中的重相进行脱除，并对流体动能动量进行一次分配；级间动能动量再分配空间通过流道的膨大空间，使轻相轴向流突然大幅减速，进而使分离筒体横截面各流体微元速度差进一步缩小，提升了抗重相冲击工况性能；重相排放系统用来密闭且稳定排送收集到的重相。

与传统分离器相比，多因子旋风子母分离器的优点在于：（1）提升了抗重相冲击工况性能，可很好地适应该项目粗煤气夹带大量固体飞灰的工况；（2）轻相流不易“短路”（未经过分离就直接排出），抗“返混”和“二次携带”性能有明显提升，分离效率稳定，处理能力强，可确保下游工艺装置长期稳定运行；（3）操作弹性好，由于是多台气化炉对应一个系列的变换装置，存在1 台气化炉检修或故障的工况，粗煤气负荷变化较大，该分离器可以很好地适应这一变化。该分离器还具有相同工况下节省投资、相同投资下高产的特性，适宜该项目改造需求。

实际选用的多因子旋风子母分离器内设94 组分离内件，＞8 μm 的重相携带质分离效率达 99.9%，5 μm～8 μm 的重相携带质的分离效率可达到99%，而传统旋风分离器需要大约4 级串联才能达到15 μm 分离精度，这极大节省了改造费用和空间；且其运行压降很小，一般在 2 kPa～15 kPa。

粗煤气进入多因子旋风子母分离器，气流进入按流体动力学模型特殊设计分布的多因子旋风子堆，多因子旋风子堆可以大幅提升液滴在离心力场分离效率。从多因子旋风分离段分离出来的液体，夹带着大量飞灰直接进入分离器底部的贮液区，实现了飞灰与粗合成气的分离；贮液区的液位高度由液位控制阀自动控制，安全可靠，分离下来的液体返回气化；气体从多因子旋风分离段顶部出来，汇合后进入下游。

1.2.2 防止堵塞

经多因子旋风子母分离器除尘后的粗煤气已经脱除了99.9%的飞灰，进入粗煤气预热器。为防止长时间运行后粗煤气中残留的飞灰堵塞粗煤气预热器换热管，在此处也进行了针对性改造：在粗煤气预热器前增设1 台静态混合器，通过往粗合成气中加入少量中压过热蒸汽，将合成气的温度提高10 ℃，合成气由饱和态变为过热态，这样可以使进入换热器的合成气为干态气体，不易凝结飞灰、黏附堵塞换热管道。某煤制烯烃变换工艺流程改造示意图见图2（虚线内为改造新增部分）。

图2 某煤制烯烃变换工艺流程改造示意图

改造前每半个月需对粗煤气预热器进行一次高压水枪清洗，2011 年完成改造后不再需要清洗，实现了变换装置的长周期稳定生产，大大提高了项目的生产效率和效益。

2 前置废热锅炉+气液分离除灰

前述煤制烯烃项目的变换装置采用了高水气比变换工艺，没有设置前置废热锅炉。近年来随着低水气比变换工艺的广泛应用，变换装置普遍设置了前置废热锅炉来降低粗合成气的水气比，同时利用“前置废热锅炉+气液分离”达到除灰的目的。

某煤炭间接液化项目采用前述干煤粉激冷气化技术，后接耐硫变换工艺。原料气本身的水气比（摩尔比）为1.0 左右，变换工序只需保证水气比（摩尔比）在0.7～0.9，就能满足工艺条件对出口CO 指标的要求，故在变换炉前设置废热锅炉，利用废热锅炉调整原料气的水气比，使变换反应的深度易于控制。与高水气比变换工艺相比，该项目实施低水气比变换工艺，至少可以节省蒸汽700 t/h，经济效益提升明显。同时，采用前置废热锅炉将多余的水分去掉，可以对原料气起到二次净化的作用，变换部分无需再设置脱毒槽，节省脱毒槽和保护剂费用，减少装置的运行成本。

该项目的变换装置分为变换和未变换两部分，粗合成气进入变换装置后，一部分进入变换部分的前置废热锅炉，副产低压蒸汽后，进入变换气第一水分离器；另一部分粗合成气去往未变换部分，同样先进入一个低压蒸汽废热锅炉，副产低压蒸汽后，粗合成气进入未变换气第一水分离器。进入这两个分离器的介质都带有灰尘，物料较脏，且是气液固三相，飞灰大部分混入了液相，少量残留在气相里。为防止灰尘等脏物料堵塞分离器内件，设计时对分离器内件进行了比选，主要比较了传统丝网和新式高效分离叶片。

传统丝网的工作原理：夹带有液滴的气体以一定速度上升通过丝网时，液滴与丝网细丝发生碰撞而被附着在细丝的表面上，由于细丝的可润湿性，在液体表面张力及细丝毛细管效应的联合作用下，液滴逐渐聚结长大，直到聚结的液滴大到其自身所产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时，液滴就从细丝上分离掉落，经分离器底部收集。

高效叶片分离器的工作原理：（1）气液两相入口的进料缓冲装置可以帮助减小气液两相流体进入分离器的动能，同时可以移除气体中所夹带的大尺寸液滴；（2）夹带液滴的气体一旦进入高效分离叶片的通道，将被叶片立即分离成多个区域，气体在通过各个区域过程中被叶片强制进行多次快速的流向转变，在离心力的作用下，气体中所夹带的液滴从气流中分离出来；（3）被分离出来的液滴与叶片发生多次动能碰撞，液滴附着在叶片表面后通过聚结效应形成液膜；（4）附着在叶片表面的液膜在自身重力、液体表面张力和气体动能的联合作用下，被推入叶片的夹层，并在夹层中汇流成股，通过重力沉降流入到叶片下方的积液槽进行收集；（5）最终经过净化处理的、不再含有夹带液滴的干净气体从叶片后端流出。

高效叶片分离器可以100%去除8 μm 及以上尺寸的液滴，液体总脱除率大于99.99%；前置聚结装置可以将 5 μm～8 μm 尺寸的液滴聚结到 8 μm 以上，然后被后方的叶片脱除，从而实现5 μm 及以上尺寸液滴的100%脱除。高效叶片分离器的操作压降仅0.3 kPa～0.4 kPa，无操作弹性上限。虽然其没有在变换装置上应用过，但在其他领域气液分离工艺得到了广泛应用，如压缩机级间罐、天然气处理、三相分离器、蒸汽脱水等领域。

经过论证，采用高效分离叶片设计所需要的分离罐壳体尺寸比采用传统丝网设计小30%～40%，意味着更低的投资建设成本和更小的占地空间。高效叶片分离器由光滑的不锈钢片压制而成，本身不易损坏和堵塞，其日常操作维护和停车检修成本低，使用寿命也超过传统的丝网。

该项目最终选用了高效立式叶片分离器，在入口增设高效进料预处理元件，在叶片前方设置一组喷头用于定期喷淋，洗掉脏污，防止叶片堵塞。项目投产至今已有4 a，运行效果良好，前置废热锅炉和后接气液分离器从未发生过堵塞，也未更换内件。

3 结论和建议

3.1 多因子旋风子母分离器的分离效果优于传统旋风分离器，在煤制烯烃改造项目中，采用多因子旋风子母分离器后，粗煤气预热器再未因为积聚飞灰导致堵塞。不论新建项目还是改造项目，采用该分离器均是去除飞灰的适宜选择。

3.2 前置废热锅炉是一种非常有效的除灰手段，降低水气比的同时，起到了净化粗合成气的作用，一举两得，适用于大部分变换装置。

3.3 对于合成氨等项目，或者粗合成气水气比已经很低的情况，变换装置无需设置前置废热锅炉来降低水气比，此时可以采用多因子高效旋风分离器+ 提高粗合成气干度等方法，来去除飞灰、防止下游装置堵塞。