旋风分离器在航天炉气化装置中的应用与优化

童维风，于振海，韩 伟，秦中良

(安徽泉盛化工有限公司，安徽 定远 233290)

1 概 述

安徽泉盛化工有限公司(前身为定远县化肥厂，始建于1969年，2008年7月被安徽晋煤中能化工股份有限公司全资收购后更名为现名，简称泉盛化工)是一家以合成氨生产为龙头集化肥化工产品为一体的化工生产企业，主要产品有尿素、甲醇、双氧水等。为淘汰落后产能、提升企业的竞争力，泉盛化工2019年10月启动320 kt/a氨醇装置原料和动力结构调整项目，改造的核心内容是采用先进的航天炉粉煤加压气化工艺实现原料路线调整和工艺技术升级——采用HTL-4/S-38/38-Ⅱ/Y型航天炉，单炉投煤量2 000 t/d，气化炉运行压力4.0 MPa，气化炉设计产气2 760 km3/d。泉盛化工航天炉粉煤加压气化装置包括磨煤干燥、粉煤加压及输送、气化、渣水处理、公用工程5个单元。在气化单元，HTL-4/S-38/38-Ⅱ/Y型航天炉采用4条煤线进料，配置2条氧管线，气化炉开工烧嘴与煤烧嘴各自独立，点火开工采用单独的标准点火开工一体化油烧嘴，开车便捷、灵活，输煤载气及保护气为高压CO2气，提升了气化装置的操作弹性，有利于气化装置的稳定、经济运行；合成气净化设置有旋分除尘器，(粗)合成气除尘、洗涤更彻底，气体更洁净；渣水处理单元采用三级闪蒸工艺，通过优化设备布置和工艺设计使闪蒸气回收系统能量利用更科学、合理。

泉盛化工320 kt/a氨醇装置原料和动力结构调整项目气化装置2019年10月开工建设，2022年2月气化装置进入吹扫、试车阶段，2022年6月气化装置进入联动调试、试车阶段；2022年7月25日16:30气化炉点火，当日18:34一次投料成功，2022年7月30日18:10氨合成系统接气，标志着装置全流程打通，正式进入开车运行状态；之后经过优化调整，气化装置氧负荷逐渐加至35 000 m3/h，各项指标及运行参数正常，总体运行平稳。

2 旋风分离器的应用

2.1 应用背景

航天炉粉煤加压气化装置采用传统的粗合成气洗涤流程，普遍存在合成气固含量高、影响洗涤设备使用寿命、影响激冷水水质等问题。为此，设计院通过Aspen Plus模拟试验在泉盛化工320 kt/a氨醇装置原料和动力结构调整项目气化装置工艺流程设计中增设了旋风分离器，理论上能大幅降低合成气的含尘量，提高合成气的洗涤效果；在理论的指导下，旋风分离器在泉盛化工航天炉粉煤加压气化装置中得以应用，取得了较为明显的成效。

2.2 气化装置工艺流程设计

粉煤与氧气+蒸汽混合气经粉煤烧嘴喷入气化炉，经部分氧化反应生成主要成分为CO、H2、CO2的合成气(另含少量H2S、COS、N2、Ar、CH4等)。未反应的熔渣与合成气一起进入激冷环经下降管进入激冷室水浴，合成气被激冷水冷却并饱和后，向上进入上升管和折流板分离器进行初步气液分离，分离后的合成气经文丘里洗涤器增湿除尘(采用高压灰水)后进入旋风分离器(旋风分离器锥部设置有冲洗水，以免含固量高的黑水在锥部沉淀而结垢)，旋风分离器分离出的含固量相对较高的黑水排至高压闪蒸系统闪蒸处理，经分离除尘后相对清洁的合成气进入洗涤塔，进一步洗涤、除尘后较为清洁的合成气饱和一定的水蒸气后送入变换系统；合成气中的熔融态灰渣沿下降管进入激冷室水浴中冷却固化并落入激冷室底部，经破渣机破碎除去大块渣后由渣锁斗排入捞渣机中。

2.3 旋风分离器系统设计参数

据气化装置负荷及物料平衡计算，旋风分离器系统设计参数如下：气化激冷室(排)黑水温度217 ℃、压力4.00 MPa、流量178 m3/h，文丘里洗涤器喷淋水温度156 ℃、压力4.83 MPa、流量87 m3/h，旋风分离器(排)黑水温度215 ℃、压力3.80 MPa、流量185 m3/h，出旋风分离器合成气(含饱和蒸汽)温度204 ℃、压力3.80 MPa、流量226 741 m3/h。

2.4 旋风分离器系统工艺优化调整

泉盛化工航天炉粉煤加压气化装置开车运行后，气化炉氧负荷维持在35 000 m3/h稳定运行，旋风分离器系统各项工艺控制按照其设计参数进行调整，并对气化装置黑水/灰水水质情况进行监控分析；虽然运行中由于实际工况与设计工况存在偏差，各流量计的示数可能存在偏差，但其总体变化趋势仍可作为重要的参考依据。

2.4.1 实际工艺指标控制情况

(1)实际生产中，气化激冷室(排)黑水温度205 ℃、压力3.95 MPa、流量178 m3/h，文丘里洗涤器喷淋水基本上按照设计压力、温度、流量进行控制——温度156 ℃、压力4.75 MPa、流量87 m3/h，受气化炉热负荷的影响，出激冷室的合成气存在夹带液态水的情况(夹带液体量受气化炉热负荷、原料煤煤质、激冷水量等综合因素的影响)，使得旋风分离器排(黑)水(温度201 ℃、压力3.75 MPa)必须控制在265 m3/h左右才能维持其液位平衡。

(2)实际生产中，气化激冷室(排)黑水量178 m3/h、文丘里洗涤器喷淋水量87 m3/h、旋风分离器排(黑)水量约265 m3/h，经旋风分离器分离除尘后的合成气进入洗涤塔进一步洗涤除尘，出洗涤塔黑水固含量80 mg/L、出洗涤塔合成气固含量50 mg/m3(设计值≤10 mg/m3)。

可以看到，旋风分离器系统实际运行中存在三方面的问题：① 出气化炉激冷室的合成气存在夹带液态水的情况，导致旋风分离器排(黑)水量达265 m3/h，明显高于设计值185 m3/h；② 洗涤塔排(黑)水固含量80 mg/L，虽然较未设置旋风分离器的航天炉粉煤加压气化装置洗涤塔排(黑)水固含量约300 mg/L有大幅降低，但依然较高，没有达到理想的效果，且目测洗涤塔排(黑)水较为浑浊，表明旋风分离器的分离效果不佳，未能将合成气中的灰渣等颗粒物有效洗涤、分离，导致洗涤塔出口合成气固含量≤10 mg/m3的设计指标未能达成；③ 激冷水泵从洗涤塔塔釜抽取灰水供气化炉激冷环使用，它是航天炉气化装置水系统平衡和保障激冷环和下降管安全运行的关键设备，一旦激冷水泵故障或激冷水流量出现大幅波动都可能导致停车事件发生，因此激冷水泵出口流量设置了安全联锁以确保其稳定高效运行，而由于旋风分离器分离效果不佳，在每月定期倒激冷水泵清理滤网时发现滤网上灰垢较多，激冷水泵进/出口阀门轨道有积灰现象。总之，需对旋风分离器系统工艺控制参数进一步进行优化调整。

2.4.2 运行问题原因分析

2.4.2.1出激冷室合成气夹带液态水的原因

气化炉燃烧室产生的合成气通过渣口进入激冷室，高温合成气在经过激冷环和下降管时被激冷水激冷，大量的激冷水被汽化；激冷室内部的下降管和上升管一般有30%～50%处于激冷室的液位内，汽化后的蒸汽和合成气一并沿下降管进入激冷室的水浴中，经水浴后沿上升管出液面离开气化炉进入下一设备。由于合成气温度高，具有汽化激冷水的能量，同时合成气流速的变化又具备了夹带液态水的能量，就会出现出气化炉合成气带水的现象。虽然合成气出气化炉前其中的大部分液态水经激冷室折流板被分离下来，但还是会有一部分液态水被合成气带出气化炉，通过文丘里洗涤器进入旋风分离器中。出激冷室合成气夹带少量液态水属正常现象，但当出激冷室合成气夹带大量液态水并被带入旋风分离器的话，就需要加大旋风分离器的排(黑)水来维持其液位平衡了。

2.4.2.2出洗涤塔合成气固含量超标的原因

航天炉中粉煤与氧气燃烧后产生的高温合成气和灰渣，首先通过激冷室经激冷水洗涤，因而激冷室(排)黑水固含量是最高的、水质也是最差的，如激冷室(排)黑水量不足、合成气固含量过高超出旋风分离器的处理能力，或文丘里洗涤器喷淋水流量偏小而达不到理想的增湿除尘效果，就会导致旋风分离器分离效果不佳，入洗涤塔的合成气固含量偏高，最终导致出洗涤塔合成气固含量超标。

2.4.3 工艺控制参数优化调整

从理论上讲，加大激冷室(排)黑水量以减小旋风分离器的处理负荷，同时增大文丘里洗涤器的喷淋水量以提高合成气的增湿除尘效果，有利于固体颗粒在旋风分离器中沉降下来，降低合成气的含固量，优化合成气气质。

增大激冷水量可以有效排出合成气初次洗涤产生的含固量较高的黑水，加大激冷室(排)黑水量可以有效改善旋风分离器进口合成气气质，降低其运行负荷。激冷室黑水的排量受激冷水流量及气化炉激冷室合成气带水量等因素的影响，激冷水流量一般固定后不再随意调整，激冷室合成气带水量则受原料煤煤质、气化炉热负荷等因素影响，一般不易人为控制或调整；控制激冷室液位的常规手段是通过调整气化炉激冷室黑水排量来实现，为控制激冷室液位在安全、合理的区间，激冷室黑水排量也不能过大，在一定负荷下激冷室液位稳定可控的工况下，需摸索最大限度提高激冷室黑水排量。

增加文丘里洗涤器喷淋水量可提高增湿除尘效果，加速合成气中固体颗粒的沉降，但喷淋水量过大会使文丘里洗涤器系统阻力增加，影响气化装置(或旋风分离器系统)压力，故文丘里洗涤器喷淋水量也并非越大越好，需寻找一个最佳值。

在上述工艺控制参数优化调整思路指导下，逐步进行优化调整，优化调整过程中在洗涤塔合成气出口取冷凝水样进行分析以观察调整效果——在气化炉氧负荷37 000 m3/h的工况下，气化激冷室(排)黑水量由设计值178 m3/h逐步调整至300 m3/h，文丘里洗涤器喷淋水量由设计值87 m3/h逐步调整至120 m3/h，旋风分离器排(黑)水量由设计值185 m3/h逐步调整至260 m3/h左右。

2.4.4 优化效果

旋风分离器系统工艺控制参数经上述优化调整后，取得了明显的效果：① 系统水质及气质方面，洗涤塔排(黑)水固含量由优化前的80 mg/L降至优化后的20 mg/L，洗涤塔出口合成气固含量由优化前的50 mg/m3降至优化后的10 mg/m3，洗涤塔出口合成气固含量达到设计值，表明旋风分离器实现了稳定、高效运行；② 重要设备运行方面，由于洗涤塔洗涤水水质得到明显改善，激冷水泵运行稳定，倒泵清理滤网时未发现有明显的灰垢，激冷水泵进/出口阀门轨道无明显积灰现象，进/出口阀开关自如。

3 结束语

鉴于航天炉粉煤加压气化装置常规的合成气洗涤流程存在合成气固含量高、影响洗涤设备使用寿命、影响激冷水水质等问题，泉盛化工原料和动力结构调整项目设计之初就在气化装置设置了旋风分离器，并针对投运后因旋风分离器分离效果不佳导致的洗涤塔排水水质和出口合成气气质较差等问题，工艺上通过不断地优化调整，在不同负荷下控制适宜的工艺参数，实现了旋风分离器的稳定运行和良好的分离效果，为激冷水泵提供了优质的水源，确保了激冷环、激冷水泵等设备的良好运行，保障了航天炉粉煤加压气化装置的安全、稳定、长周期运行。