HT-L粉煤气化真空闪蒸系统存在的问题及对策分析

王攀攀，张建仕，姜 丽

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南开封 475000)

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司年产120万t合成氨项目中的气化装置采用国内自主创新的HT-L粉煤加压气化技术。该技术通过盘管式水冷壁气化炉、顶烧式单烧嘴、粉煤干法进料及湿法除渣工艺综合作用，在工作温度(1 500～1 700 ℃)及压力(4.0 MPa)下，以纯氧及少量水蒸气为气化剂在气化炉中对粉煤进行气化，生成以CO+H2为主的湿煤气，经激冷和洗涤后，饱和了水蒸气并除去细灰，送入变换系统[1-2]。气化产生的粗渣脱水后运走，含有细灰的205 ℃左右的黑水则经二级闪蒸回收热量和冷凝液，作为气化洗涤水循环利用。气化装置现有4套Φ3 200/Φ3 800 HT-L航天气化炉(简称航天炉)，原料耗煤质量流量设计为212 t/h，合成氨产能为120万t/a。

1 真空闪蒸系统流程

真空闪蒸系统的流程简图见图1。

V-1801—高压闪蒸罐;V-1804—真空闪蒸罐;E-1802—真空闪蒸冷凝器;V-1805—真空闪蒸分离罐;T-1801—灰水槽;P-1811—真空闪蒸泵;S-1801—沉降槽。

高压闪蒸罐底部的黑水温度约为157 ℃。黑水进入真空闪蒸罐，在-0.05 MPa下进一步被闪蒸，残留的黑水(温度约为82 ℃)送至沉降槽中。

真空闪蒸罐顶部出口气体顺管线流经真空闪蒸冷凝器，大部分的水蒸气被冷凝下来，然后进入真空闪蒸分离罐。真空闪蒸汽在真空闪蒸分离罐分离下来的液体流入灰水槽；从真空闪蒸分离罐顶部出来的不凝气体(CO、H2、CH4等)由管线入真空闪蒸泵进口。真空闪蒸罐所需的真空度由真空闪蒸泵提供，新鲜水与气体一起由真空闪蒸泵进口吸入，并从出口排至真空闪蒸泵分离罐中进行气液分离。为了防止真空闪蒸泵内水温过高，并补充水的损失，新鲜水需要由管线连续补入真空闪蒸泵。真空闪蒸泵分离罐顶部气体放空，真空闪蒸罐的真空度由放空管气体回流管线上的18PV-1004阀来调节。

2 存在的问题

2.1 真空闪蒸罐内件及内壁冲刷严重

由于高压闪蒸系统的操作压力为0.55 MPa，而真空闪蒸系统的操作压力为-0.05 MPa，当高压闪蒸罐内的黑水排至真空闪蒸罐时，其压降为0.6 MPa；同时，黑水中煤灰含量较高，所以当黑水水平进入真空闪蒸罐后对分流板及设备内壁冲击较大，长期运行会导致分流板因冲刷严重而脱落[3-4]。分流板脱落后，轻则掉入黑水沉降系统堵塞底流泵管道，造成底流泵不打量；重则堵塞真空闪蒸罐底部液相出口，造成真空闪蒸罐漫罐，真空闪蒸系统超压；更甚者会引发高压闪蒸系统超压而停车。与此同时，因真空闪蒸罐内分流板脱落，来自高压闪蒸的黑水介质会直接对真空闪蒸罐内壁造成极大的冲刷，对航天炉的长周期运行造成极大的隐患。

2.2 真空闪蒸冷凝器壳程易堵塞

该真空闪蒸冷凝器为水平安装的列管式换热器，采用循环冷却水冷却，冷却水走管程，闪蒸汽走壳程。由于真空闪蒸冷凝器管束间隙非常小，来自真空闪蒸罐的闪蒸汽非常容易在间隙内沉积。从长期运行的经验来看，一般该真空闪蒸冷凝器投用3个月左右就会出现真空闪蒸冷凝器壳程堵塞现象，现场冷凝器本体开始出现低温区(因内部堵塞，闪蒸汽不流通)。由于真空闪蒸冷凝器内闪蒸汽通道变小，造成真空闪蒸系统操作压力升高，甚至出现正压，不利于黑水闪蒸，造成真空闪蒸黑水外排沉降槽的管线振动大，沉降槽内黑水沉降效果差，进而造成返回系统的灰水水质差，长期运行灰水管线结垢严重，系统阻力增大，非常不利于航天炉的长周期运行。

2.3 真空闪蒸冷凝器壳程堵塞后清理难度大

因为真空闪蒸冷凝器管束间隙过小，且整个管束被卡在一起，其内部沉积的煤灰很难直接清理，因此清理难度非常大，且在施工时有较大的安全风险。从理论上有2种清理方案，具体见表1。

表1 清理方案

3 原因分析及处理方案

3.1 真空闪蒸罐内件及内壁冲刷过大

真空闪蒸系统作为HT-L粉煤气化水处理中的重要组成部分，其作用是在负压状态把来自高压闪蒸系统的黑水进一步闪蒸，一方面把黑水的一部分酸性气解吸出来，另一方面进一步浓缩黑水，为后续黑水沉降工序创造条件。来自高压闪蒸系统高温(159 ℃)、高压(0.5 MPa)、高含固量的黑水经过减压角阀(进口DN250/出口DN80)后直接进入到-5 kPa的真空闪蒸罐内，一方面依据能量守恒定律，经过减压阀后的介质会有部分能量转化成动能,另一方面减压后介质中部分水转换成水蒸气，黑水含固量会进一步增加。这样的水、灰、气混合体对真空闪蒸罐内件及本体的冲击力度非常大。

经分析认为这股黑水的冲刷力量无法避免，只能减缓，最后决定从进水方式进行改进，即把真空闪蒸罐进口角阀由原来的水平安装改为垂直安装，角阀后耐磨短节由耐磨三通替代。来自高压闪蒸罐的黑水先到耐磨三通中缓冲后再进入真空闪蒸罐，大大降低了黑水对真空闪蒸内件的冲刷。

2018年6月对A、B炉真空闪蒸进水方式进行了改造。从4 a多的运行情况来看，效果非常好。改造前后的数据对比见表2。

表2 改造前后真空闪蒸数据对比

3.2 真空闪蒸冷凝器壳程易堵塞

从现场检修过的真空闪蒸冷凝器情况来看，堵塞的物质中煤灰质量分数超过90%。经过分析得出来自真空闪蒸罐顶部的闪蒸汽中夹带的未分离下来的煤灰在真空闪蒸冷凝器壳程沉积是造成真空闪蒸冷凝器壳程堵塞的主要原因。原闪蒸空间过小造成闪蒸汽中带灰过多。因此，决定从以下2个方面解决：

(1) 增大真空闪蒸罐的闪蒸空间。随着闪蒸空间的加大，闪蒸汽中夹带的黑水有了更大的分离空间，大大减少出真空闪蒸罐时闪蒸汽中夹带的煤灰。

(2) 加大真空闪蒸罐气相出口处的折流挡板尺寸。原真空闪蒸罐气相出口处的折流挡板尺寸过小，导致折流效果较差。经过充分计算论证，最终决定在遵循原工艺系统的设计参数下，制作新的真空闪蒸罐，即将真空闪蒸罐筒体与上封头焊缝间增高2.2 m，折流挡板尺寸由原来的0.8 m增加到1.0 m。2018年6月，B炉真空闪蒸装置改造完成，同时也对该套真空闪蒸冷凝器进行了更换。从4 a多的运行情况来看，真空闪蒸冷凝器的清理周期由原来的8个月左右延长到2 a左右,大大减缓了真空闪蒸冷凝器壳程堵塞问题。

3.3 真空闪蒸冷凝器壳程堵塞后清理难度大

原真空闪蒸冷凝器选用的是列管式换热器，壳程介质是闪蒸汽，管程介质是循环水。通过多次现场真空闪蒸冷凝器检修时发现，管程堵塞情况比壳程好得多，几乎不用清理。经过技术组内部讨论，提出以下技改方案:交换真空闪蒸冷凝器中的管程介质与壳程介质，让循环水走壳程，闪蒸汽走管程。改造后，新真空闪蒸冷凝器于2020年10月投用运行至今，由于闪蒸汽走管程，一旦堵塞，可切出拆封头，直接用高压水枪进行清理，清理难度大大降低。

4 结语

目前真空闪蒸系统对于湿法除渣的煤气化技术(包含所有水煤浆气化技术及部分粉煤气化技术)至关重要。河南晋开化工投资控股集团有限责任公司已有近10 a的HT-L粉煤气化运行经验，经过技术人员多年来的不断摸索总结，有效解决了真空闪蒸系统存在的问题，不仅节省了一定的人力、物力、财力，而且降低了特殊条件下的作业风险，从而保障了真空闪蒸系统安全、稳定、长周期的运行。