李玉成，欒運加

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253024）

1 多噴嘴氣化裝置概況

山東華魯恒升化工股份有限公司（簡稱華魯恒升）傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級1200kt／a甲醇項目中，氣化裝置采用華東理工大學專利技術——多噴嘴水煤漿加壓氣化工藝，其技術特點主要為，采用多噴嘴對置式氣流床氣化爐及復合床高溫煤氣冷卻洗滌設備，混合器、旋風分離器、水洗塔三單元組合分級凈化的煤氣初步凈化工藝，蒸發(fā)分離直接換熱式渣水處理工藝［1］。

華魯恒升1200kt／a甲醇項目多噴嘴氣化爐為當時華東理工大學設計的最大多噴嘴氣化爐，氣化爐直徑3880mm，設計投煤量2500t／d，采用兩開一備的運行模式。多噴嘴氣化裝置于2017年9月28日一次投料成功。多噴嘴氣化爐自投運以來，持續(xù)保持較高運行負荷，最高投煤量可達2700t／d，所產(chǎn)粗煤氣中有效氣（C0＋H2）含量相對較高，平均82.35%，最高達83.50%，燒嘴使用壽命及氣化爐運行周期平均在80d（氣化裝置運行周期主要制約因素為燒嘴泄漏，最短一次由于燒嘴泄漏僅運行17d就被迫停爐連投，最近兩年因引入多家燒嘴維修單位協(xié)作，燒嘴使用壽命有所延長），日常執(zhí)行計劃倒爐操作，氣化裝置總體運行狀況良好。但在多噴嘴氣化裝置運行初期，由于灰水系統(tǒng)灰水pH持續(xù)偏低，導致低壓段設備及管道多處出現(xiàn)腐蝕、泄漏，曾一度困擾系統(tǒng)的正常生產(chǎn)與穩(wěn)定運行，后通過采取一系列優(yōu)化改進措施和工藝調(diào)整，灰水水質得到控制。

2 多噴嘴氣化裝置工藝流程及氣化流場特點

2.1 工藝流程簡介

多噴嘴氣化裝置煤漿制備系統(tǒng)制得的煤漿，經(jīng)高壓煤漿泵加壓分兩路分別進入一對對置安裝的水平燒嘴，與來自空分裝置的高壓純氧在預熱完全的氣化爐內(nèi)進行氣化反應，生成以CO和H2為主的粗煤氣。粗煤氣與灰渣經(jīng)激冷環(huán)、下降管、激冷室冷卻分離，粗煤氣經(jīng)旋風分離器除塵、水洗塔洗滌后送變換系統(tǒng)，氣化爐黑水、旋風分離器黑水、水洗塔黑水則經(jīng)黑水角閥減壓送蒸發(fā)熱水塔，與來自低壓灰水泵的灰水進行換熱，換熱后的低壓灰水送水洗塔，再經(jīng)泵送氣化爐激冷室；蒸發(fā)熱水塔氣相經(jīng)冷卻送變換汽提塔或放空火炬，蒸發(fā)熱水塔底部黑水則經(jīng)低壓閃蒸系統(tǒng)和真空閃蒸系統(tǒng)二次閃蒸，灰水循環(huán)利用，閃蒸氣送火炬。

2.2 氣化流場特點

多噴嘴氣化爐的實際運行中，因其特殊的氣化流場（四噴嘴與單噴嘴氣化爐流場分布的比較如圖1）和技術優(yōu)勢［2］，即采用兩對對置式水平安裝的4個燒嘴，利用其多股物料的射流撞擊，不僅加速了物料在氣化爐內(nèi)的混合，促進了傳質傳熱，而且4個燒嘴位于氣化爐上筒體的同一水平面，相互垂直分布，使得燒嘴的霧化效果更佳，促進了爐內(nèi)一次反應的快速完成，直接進入管流區(qū)完成二次反應，提高氣化效率。在相同水煤漿品質下［注：華魯恒升1200kt／a甲醇項目建成后，對制漿系統(tǒng)進行了技改，原200kt／a甲醇項目單噴嘴多元料漿氣化爐（設計投煤量1200t／d）可以共用1200kt／a甲醇項目制漿系統(tǒng)的煤漿］，1200kt／a甲醇項目多噴嘴氣化爐較200kt／a甲醇項目單噴嘴氣化爐所產(chǎn)粗煤氣中有效氣（C0＋H2）含量增加約1.5% ～2.0%，氣化效率提升明顯。

圖1 四噴嘴與單噴嘴氣化爐流場示意圖

3 灰水pH持續(xù)偏低問題描述及原因分析

3.1 問題描述

華魯恒升多噴嘴氣化裝置運行初期，灰水系統(tǒng)灰水pH持續(xù)偏低，歷時近1a之久，導致低壓段設備及管道多處出現(xiàn)腐蝕、泄漏。起初，氣化爐前幾次常規(guī)停車進行系統(tǒng)檢查時，設備、管道內(nèi)壁沒有結垢現(xiàn)象，與200kt／a甲醇項目多元料漿氣化裝置灰水系統(tǒng)設備內(nèi)結垢較嚴重有明顯不同；后來，多噴嘴氣化裝置出現(xiàn)了設備故障及泄漏，不利于現(xiàn)場操作調(diào)整，存在安全隱患，險些造成系統(tǒng)停車，最終引起重視。

華魯恒升多噴嘴氣化裝置灰水系統(tǒng)設備故障及泄漏問題出現(xiàn)后，通過較長時間的查找分析，并結合氣化爐運行狀況及低壓灰水水質分析數(shù)據(jù)（見表1），發(fā)現(xiàn)灰水pH總體偏低——基本上在5.0～6.5之間，即整個灰水系統(tǒng)為酸性環(huán)境，酸性環(huán)境對碳鋼設備、管件的腐蝕，加上固體顆粒的沖刷，導致在管件彎頭三通處以及介質流速快的變徑處，如低壓灰水泵的出入口、閥門前后等，出現(xiàn)設備與管線泄漏以及閥門無法徹底切斷等問題。

經(jīng)初步分析及多方論證，我們認為，低壓灰水呈酸性的主要原因為氣化爐內(nèi)的反應生成了甲酸，但目前甲酸的形成機理尚不明確。華魯恒升于2018年5月組織了一次對業(yè)內(nèi)多套多噴嘴氣化裝置的考察，通過與煙臺萬華聚氨酯股份有限公司、江蘇索普化工股份有限公司、安徽華誼化工有限公司等企業(yè)及相關專家進行交流，發(fā)現(xiàn)這些企業(yè)也存在類似情況，但目前均沒有有效的工藝調(diào)節(jié)手段。2018年11月中旬，華魯恒升停用了灰水分散劑，并根據(jù)灰水水質分析數(shù)據(jù)計算H＋平衡情況，采用了向灰水槽添加固體燒堿及液堿的方式，但灰水系統(tǒng)腐蝕泄漏情況沒有得到明顯改善。

3.2 灰水pH偏低原因初探

因灰水pH低多次導致閥門無法切斷、管道管件泄漏等，影響氣化裝置的安全穩(wěn)定運行，我們對源自氣化爐、蒸發(fā)熱水塔、高溫熱水罐及灰水槽等部位的黑水進行連續(xù)取樣分析，發(fā)現(xiàn)黑水中存在部分一定濃度的羰基酸，尤其是氣化爐排出的黑水，羰基酸含量較高，其pH最低僅約4.5，而低壓段即灰水系統(tǒng)灰水中則含有較高濃度的C／HC。

據(jù)多噴嘴氣化裝置工藝流程，并結合業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，判斷黑水中的酸性物來源以氣化爐內(nèi)反應產(chǎn)生的甲酸為主，而低壓灰水pH低則是由于閃蒸系統(tǒng)中酸性氣（CO2）溶于灰水以及部分H2S等殘留所致。具體分析如下。

3.2.1 氣化爐內(nèi)反應分析

濃度約62%的水煤漿和純氧，在氣化爐內(nèi)高溫高壓環(huán)境下快速發(fā)生水分蒸發(fā)、煤的熱解及燃燒等一系列非催化部分氧化反應，爐內(nèi)主要發(fā)生的反應如下：

反應式（1）和（2）為完全氧化和部分氧化反應，反應式（3）～（5）為煤的轉化反應。除上述反應外，還包括一些其他的碳轉化、甲烷轉化和變換反應等，這些反應最終生成以CO、H2、CO2為主要成分和以CH4、H2S為次要成分的粗合成氣；同時，氣化爐內(nèi)還可能伴隨以下副反應（副反應產(chǎn)物僅為微量）：

針對氣化爐內(nèi)的反應，華東理工大學曾進行過大量的冷模實驗，并結合氣化爐實際運行經(jīng)驗［3］，提出了如圖1所示的反應區(qū)模型，并認為：出燒嘴時的燃燒反應為一次反應，集中在射流區(qū)，一次反應時間極短，一般在0.2～30s；而各種轉化反應集中的二次反應區(qū)，即回流區(qū)和管流區(qū)，停留時間相對較長，平均5～7s，且各種副反應的發(fā)生也集中在二次反應區(qū)，如反應式（6）、（8）和（10），由于此時的反應速率由傳遞過程控制，因此，爐內(nèi)區(qū)域的分布也導致了產(chǎn)品氣成分的最終差異，尤其是管流區(qū)的長短決定了副反應（產(chǎn)物）的多少。

從四噴嘴和單噴嘴氣化爐流場的對比可以看出，四噴嘴對置式安裝，物料流股相互撞擊，有效改善了混合和質熱傳遞過程，增加了物料和氣流在爐內(nèi)的停留時間，延長了管流區(qū)，即二次反應區(qū)的長度，在提高碳轉化率的同時也促進了副反應的發(fā)生，使得甲酸的生成量大大增加，從而引起黑水及灰水pH降低。

3.2.2 閃蒸及沉降系統(tǒng)工藝流程分析

4 優(yōu)化改進措施

基于上述黑水及灰水pH偏低的原因分析，可以從抑制多噴嘴氣化爐內(nèi)副反應的發(fā)生、降低閃蒸系統(tǒng)酸性氣的溶解及提高酸性氣的汽提效率予以解決。

4.1 抑制氣化爐內(nèi)副反應以減少酸性物的產(chǎn)生

據(jù)多噴嘴氣化爐爐內(nèi)流場分布和反應機理，副反應主要集中于管流區(qū)的二次反應，并受質熱傳遞過程控制，且與物料停留時間較長有關系。因此，可人為縮短管流區(qū)以減少二次反應，抑制副反應發(fā)生，方法如下：方法一，提高多噴嘴氣化爐運行負荷，將投煤漿量從120m3／h逐漸增至135m3／h，不僅可大大縮短物料在爐內(nèi)的停留時間、減少副反應及酸性物的產(chǎn)生，而且可提高氣化裝置的運行效率；方法二，提高入爐煤漿濃度，增加實際入爐物料量，減少質熱傳遞，降低物料在爐內(nèi)的停留時間，以減少副反應的發(fā)生，并提高氣化裝置的出力。

比較上述兩種方法，多噴嘴氣化爐提高運行負荷后，其出口粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量較初始設計有所下降（降幅近0.5%），從氣化爐爐內(nèi)檢查情況來看，爐磚燒蝕及沖刷明顯；提高煤漿濃度，對爐磚沒有不良影響，且氣化爐出口粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量有所提高。因此，實際生產(chǎn)中，我們一方面通過磨機改造實現(xiàn)了煤漿提濃，另一方面優(yōu)化了燒嘴運行參數(shù)。

4.2 去除灰水中的酸性物

（1）基于溫度對酸性物汽提效果的影響，首先，提高閃蒸系統(tǒng)的操作溫度，并降低酸性氣冷凝器的循環(huán)水量，減少冷凝液回系統(tǒng)的量，增加閃蒸系統(tǒng)出口尤其是去火炬的閃蒸氣排放量，以減少酸性氣在系統(tǒng)內(nèi)的溶解；其次，調(diào)整變換汽提塔回灰水系統(tǒng)排放點，重點用于降低灰水pH；再次，將大量酸性氣氣液分離器凝液送往污水處理系統(tǒng)，經(jīng)生化調(diào)節(jié)處理后再返回灰水系統(tǒng)，同時增加中水回用量，相應增加了排至污水處理系統(tǒng)的灰水量，即通過加大系統(tǒng)水循環(huán)量降低了灰水pH。

（2）在灰水澄清槽邊緣增多開口，并通入氮氣加快酸性氣的逸出（氮氣作為一種惰性載氣，不僅可加速酸性氣逸出，而且可起到隔離保護作用）。

采取上述優(yōu)化調(diào)整措施后，系統(tǒng)低壓段灰水pH基本上保持在7.0左右，減輕了灰水系統(tǒng)的腐蝕泄漏，抑制了設備結垢，延長了多噴嘴氣化裝置的運行周期。

5 結束語

通過對業(yè)內(nèi)多噴嘴氣化裝置的運行分析、研究和對比，并結合華魯恒升的生產(chǎn)實踐，我們認為多噴嘴氣化裝置灰水pH偏低的原因在于兩點：一是氣化爐爐內(nèi)管流區(qū)較長導致物料停留時間延長，使得副反應（產(chǎn)物）增加尤其是甲酸生成反應增加；二是灰水中酸性物大量留存。華魯恒升通過采取一系列優(yōu)化改進措施和工藝調(diào)整，目前灰水水質穩(wěn)定，多噴嘴氣化裝置運行狀況良好。