1. 前言

山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化项目气化灰水处理工序采用的是三级闪蒸流程，在开车过程中，发现高压闪蒸气带灰量较大，严重影响了装置的稳定运行，后来经过工艺、设备技术人员的共同努力，成功的解决了这一难题。本文就气化灰水工序闪蒸气带灰现象进行分析并提出改造措施。

2. 灰水工艺流程简述

仅就与本文有关的流程进行简述，流程简图见图1。

由气化炉来的黑水经减压阀减压后至高温热水塔,塔内压力0.8 MPa，进塔水中溶解的H2S、CO2等气体闪蒸出来，塔上部设有3块塔板，加入变换汽提塔汽提后工艺冷凝液，对气体进行洗涤，出塔气体温度175℃，压力0.8 MPa，与来自高温热水器的闪蒸汽汇合进灰水加热器,为防止灰水加热器介质结垢清洗设备而影响生产,设置了2台灰水加热器，一开一备。闪蒸气在灰水加热器中与至气化灰水进行交换，气体冷却到170℃，换热后气液混合物进高压闪蒸分离器，分离出的不凝气含有少量ＣＯ、H2S至变换汽提塔，液体至除氧器。

由气化水洗塔出来的黑水经减压阀减压后进高温热水器，控制器压力为0.8MPa，黑水减压后汽化闪蒸，闪蒸气与高温热水塔出口气汇合至灰水加热器回收热量。

图1 流程简图

3. 闪蒸气带灰的危害

受闪蒸气带灰影响最大的是灰水加热器，灰水加热器是一台固定管板列管式换热器，其中由高温热水塔和高温热水器来的闪蒸气走壳程，去气化的灰水走管程，两者之间进行换热。由于闪蒸气进入灰水加热器壳程后，流速降低，夹带的细灰逐渐沉积下来，最终导致壳程堵塞，严重影响了换热效果，进而导致整个气化系统热量平衡的紊乱。由于闪蒸气带灰严重堵塞灰水加热器壳程，致使我们多次割开壳程进行清灰处理，但由于未从根本上解决问题，清灰效果不是很理想。

4. 闪蒸气带灰原因分析

通过对出高温热水塔和高温热水器的闪蒸气进行分析，我们发现出高温热水器的闪蒸气中含灰量较大，因此，我们对高温热水器进行了分析和核算，分析和核算过程如下：

4.1原因分析

高温热水器属于气-液-固三相立式分离器，原设计的初衷是通过减压、闪蒸、并借助进料挡板的碰撞作用达到气相与液-固相的分离，原设计的缺点是：

a) 进料挡板太薄弱，易被冲透；

b) 进料挡板固定不够牢固，易被冲掉；

c) 进料挡板角度偏小，对挡板冲击力较大，易冲坏挡板；

d) 分离空间不够，特别是设计依据的介质密度、流量与实际情况有一定的偏差，造成实际运行时分离空间不足；

e) 结构上没有考虑在气相出口对液-固相进一步分离。

主要由于以上原因，使得高温热水器气相出口后的设备极易堵塞，设备本身也易被冲漏。

4.2设备核算

我们参照气-液分离器设计标准HG/T.8-95，对高温热水器进行校核计算。

4.2.1分离器内气速的确定

Vt=[ ]0.5

Vt：浮动（沉降）流速，m/s

d*：液滴直径，m 按200μm计算

ρl、ρG：液体密度和气体密度（按实际），Kg/m3 913.35 Kg/m3、4.54 Kg/m3

Cw：阻力系数

假设Re0=130，由Re与阻力系数（Cw）关系图查得Cw0＝1，计算

Vt1=[ ]0.5

＝0.724 m/s

则Re1= =39.84

由Re1查得Cw1=1.8,重新进行上述计算得

Vt2=[ ]0.5

＝0.540m/s

Re2= =29.72

重复进行上述计算得：Re6＝24.70 Re7＝24.61 前后两次迭代基本相等，计算结束，此时Vt＝0.447 m/s，取ue≤Vt，即容器内的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动（沉降）流速（Vt）。

4.2.2尺寸计算

4.2.2.1直径：D=0.0188( )0.5

VG.max：气体最大体积流量 （＝ ）

按实际运行情况，高温热水器的汽化率取35％

实际运行过程中，水洗塔排水总量为40 m3/h 左右，介质密度为826.28 Kg/m3，则高温热水器顶部的闪蒸汽量为

V=40 m3/h×826.28 Kg/m3×35％＝Kg/h

气体最大体积流量按生产负荷的120％计算

则D=0.0188( )0.5

=0.0188(/4.54/0.447*1.2)0.5

=1.55m

圆整，取D=1.6米

4.2.2.2汽相高度：约为1.2D=1.2×1.6＝1.92米，圆整取2米

接管直径计算：

4.2.2.3入口接管直径：DP>3.34×10－3（VG+VL）0.5ρG0.25=0.247米 取0.25米

4.2.2.4气体出口接管直径：

按设计要求，气体出口接管直径不小于进口管道直径，则气体出口直径取0.25米

4.2.2.5液体出口接管直径：应使液体流速小于等于1m/s

即有：QL/3600/πr2≤1m/s

r≥（QL/πu/3600）0.5=0.046米

则液体出口接管直径最小值为0.092米，取0.1米

综合上述计算，高温热水器的核算尺寸与实际尺寸比较：

核算尺寸 实际尺寸

直径D=1.6米 1.2米

汽相分离高度：2.0米 1.2米

进口管直径：250mm 200mm

汽相出口管直径：250mm 200mm

液相出口管直径：100mm 100mm

5. 改造措施

通过上面的分析与核算，高温热水器的设计工况远远不能满足实际生产工况的需要，因此，我们决定对高温热水器进行改造。

5.1 改造设计时，原设计材质为0Cr18Ni9，是考虑介质的腐蚀性，但在使用中发现，设备损坏的主要原因不是腐蚀而是冲蚀，所以我们在改造时，筒体材料按碳钢考虑，但对设备筒体考虑了≥6mm的腐蚀裕量。

5.2改造设计时，考虑气相密度、液-固相密度及流量数据的偏差，我们将分离器直径增大为1600mm，气相高度增大为2700mm，汽相出口由原来的200mm改为250mm，并去掉出口接管弯头，改为直通。

5.3改造设计时，考虑减压后的进口介质对进料挡板的冲刷严重性，将进料挡板改为多级式并与进料管呈一体、可抽出维修（此时，要将水洗塔来水临时切换到开工冷却器）。

5.4改造设计时，气相出口由于不是单纯的气-液相分离，而是气-液-固相分离，因此不宜采用丝网除沫器，于是采用了气相出口挡板，利用挡板对液-固相的阻挡和重力分离作用，在气相出口对液-固相进一步分离。为了促使流向气相出口的介质尽量能撞击到出口挡板，在进料挡板上部筒体上焊接一圈环板，该挡板有三个作用：①引流；②撞击分离；③作为维修出口挡板平台。

6. 改造后的效果

我们于2006年10月份对高温热水器的设备进行了整体更换，并在2007年4月11日对高温热水器汽相出口管道进行拆检，发现高压闪蒸汽的带灰情况明显降低，管道内基本上没有积灰、结垢情况，灰水换热器也没有再出现壳程堵塞现象。