李 刚

（国能新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400）

国能新疆化工有限公司68 万t/a 煤基新材料项目气化装置采用GE 水煤浆气化技术，共设置8 套气化炉系统，5 开3 备，单套系统投煤量1 500 t/d，2016年建成试车，2017 年达产并投入商业运行。GE 水煤浆煤气化工艺系统设置高压闪蒸、低压闪蒸、第一真空闪蒸、第二真空闪蒸四级闪蒸过程，主要处理来自气化炉激冷室、洗涤塔底部的黑水。黑水经减压后进入高压闪蒸罐，溶解在黑水中的微量工艺气体随水汽一起被闪蒸出来。闪蒸后的黑水由罐底进入下一步闪蒸，同时高压闪蒸罐内的闪蒸气经罐顶的旋流板式除沫器水汽分离后进入下一处理单元。其中高压闪蒸罐内的旋流板式除沫器通常在运行60 d 左右就出现旋流板叶片断裂、损坏，严重影响高压闪蒸罐的正常使用。

通常情况下，设备内件的损坏与设备的初始设计、设备制造与维修、运行操作工况等因素有关，因此本文针对高压闪蒸罐除沫器损坏的问题，基于设备结构特点，分别对上述几个因素进行了分析，找出主要原因，并进行了调整优化。

1 设备结构特点与除沫器损坏情况

高压闪蒸罐设计压力1.25 MPa，设计温度230 ℃，筒体直径 3 700 mm，总高度 13 010 mm，材质为Q345R+S31603 ，其中基材 Q345R 壁厚为 22 mm，复合层S31603 壁厚为4 mm。在高压闪蒸罐顶部设置有旋流板式除沫器，除沫器由Φ1 600 mm×400 mm 的套筒、防爬线、环板、旋流板组件等部件组成，其中旋流板组件是除沫器的关键部位，由盲板、叶片和罩筒等部件组成，其中叶片是核心部件。高压闪蒸罐除沫器旋流板组件结构示意图如图1 所示。

图1 高压闪蒸罐除沫器旋流板组件结构示意图

通常情况下，GE 水煤浆气化系统在运行一段时间后需要停车检修，单系统运行周期一般为60 d 左右，在系统停车检修时，基本每次都会发现旋流板叶片与罩筒的根部焊缝、叶片与盲板的焊接点产生明显的裂纹，严重时除沫器上的旋流板叶片、盲板因焊缝断裂后整体脱落，掉至高压闪蒸罐底部，堆积在高压闪蒸罐的底部出水口，造成高压闪蒸罐无法通过底部排水，只能从侧面进行排水，最终造成高压闪蒸罐底部堆积大量灰渣，给后续设备检修带来困难。

2 除沫器旋流板损坏原因分析

2.1 除沫器初始设计核算分析

除沫器初始设计时各项基础工艺参数如下：气体负荷（流量）Vs=5 430 m3/h，夹带液滴量Ls=0.032 m3/s，气体密度 ρG=5.093 kg/m3，液体密度 ρL=887.59 kg/m3。

除沫器初始设计结构尺寸如下：旋流板叶片外径Dx=1 200 mm，盲板外径 Dm=600 mm，叶片数 m=18 片，叶片仰角 α=25 °，径向角β=30 °，叶片厚度 δ=3 mm，罩筒高度Hz=100 mm。

根据除沫器设计理论，将上述参数代入式（1）计算穿孔面积A0：

根据式（2）计算穿孔动能因子F0：

由式（2）可知，穿孔动能因子F0基本满足10 kg0.5/（m0.5·s）～12 kg0.5/（m0.5·s）的取值规定要求[1]。说明初始设计选定的旋流板叶片外径Dx、盲板直径Dm、叶片径向角等值满足设计要求。

2.2 设备运行工况分析

在气化装置正常运行过程中，系统高压闪蒸罐的操作参数和初始设计参数对比见表1。

表1 系统高压闪蒸罐的操作参数和初始设计参数对比

由表1 可知，设备没有出现超温、超压现象，但是黑水进料量为设计值的1.8 倍左右。这是由于在初始工艺系统设计时，是以新疆红沙泉煤矿的煤质特性为基础进行的物料核算，但是在商业运行后，发现单一的红沙泉煤种不能满足生产需求，经过多次试验验证，采用了新疆红沙泉煤矿与新疆黑山煤矿的混煤为原料，导致了气化炉、洗涤塔出来的黑水量与初始设计相比大幅增加。

在GE 水煤浆气化工艺中，高压闪蒸罐的进料黑水分别来自气化炉和洗涤塔，黑水成分为气液固三相混合物，进料总量的增加，势必会导致黑水中气相组分的增加，同时经过闪蒸后还有部分液相转化成气相。由于现场没有设置流量计，无法准确测量高压闪蒸罐通过除沫器的气体流量，结合实际经验和闪蒸原理进行评估，当进料总量为初始设计值的1.8 倍时，气相流量约为初始设计值的1.5 倍，见式（3）：

除沫器旋流板组件的穿孔面积不变，气体密度不变，核算此时的穿孔动能因子F0′，见式（4）：

此时穿孔动能因子F0′不能满足10 kg0.5/(m0.5·s)～12 kg0.5/(m0.5·s) 的取值规定要求。同时通过现场观察，当高压闪蒸罐黑水进料量在260 m3/h 时，高压闪蒸罐顶部的气流声音和振动比黑水进料量在320 m3/h时要小得多。

2.3 设备制造维修分析

为了排除设备制造维修方面的原因，查阅了该类设备制造维修的相关资料，未发现问题。同时为了提高焊接强度，现场还将旋流板叶片的厚度由3 mm 增加至6 mm，并且确认焊接没有质量问题的情况下，运行一个周期后检查还是出现了损坏情况。

通过上述分析认为，除沫器的初始设计、设备制造维修以及旋流板叶片厚度等因素均不是导致旋流板组件损坏的主要原因。分析其主要原因是高压闪蒸罐气相负荷大幅增高，叶片在超过设计允许流量的气体作用下，旋流板会发生较为剧烈的振动，最终导致了旋流板焊缝处开裂损坏。

3 处理措施

根据上述分析，要解决除沫器旋流板叶片断裂问题，需要降低旋流板的穿孔动能因子F0，而影响穿孔动能因子的参数有3 个，分别是气体流量Vs、气体密度ρG和穿孔面积A0，其中气体密度在一定的操作温度和压力条件下基本不变，可以调整的是气体流量和旋流板的穿孔面积。但是在当前装置的生产条件下，正常生产负荷时高压闪蒸罐的气相负荷无法进行大幅度降低，因此只能把增大旋流板的穿孔面积A0作为调整方向。

根据上述旋流板穿孔面积A0的计算公式（1）可知，影响穿孔面积的参数有旋流板叶片外径Dx、盲板外径Dm、叶片数m、叶片仰角α 和叶片厚度δ。

以实际工况条件作为设计基础，对除沫器旋流板组件进行重新设计，同时在保证满足相关规范的前提下，结合现有设备的结构，尽量减少改动量，减小现场的制作、安装工作量。

3.1 计算调整旋流板叶片外径Dx

利用式（5）计算调整旋流板叶片外径Dx：

取整为1.4 m，如按此进行调整，将对除沫器的套筒、防爬线、环板等部件进行制作调整，工作量比较大，并且不利于现场施工。因此决定在不改变旋流板叶片外径Dx的前提下，对盲板外径Dm、叶片数m、叶片仰角α 和叶片厚度δ 等几个参数进行试算，最终使旋流板的穿孔动能因子在规定范围内，初步选取Dx=1 200 mm。

3.2 调整选取旋流板叶片参数

一般情况下，选择叶片仰角 α= 22 °～30 °、叶片数m 为 12 片 ～24 片、叶片厚度 δ 为 3 mm～6 mm、盲板外径Dm为0.25Dx～0.56Dx[1]。其中穿孔面积与α 正相关，与叶片数m、盲板外径Dm负相关，取值时α 尽量选较大值，m、Dm尽量选较小值。而叶片厚度δ 虽然与穿孔面积成负相关，但是影响较小，为了确保旋流板叶片有较高的焊接强度，选取δ=6 mm。

根据上述思路，经过多次选值试算，结合现场实际情况，最终各参数取值如下：Dm=0.42Dx=0.42×1 200=504 mm（为了便于计算，取整为500 mm）、叶片仰角 α= 30 °、叶片数 m=14 片。

3.3 计算穿孔面积A0

根据3.2 节选取的旋流板叶片参数，对调整后的旋流板穿孔面积A0进行计算，见式（6）：

3.4 核算穿孔动能因子F0

利用式（7）核算穿孔动能因子F0：

由式（7）计算结果可知，穿孔动能因子F0满足10 kg0.5/(m0.5·s)～12 kg0.5/(m0.5·s) 的取值规定。

3.5 计算调整旋流板罩筒高度

由于叶片仰角α 由原来的25 °调整为30 °，盲板外径Dm由初始设计的600 mm 调整为500 mm，叶片数量从18 片调整到14 片，旋流板组件罩筒高度Hz和叶片的结构尺寸应做相应调整。计算时要求叶片边线与盲板圆相切。

3.5.1 计算叶片径向角β

利用式（8）计算叶片径向角β：

3.5.2 计算外沿处叶片间的距离hB

利用式（9）计算外沿处叶片间的距离hB：

3.5.3 计算罩筒高初值hz及增量Δ利用式（10）计算罩筒高初值hz：

为了改善气液分离效果，当要求外沿处叶片的水平投影相接，罩筒高需在hz的基础上加一增量Δ，其计算见式（11）：

3.5.4 计算罩筒高度Hz

利用式（12）计算罩筒高度 Hz：

取Hz=0.16 m，即在初始设计100 mm 的基础上增加60 mm 即可，安装时取一块宽60 mm、厚6 mm 的钢带，焊接在原罩筒的顶部即可。调整后除沫器组件结构示意图见图2。

图2 调整后旋流板组件结构示意图

3.6 叶片结构尺寸的计算调整

采用画图法计算叶片的实际尺寸，详细见图3，图3 中ACDF 即为叶片。

作图时，先作出椭圆m 和椭圆z，使他们的短轴和长轴分别重合于X 轴和Y 轴，作椭圆m 的切线AC，以 C 点为圆心，以弦长 L 为半径，求出 D 点，作切线DF 即可。

图3 调整后旋流板叶片结构示意图

其中椭圆 m 的短、长半轴分别按式（13）、（14）计算：

椭圆 z 的短、长半轴、弦长 L 分别按式（15）、（16）、（17）计算：

3.7 实施后效果

现场实施时，首先在8 台高压闪蒸罐中选取了1台按照上述措施进行实施，在黑水进料量300 m3/h～360 m3/h 运行了73 d 后系统停运检修，高压闪蒸罐除沫器旋流板组件未发现损坏，运行期间各项工艺运行参数正常，验证上述措施有效。随后陆续对公司剩余7 台高压闪蒸罐除沫器旋流板组件进行了调整，使用效果良好。

4 结 语

针对高压闪蒸罐除沫器旋流板组件损坏的问题，分别从初始设计、制造安装、工艺运行等方面进行了分析论证，找出了损坏的主要原因，以除沫器旋流板组件设计理论为依据，结合工厂现场的实际情况，以当前运行工艺参数为基础，重新对除沫器旋流板组件的结构进行了核算和调整，实施后达到了预期的效果。另外，在进行理论计算时，采用了多次试算的方法，目的是将旋流板组件穿孔动能因子F0值调整到相对合理。