文丘里洗涤器在净化粗煤气中的应用及优化

徐 煜，李淑华，普绕华

（云南先锋化工有限公司，云南 寻甸 655204）

文丘里洗涤器具有结构简单、造价低廉、占地面积小、操作和维修方便，以及净化效率高等优点。文丘里洗涤器对细粉尘具有较高的净化效率，且对高温气体的降温也有很好的效果，适宜净化高温、易燃、易爆及有害气体的降温和除尘，缺点是压力损失大［1］。

云南先锋褐煤洁净化利用试验示范项目（以下简称“云南先锋项目”）以当地低阶褐煤为原料，主要生产甲醇、汽油、LNG、LPG、硫酸等产品。该项目采用固定床熔渣气化技术为气头，生产甲醇合成的原料气，主要组分为CO、CO2、H2、CH4。因气化原料为高水分 （Mt：35% ～38%）、高挥发分 （Var：～38%）、高灰分（Aar：12% ～25%）、热稳定性差的低阶褐煤，因此固定床熔渣气化出口粗煤气的水分含量高，且含尘、含油。该粗煤气需设置高效、多功能的洗涤装置。

云南先锋煤气化装置的粗煤气洗涤系统，采用三级文丘里洗涤对粗煤气进行洗涤除尘、降温、除湿。

1 粗煤气洗涤系统简介

粗煤气洗涤系统主要包括：一级文丘里洗涤器（1）、一级文丘里洗涤器（2）、二级文丘里洗涤器（1）、二级文丘里洗涤器（2）、三级文丘里洗涤器（1）、三级文丘里洗涤器（2）、洗涤循环泵等设备。采用三级串联模式（见图1），洗涤水在喷淋过程中吸热温度升高，粗煤气洗涤降温形成饱和煤气。饱和煤气中的水蒸气，在后续一氧化碳变换过程中得以消耗，达到降低煤气化废水处理量及节能的目的。

图1 粗煤气洗涤系统流程简图

1.1 粗煤气洗涤系工艺流程简述

气化炉出口的粗煤气在一级文丘里洗涤器（1）进行第一次洗涤并降温，粗煤气温度降至195℃左右，粗煤气中的酚类、焦油及颗粒得到初步分离。

随后煤气再进入二级文丘里洗涤器（1）和三级文丘洗涤器（1）进一步洗涤和分离。一级文丘里洗涤器高浓洗涤水送至后系统除尘、回收洗涤水中的油酚类产品，三级相对洁净的洗涤水通过洗涤循环泵循环使用。

在各级洗涤分离器底部的排液管线中设置冲洗管线，利用冲洗管线定期对排液管线进行冲洗，防止排液管线堵塞。粗煤气经洗涤、冷却、分离，送至后续工序。

2 文丘里洗涤系统运行存在的问题

粗煤气洗涤系统自2013年底运行以来，出现文丘里洗涤系统阻力过大的现象，表1给出处理粗煤气洗涤系统阻力分布情况。

表1 粗煤气洗涤系统阻力分布情况

由表1可知，粗煤气洗涤系统主要阻力集中在二级文丘里洗涤器上。二级文丘里洗涤器压力降高达135 kPa，占了该系统67.5%的阻力。

2.1 二级文丘里洗涤器设计参数

二级文丘里洗涤器的设计参数见表2，运行中气体组成见表3。

表2 二级文丘里洗涤器原参数

表3 实际运行过程中气体组分（mol%）

2.2 二级文丘里洗涤器阻力大的原因

1）液气比过高

一级文丘里洗涤器主要用于粗煤气降温，并进行初步除尘洗涤，液气比为14.5 L／m3。二级文丘里洗涤器承担着洗涤除尘的作用，因而洗涤水量设置加大，洗涤水约为一级文丘里洗涤器的3倍，液气比高达54.80 L／m3。粗煤气经过二级文丘里洗涤器后相对洁净，三级文丘里洗涤器起辅助洗涤降温作用，洗涤水仅为二级文丘里洗涤器的1／4。

2）洗涤水水质相对较差

二级文丘里洗涤器洗涤水全部采用洗涤循环泵出口水进行洗涤（见图1），洗涤水为洗涤系统内部循环水，水质含尘、油等，水质相对新鲜洗涤水水质较差。

3）喉管喉径过小

二级文丘里洗涤器原有喉管喉径偏小（150 mm），通过喉径的相对气速较快，阻力增加。

2.3 粗煤气洗涤系统优化

从粗煤气洗涤系统流程配置上看，二级文丘里洗涤器承担着洗涤除尘的作用。为保证文丘里洗涤系统的效果，首先必需确保二级文丘里洗涤器的洗涤效果。

从系统流程图来看，粗煤气洗涤系统流程配置不宜调整，而受后系统新鲜洗涤水供应限制，又无法将二级文丘里洗涤器洗涤水改为相对洁净的新鲜洗涤水。因此，降低粗煤气系统阻力，必须从二级文丘里洗涤器结构上着手。

文丘里洗涤器压力损失主要由喉管部分产生。从施工周期、难度及成本等多方面综合考虑，确定了重新设计优化二级文丘里洗涤器喉管部分结构，是降低阻力、解决粗煤气洗涤系统阻力过大最为经济可行的途径。

3 二级文丘里喉管优化设计

3.1 压力损失计算

文丘里管的压力损失是一个比较复杂的问题。在进行文丘里洗涤器设计时，国内推荐使用计算压力损失的方法主要有两种，一种方法推荐使用Hesketh经验公式［4-6］：

式中：ΔP为文丘里管的压力损失，Pa；νgt为喉管处的气流速度，m／s；At为喉管的截面积，m2；ρg为气体密度，kg／m3；Lg为液气比，L／m3。

另一种方法推荐使用公式［7-8］：

式中：K1为干气体通过文氏管（不喷水）时的阻力系数，取决于其结构尺寸与加工精度，K1＝0.177～0.340；K2为水时的阻力系数，Lg＝0.55～1.0 L／m3，气流方向与液体喷射方向一致时，K2＝（0.89～0.34）Lg。

本文采用公式（1）进行文丘里洗涤器压力损失设计计算。二级文丘里洗涤器设计基础见表4，5。

表4 二级文丘里洗涤器设计参数

表5 气体组分

3.2 二级文丘里喉管工艺计算

粗煤气洗涤系统设计运行压力损失为100～150 kPa。因此，设计计算条件为：二级文丘里洗涤器压力损失＜30 kPa。由此相关数据代入公式（1）可计算出喉管截面积：

解得，喉管截面积At＝0.0582 m2，喉管直径d2≈273 mm。

3.3 二级文丘里喉管优化设计

根据工艺计算结果，在实际工况条件下，理论计算喉管直径273 mm可满足30 kPa压降要求。工程设计时要考虑一定的安全系统，结合二级文丘里洗涤器壳体限制条件，最终确定二级文丘里洗涤器喉管尺寸为：ϕ290×200。优化设计后二级文丘里相关参数见表6。

表6 优化后二级文丘里洗涤器参数

4 优化后运行效果

云南先锋煤气化装置项目的粗煤气洗涤系统的二级文丘里洗涤器喉管由ϕ150×200优化改造为ϕ290×200前后阻力对比见表7。改造后，二级文丘里洗涤器阻力38 kPa，与理论计算接近。

表7 优化改造前后粗煤气洗涤系统阻力对比表

5 结语

首台二级文丘里洗涤器喉管改造工作于2015年1月完成，二级文丘里洗涤器喉管优化改造后，粗煤气洗涤系统阻力降由200 kPa至98 kPa，减少了51%。首台二级文丘里洗涤器优化改造成功后，煤气化装置其余7台二级文丘里洗涤器喉管相继改造为ϕ290×200，运行过程中最高阻力约140 kPa，均能满足粗煤气洗涤系统运行压力损失100～150 kPa设计要求。