煤制气装置在线分析仪表 预处理系统的改造探究
摘要：煤制气装置中测定水洗塔塔顶气时，在线分析仪表预处理部分出 现了取样部位堵塞、管线堵塞、进氧表流量波动、样品中水汽在管线中 液化等问题，针对出现的问题，进行了一些尝试和探究，目前在线分析 仪表能够正常运行，测量数据稳定无波动。 关键词：煤制气；水洗塔；堵塞；在线色谱分析仪；氧表；改造；蒸汽 伴热
1 工艺状况简介
煤制气装置中有7台气化炉，反应生成的燃气温度 约450～580℃,自炉顶排出，经过旋风分离器进行除尘 后，进入废热锅炉回收高温气体余热，出废热锅炉温度 约200℃进入洗气塔底部，在塔中用来自造气污水处理 系统的闭路循环冷却水喷淋冷却洗涤，冷却到40℃并洗 涤其中夹带的尘埃和焦油，工艺流程如图1所示。由于 气化炉出口粗合成气中固体颗粒较多,经过洗涤塔洗涤 后的合成气已相对干净，所以，将对合成气进行在线分 析的取样点设在了洗涤塔出口的管线上，分别安装了3
台双流路，1台单流路的横河GC8000气相色谱和7台仕 富梅的磁氧分析仪，用于测定水煤气的组分H2、CO、 CO2和氧含量。通过设置气相色谱分析仪对合成气的 主要组分含量的分析，方便实时掌握煤制气的有效气 （CO+H2）含量、气化的效率以及气化炉的运行状态[1]， 通过设置氧表测定煤制气中的氧含量，为气化炉的安全 运行提供了帮助。 在线分析仪对样品的温度、压力、水分含量、腐 蚀性气体含量、灰尘粒度等条件要求非常严格，样品的 品质往往直接影响分析仪的使用效果，甚至毁坏分析仪 表的器件，所以设置一个可靠和完善的样品预处理装置 就显得尤其重要。但是由于设计初期对工况的实际运行 效果不了解，对于样气的洁净程度过于自信，设计的预 处理并没能将实际样品处理到能进表的质量要求，从而 出现了一系列问题，仪表测量经常中断甚至停止，不能 很好地指导工艺调整。
图1 工艺流程图
2 存在的问题及原因
问题一：预处理系统最初的设计是根据设计院出 具的仪表数据表中的介质条件进行设计的，理想条件是
2018.09 AUTOMATION PANORAMA 95
样气经过水洗塔之后会除净焦油、粉尘等杂质，不会 对管线造成影响，且此处样品的温度在40℃，压力为 微正压4kPa左右，这与GE公司水煤浆加压气化技术产 生的样气不同，其样气为含少量液态水的气态介质,压 力6.25MPa,温度242摄氏度,压力大、温度高、需要减 压、降温、除液态水、除尘处理[2]。我们这套预处理系 统仅仅做了简单的除水、过滤处理，过滤过程使用的滤 芯也是根据洁净度较高的样品进行的选择。在实际运行 过程中，水洗塔并没有达到那么高的洗涤效率，在取样 的工艺管道中不可避免的还是携带出了一部分的焦油、 粉尘等杂质，这就对原设计的预处理系统处理能力造成 了压力，取样部位经常出现堵塞，样品无法到达分析仪 表，分析结果失真或者无结果。 问题二：由于整个管线采用电伴热，电伴热温度 过低，而前级预处理系统的除水能力有限，导致管线内 水汽出现液化，同样的，与灰尘黏连在一起形成了固体 颗粒物，堵塞管线。 问题三：由于样品压力较低，在二级预处理处设 计了样品泵。经过前级预处理之后通过三通球阀，将 样气一分为二，分别经过独立的样品泵进入氧表和色 谱仪。正是独立设泵这样的设计，使得氧表和色谱仪 出现了流量竞争而相互影响，而氧表对流量的稳定性 要求较高[3]，因而所受影响较大，导致氧表测定的数 据经常波动。 针对以上出现的问题，我们进行了一些尝试和 探究。
3 改造方案探究及尝试
3.1 堵塞问题的改造方案 一级预处理（前级预处理）系统安装在采样旁， 二级预处理背挂在分析屋外。针对取样部位经常堵塞， 仪表取不到样的问题，首先对一级预处理部分进行了 改造。原取样部分采取的是直接采样的方式，在管道焊 接一个DN50闸阀，取样阀用于对取样装置维护时切断 工艺气体，取样阀上面接一个丝网过滤器，过滤掉样气 中的固体颗粒杂质，过滤器上面紧接一个旋风制冷器， 旋风制冷器与工艺装置换热器原理一样，热的样气从管 间通过，仪表风从管内通过，冷却过程中样气中的水被 冷凝，向下流动，固体颗粒被析出的饱和水逆流冲刷带
回工艺管道达到自清洗、自净化的目的[1]，设计的初衷 是很理想的。但是含有水汽的气态样品在旋风分离器降 温后，并没有多少液态水冷凝下来，裹挟着夹带出的粉 尘、焦油等粘连到一起，形成了大的固体颗粒物覆盖在 致密的钢丝网滤芯上，样气穿出的阻力增大，本就是微 正压的样品，现在压力更低，导致取样困难，更甚者在 冬季取样部位会出现结冰，完全堵塞取样口。取样部位 堵塞，维护人员需要经常拆卸过滤器进行清洗、吹扫， 7个并联的取样部位都需要一一进行清洗、吹扫，这几 乎要求配备一个专职人员管理这几台分析仪表。此处拆 卸、清洗吹扫工作量较大，同时堵塞对二级预处理部位 的样品泵也造成了一定的损坏。 针对此问题，进行的改造是将填充过滤器的钢丝网 抽出一部分，增加样气的通透性，同时在取样部位增加 了氮气、蒸汽反吹管线，提前对过滤器进行吹扫，相比 之前一一将每个过滤器拆卸下来进行清洗吹扫来说，工 作量降低了很多，但是清洗、吹扫的频率仍没有大的改 观，需要人工频繁的操作氮气，蒸汽反吹阀。 一波未平，一波又起，原电伴热温度仅在70度左 右，取样管线中的水汽出现液化现象，与样气携带的 灰尘也形成固态颗粒物，管线也会堵塞，同样的也需 要先用蒸汽反吹润湿软化固体颗粒物，流出黑色粘稠 的液体，一定时间后直到流出洁净的水汽，再用氮气吹 干管线。 为了彻底的解决取样部位和管线的堵塞问题，我们 对前级预处理进行了重新设计。用采样探头代替了原来 的取样方式，探头直接插入到工艺管道的中心处，采样 探头的斜坡面背对流体，这样可以利用固体粉尘颗粒的 惯性达到气固分离，防止大量固体粉尘聚集堵塞采样管 线，也可以防止附壁效应（壁上物料没有代表性）。 样品管线引至地面进行前级预处理。前级预处理由 沉降罐和过滤器组成，用装有琉璃球的沉降罐先除水， 除灰尘，两个冗余过滤器再次进行细微颗粒过滤。在此 处增加了氮气、蒸汽反吹，可以同时达到吹扫管线和采 样探头的目的。为了响应公司倡导的智能化、自动化理 念，我们全部采用电磁阀自动控制，实现吹扫、清洗自 动进行（改造后如图2所示）。自动反吹系统在一级预 处理和二级预处理之间，根据前期取样探头和管线堵塞 的频率，设定一定的吹扫时间和吹扫周期，实现无人操 作，无人参与的目的，大大降低了人工工作量。
技术纵横Technology96
图2 改造后工艺流程图 3.2 电伴热更换为蒸汽伴热 原电伴热温度较低，管线中有水汽液化的风险，加 之二级预处理部位除水能力有限，出现过液态水进表的 问题，为了降低此种风险将电伴热更换为蒸汽伴热。装 置蒸汽一路作为管线和采样探头的反吹气，一路作为伴 热热源，既解决了样品在探头处的堵塞问题，也避免了 水汽在管线中的凝结。 3.3 流量波动影响氧表测量 针对样品流量不稳定，导致氧表测量结果波动的问 题，我们也尝试了一些改进。原设计的两台样品泵对来 自主管道的样气流量有影响，同时会有样品气出现互串 的风险，导致进入仪表的流量不稳定。如何在现有条件 下，利用已有材料，达到在线分析仪表的使用条件，发 挥其价值？ 为了降低改造成本，实现修旧利废，将原氧表和色 谱仪的预处理系统进行融合改造。原来的两套预处理系 统的设计思路是一样的，结构都是两个小型的T型冗余 过滤器、样品泵、一路旁通返回工艺、一路通过旋风制 冷器除水、T型过滤器过滤之后进表。我们进行的改造 是使用一台样品泵进行取样，保证两台仪表的样品流量 相同。 泵后增压样品经过旋风制冷器除水先进氧表，再将 泵后旁通连接原色谱预处理中的旋风制冷器，经过过滤 进色谱，这样的设计可以保证样品先进氧表，稳定氧表 流量，减少流量变化对测量结果带来的影响。当然为了 适应当前工况条件，同时也将预处理最前面的冗余过滤
器更换为沉降罐，保护样品泵，将阻液器加在所有处理 之后进表之前的管线上，进一步保护在线分析仪（如图 3所示）。经过层层保护，样品泵的故障率降低，分析 仪未再出现进水现象。
图3 改造后二级预处理图
4 改造效果
经过以上改造，水洗塔管线的在线分析仪表能够 正常运行，色谱数据能够给予工艺一定指导，氧表数据 不再因为流量出现波动状况，为气化炉的安全操作保驾 护航。