217-煤气化装置火炬管网采用羽叶分离器对事故火炬带液安全隐患所涉分离罐水封罐改造

       本技术贴主要针对煤化工企业煤气化装置传统技术的事故火炬头存在飘雨“火雨”安全隐患所涉及的气液分离罐和水封罐采用羽叶分离器技术升级改造项目进行分析讨论。

       在煤化工企业煤气化装置、炼化企业石油焦混合气化装置上，布置有各类废气焚烧火炬和事故火炬系统。废弃焚烧类火炬系统，其处理所涉废气量通常相对较小，废气工况压力往往是低压或常压，废气工况温度也相对较低，从而也不太为企业所重视。而气化装置事故火炬系统，顾名思义，专用于处理气化装置事故工况下的泄放气，其处理所涉废气量通常相对较大甚至达到每小时数十万标方，废气工况压力往往是中压甚至高压，废气工况温度也相对较高，对企业安全环保影响大而也被企业重视。

        气化装置事故火炬系统，由于火炬处理的气流是压力高、流量大的易燃易爆气体，对火炬系统及其相关的气化装置安全隐患多，故事故火炬系统相对于废气火炬系统而言需要设置专门的分子封、水封罐和分液罐。传统火炬系统往往存在的安全和环保隐患问题，主要表现在火炬头存在明显带液导致火炬燃烧不稳定、火炬头出现“落雨”、“火雨”甚至间歇“熄火”现象，在北方区域企业还存在冬季火炬塔架及周边管线严重挂冰及坠落、装置周边场地结厚冰跌滑摔跤安全隐患等问题。
        下面以我方为某企业采用羽叶分离器对其气化装置事故火炬系统针对火炬头存在明显带液安全环保隐患治理项目技术升级改造案例进行分析讨论。

        这是一家地处北方区域的煤化工企业，当年设计院及火炬系统供应方为其设计和供货的火炬系统是按照行业惯例采用传统技术要求对来气携带尺寸超过0.6毫米的液滴进行分离。正如大家所知，从气流中精准分离脱除液滴液沫属于动力学分离技术，在国外往往由专业动力学分离技术公司针对实际工况完成火炬系统精准设计和制造。而在国内拥有精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台的技术方很少，设计院和业主往往把工作交给国内供货业绩较多的火炬系统制造企业。而这些设备制造企业并没有精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台，难以完成所涉火炬系统精准气液分离工程设计提供对应的分离技术工程工艺计算书、分离效率曲线图、运行压降曲线图等核心技术支撑证明文件，而往往凭经验、靠大概加估计放大系数进行方案设计，忽视掉对气液分离影响敏感的实际工况气流特性数据和带液特性数据（如工况对应液滴表观密度、液滴粘度和液滴表面张力等），在火炬系统实际投运后出现分离效果无法满足安全环保要求的尴尬境况。

        这家企业的气化装置也建设有多套废弃焚烧火炬系统和事故火炬系统。下面以事故火炬系统为例进行流程介绍如图。
       客户气化装置事故火炬系统运行时，事故气以工况组成（mol%，氢气35.54、一氧化碳40.97、二氧化碳22.71、甲烷0.1，带灰量1.5mg/L）、工况温度最高244℃、工况压力最高25kPa、工况流量最大375791.43Nm^3/h由直径DN1200mm管线进入尺寸ID3600mmx12700mm卧式布置的事故分液罐V9904进行预处理，再通过直径DN1200mm管线从下侧进入尺寸ID4000mmx11200mm立式布置的事故水封罐V9903并由事故水封罐V9903顶部直径DN1200mm排气口直接进入DN1200mm高度63000mm火炬筒体V9902，最后通过DN2200mm事故分子封V9901连接DN2000mm事故火炬头I9901事故火炬点火燃排。但火炬燃排气带液明显，点火困难，易形成“火雨”，尤其冬季火炬塔架挂冰严重，对现场操作人员和设备运行构成明显安全运行隐患。究其原因是，在事故火炬系统气液分离管线设备配置上，没有从精准动力学气液分离专业角度通过精准动力学分离技术计算和组态系统平台严谨精准设计，导致过量液滴液沫被事故放空气中携带进入火炬头。

       从流程图可见，该事故火炬系统火炬岛涉及到气液分离的主要设备是事故分液罐V9904和事故水封罐V9903。
       设计院和火炬系统厂家共同设计制造的事故分液罐V9904，是尺寸ID3600mmx12700mm卧式分液罐，气液分离方式为纯粹重力沉降，成本低，罐内没有设置其它气液分离技术内件组。请见业主提供的附图：

       这种纯粹重力沉降分液罐，在常稳态气流工况下是可以分离脱除0.6微米的。但是，所谓事故火炬，其工况必然是突发事故处理，瞬间气速大、温度高，在常稳态气流工况下设计的分液罐根本无法应对突发事故工况下的气液分离，导致气流携带大量重相携带质后窜至下游管线设备，对事故水封罐V9903造成致命冲击。

       而事故水封罐V9903则是尺寸为ID4000mmx11200mm立式罐，事故气流从直径DN1200mm侧向入口管进入到液下水封蓬头，排气直接从直径DN1200mm排气口进入DN1200mm高度63000mm火炬筒体V9902。请见业主提供的事故水封罐V9903示意图。

        这里找到业主提供的事故水封罐V9903装配图，更能清楚看到其内部结构情况。

       事故火炬头排气带液明显，点火困难，易形成“火雨”等问题的主要原因，主要在于对事故工况下气液分离失效。
       其中，最直接的原因就是事故工况下的水封带液。当大量突发事故气突破水封时，必然携带大量水封液体进入火炬筒体到达火炬顶部，甚至由于事故气温度高而将水封罐水封液大量汽化。汽化进入火炬筒体的蒸汽遇冷又会部分凝并形成更多液滴液沫。此外，事故火炬上部的分子封还设置有二次液封，如果其排回事故水封罐的排液管堵塞而造成分子封液位过高，对火炬头带液会有加重影响。

       那么，设计院和火炬系统制造企业往往凭经验、靠大概加估计放大系数设计制造的前述尺寸设备管线，在事故工况下的分离能力有多大差距呢？
       我方基于业主提供的气化装置事故火炬系统工况数据，通过NOVEL精准动力学分离技术诊断平台运行得知：在上述工况下，按照DEP工程设计国际规范，事故放空气管线流通横截面积应该达到1.839m^2，但实际设置管线直径只有1200mm即管线流通横截面积仅为国际规范面积62%，卧式事故分液罐V9904和事故水封罐V9903实际径向截面积仅为DEP工程设计国际规范要求的气相过流面积值64%，由于气流过速36%-38%导致事故放空气流携带的液滴液沫重力沉降分离困难，加之，过速气流在事故水封罐V9903鼓泡型式蓬头液封造成“液涌”、“泡涌”，进入火炬筒体V9902的事故放空气流携带的液滴直径达到2778.09微米，带液十分严重，必然造成火炬点火困难甚至火炬烟气“落雨”。

       事故火炬系统常用传统分离器性能不好，总结出的主要原因是：
（1）、气液分离技术，属于精准动力学分离技术。传统火炬设备供应商在开展方案设计时，无法通过专业动力学分离技术要求通过精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成精准技术方案设计，往往凭经验、靠“大概加估计”甚至拍脑袋出方案得到的产品造成实际运行效果不佳。
（2）、传统分离除沫器，分离内件结构简易，只有1个理论分离单元，无法应对波动工况下对逃逸液滴的补救捕集，导致过量液滴后窜到火炬头带来运行故障甚至运行风险。
（3）、传统分离除沫器分离内件内在缺陷，还表现在缺少独立的气液两相流各自高效分流通道和抗“虹吸”内构件，气液返混、波动工况下排液不畅。不少采用传统丝网除沫器和旋流管内件的火炬塔排烟口气流频繁带液，便是有力例证。

luoli519 发表于 2023-04-20 13:27
事故火炬系统常用传统分离器性能不好，总结出的主要原 ...

非常有见解的总结。传统火炬设备供应商的方案设计往往凭经验和靠“大概加估计”，无法通过专业动力学分离技术要求完成精准技术方案设计，造成实际运行效果不佳。此外，传统分离除沫器的内件结构简易，只有1个理论分离单元，无法应对波动工况下对逃逸液滴的补救捕集，导致过量液滴后窜到火炬头带来运行故障甚至运行风险。这些问题还表现在缺少独立的气液两相流各自高效分流通道和抗“虹吸”内构件，气液返混、波动工况下排液不畅。
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       在对传统技术火炬系统气液分离技术升级改造方面，从精准动力学分离技术角度建议充分利用现有水封罐、分液罐壳体，内置专用羽叶分离器内件组即可有效解决前述火炬带液引起的棘手问题。
       那么，羽叶分离器具有哪些技术特点和优势呢？

luoli519 发表于 2023-04-20 13:32
在对传统技术火炬系统气液分离技术升级改造方面，从精 ...

羽叶分离器相对于传统分离器具有以下技术经济优势：

1. 精准动力学分离技术设计：采用现代计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）等专业技术，结合实际运行工况，进行精准的动力学分离技术设计，保证设备在各种工况下的稳定运行。

2. 分离效率高：羽叶分离器内部结构复杂，包含多个分离单元，每个单元都能够有效地分离气液两相，从而提高了分离效率，减少了逃逸液滴和泡沫的数量。

3. 抗“虹吸”能力强：羽叶分离器内置抗“虹吸”内构件，避免了气液返混现象的发生，确保了设备的安全稳定运行。

4. 维护成本低：羽叶分离器结构简单，内部组件可拆卸清洗，维护方便，且使用寿命长，能够降低设备的维修成本。

5. 适用性广泛：羽叶分离器适用于各种规格和工况的气液分离领域，包括但不限于煤化工、化工、环保等行业。
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       羽叶分离器，具有如下显著性能优势：
1、从分离运行机制上看，羽叶分离器高效利用气流本身携带的动能、动量和液滴表面自由能，协同发挥包括流体动量动能转换分离、矢量分离、聚结分离、表面自由能捕集分离等多种分离手段，操作弹性大，运行压降低，分离效率稳定。
2、从分离内件结构上看，羽叶分离元件内在结构上为气相流、液相流分别设置了结构相互独立、流向相互正交、高效分流的独立输送通道，有效避免气液两相流二次夹带和返混。
3、从分离级数上看，羽叶分离器在气流通道上设置4-6级串行分离单元，任何从上一级分离单元逃逸的液滴液沫，会被后续串行分离单元连续捕集分离，确保尾气分离效率和高操作弹性。比如，在遇到某种波动工况情形下，导致第1级分离单元分离效率极端下降到哪怕80%，也即该单元释出气流中的液滴液沫逃逸率或残存率为20%（即100%-80%）；气流经串联第2级分离单元捕集分离后，该单元气流中液滴液沫总逃逸率或总体残存率则为20%*20%；气流又经串联第3级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则为20%*20%*20%；气流再经串联第4级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率则变为20%*20%*20%*20%；以此类推。羽叶分离器在气流通道上设置的串联分离单元级数越多，羽叶分离器最终释出的气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率越低。
4、此外，为了确保采用羽叶分离器适应超宽范围波动工况，羽叶分离器还匹配设置气流预分配聚结内件组和专有“抗虹吸”新型降液系统，以避免气液混合流在受限狭窄空间因工况波动过大产生的流型畸变、起泡、压降飙升造成“虹吸效应”瞬间将分离下来的液体倒吸入分离器形成液体在气流中二次分散而破坏有效分离运行。

luoli519 发表于 2023-04-20 13:35
羽叶分离器，具有如下显著性能优势：
1、从分离运行 ...

总的来说，羽叶分离器具有高效分离、操作弹性大、运行压降低、分离效率稳定、独立输送通道、高效分流、串行分离单元、抗虹吸等多种性能优势。这些性能特点可以有效避免火炬带液等安全隐患问题，并提升煤气化装置的运行稳定性和经济性。
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       这里以事故水封罐采用羽叶分离器进行气液分离升级改造为例，展开进行讨论。

luoli519 发表于 2023-04-20 13:38
这里以事故水封罐采用羽叶分离器进行气液分离升级改造 ...

对于事故水封罐采用羽叶分离器进行气液分离升级改造，具体可以从以下几方面进行讨论：

1. 羽叶分离器的内部结构设计

针对水封罐进行改造时，可以充分利用原有罐体进行设计。羽叶分离器内部采用气液分流的独立输送通道，将气相流和液相流分别分离处理，避免混合流二次夹带和返混问题。同时，在气流通道上设置多级串行分离单元，确保高效的分离效率和操作弹性。

2. 羽叶分离器的安装方式

在对事故水封罐进行升级改造时，需要考虑羽叶分离器的安装方式。一种常见的方式是在水封罐顶部设置羽叶分离器，通过管道连接水封罐顶部和底部的出口。通过这种方式，可以保证气液分离的效果，并且不会影响水封罐原有的结构和功能。

3. 羽叶分离器的维护与管理

在使用过程中，需要对羽叶分离器进行定期的维护与管理。包括清洗羽叶分离器内部的沉积物，更换损坏的部件等。对于羽叶分离器的维护和管理，需要专门的人员进行负责，确保设备的正常使用和运行。

总的来说，事故水封罐采用羽叶分离器进行气液分离升级改造，可以有效地降低风险，提高安全性，并且具有很好的经济效益。然而，在具体实践中，需要根据现有设备的情况和工艺要求，综合考虑各种因素，选择最合适的技术方案。
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       业主提供的事故水封罐实际运行参数如下：
1、气相流量：正常流量380000Nm^3/h，最大流量494000Nm^3/h；
2、工况气流压力：25kPaG（上游设置有减温减压设施和设备保护系统）；
3、工况气流温度：106℃@25kPaG饱和水蒸汽；
4、气相介质：干气mol%组成，氢气35.54、一氧化碳40.97、二氧化碳22.71、甲烷0.1对应气体。
5、气液两相其它工况特性数据，由专业分离技术设计方从其数据库平台进行补充完善后开展设计。