Shell煤氣化飛灰過濾器的運(yùn)行與維護(hù)

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭綜合利用和潔凈煤技術(shù)的重要技術(shù)和主要手段，是發(fā)展現(xiàn)代煤化工、煤制油、燃料煤氣等工業(yè)化生產(chǎn)的龍頭[1]。Shell煤氣化工藝是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的第二代煤氣化工藝之一，國(guó)內(nèi)先后有24家單位累計(jì)引進(jìn)32套Shell煤氣化裝置，但在陸續(xù)開車和后期運(yùn)行中曾暴露出激冷氣管線腐蝕、合成氣冷卻器十字吊架積灰、堵渣[2]、飛灰過濾器濾芯斷裂，以及燒嘴和燒嘴罩損壞等一系列問題。毋庸置疑，飛灰過濾器是煤氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，一旦核心元件濾芯發(fā)生斷裂，將導(dǎo)致未經(jīng)過濾的飛灰進(jìn)入后續(xù)單元，造成洗滌系統(tǒng)、初步水處理系統(tǒng)結(jié)垢堵塞，甚至導(dǎo)致整個(gè)煤氣化裝置被迫停車。飛灰過濾器運(yùn)行維護(hù)是殼牌粉煤氣化裝置安穩(wěn)運(yùn)行的重要前提。

1 HPHT飛灰過濾器

1.1 飛灰過濾過程

煤粉和氧氣在氣化爐中反應(yīng)，產(chǎn)生的合成氣進(jìn)入飛灰過濾器進(jìn)行干法除灰。含灰合成氣從下側(cè)進(jìn)入飛灰過濾器，由上側(cè)出口去濕洗單元進(jìn)一步洗滌降溫；而固態(tài)飛灰被阻擋在濾芯表面，經(jīng)超高壓氮?dú)夥创岛竺撀洹⒊练e在底部的飛灰收集器中，通過飛灰排放罐間歇排放。飛灰過濾器設(shè)計(jì)24組濾芯(也有廠家采用15組)，每組48根陶瓷濾芯，其上方均有文丘里和反吹管相對(duì)應(yīng)；兩次反吹時(shí)間間隔11s，反吹脈沖210ms。飛灰過濾器工作壓力為3.96MPa(g)，工作溫度為340℃，容積為225m3。飛灰過濾器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 飛灰過濾器結(jié)構(gòu)

1.2 飛灰過濾原理

飛灰過濾過程中，濾芯表面會(huì)逐漸形成動(dòng)態(tài)濾餅層和穩(wěn)態(tài)濾餅層。打開反吹閥的瞬間，2倍于氣化爐壓力的超高壓氮?dú)膺M(jìn)入文丘里管，同時(shí)產(chǎn)生脈沖導(dǎo)引氣流吹向?yàn)V芯中心空腔。動(dòng)態(tài)濾餅層脫離濾芯表面，使濾芯通過反吹得以再生，而穩(wěn)態(tài)濾餅層附著在濾芯表面。飛灰過濾原理見圖2。

圖2 飛灰過濾原理

2 濾芯架橋及損壞機(jī)理

濾芯上端卡在管板上，下端由格柵支撐，因此兩端剪切應(yīng)力最小，中間剪切應(yīng)力最大。當(dāng)濾芯反吹正常時(shí)，飛灰形成的動(dòng)態(tài)濾餅脫落；在反吹中斷或者反吹不充分時(shí)，飛灰就會(huì)在濾芯之間積聚并產(chǎn)生“架橋”。飛灰填滿相鄰濾芯間隙的時(shí)間稱之為架橋時(shí)間，架橋時(shí)間由飛灰負(fù)荷和濾芯特性決定。濾芯飛灰架橋后，如果再用高流量氣體反吹，就會(huì)產(chǎn)生使濾芯彎曲的力，從而引起斷裂。

3 濾芯損壞判斷方法

(1)過濾器前后壓差15PDI0002。15PDI0002用于指示飛灰過濾器進(jìn)出口壓差，對(duì)判斷濾芯是否損壞的作用有限。15PDI0002壓差高低，與灰負(fù)荷、反吹氣壓力、濾芯性能等有關(guān)。在多次濾芯損壞事故中，壓差指示沒有超過設(shè)定高報(bào)警值30kPa。而在一次事故中，壓差瞬間超過報(bào)警值50kPa，但停工檢查發(fā)現(xiàn)濾芯并未損壞[3]。

(2)過濾器出口固含量15QI0001。飛灰過濾器正常運(yùn)行時(shí)，可以過濾合成氣中帶來的大部分飛灰，合成氣中的固含量<5×10-6。然而，由于所分析介質(zhì)的特殊性，使得固含量分析儀表15QI0001在實(shí)際運(yùn)行中指示并不是十分準(zhǔn)確，有時(shí)指示值已經(jīng)超量程，但實(shí)際濾芯并未損壞。因此，固含量15QI0001指示僅供參考。

(3)反吹氣壓降15PI0101。反吹閥開關(guān)一次，就有超高壓氮?dú)馔ㄟ^文丘里管對(duì)該組濾芯進(jìn)行反吹，超高壓氮?dú)饩彌_罐壓力就會(huì)有波動(dòng)。正常反吹閥每動(dòng)作一次，反吹氣壓降≥0.15MPa(g)。濾芯反吹一般采用時(shí)間模式，反吹壓降趨勢(shì)呈周期性鋸齒形變化趨勢(shì)。反吹氣壓降過小，可能造成反吹不充分；反吹氣壓降過大，可能造成超高壓氮?dú)膺^量；反吹氣壓降不變，則說明反吹閥未動(dòng)作。反吹異?？赡茉斐蔀V芯損壞。

(4)洗滌系統(tǒng)固含量。一旦濾芯損壞，大量飛灰則會(huì)進(jìn)入合成氣洗滌系統(tǒng)。洗滌塔水樣混濁且固含量高，靜置后取樣瓶底部有大量沉淀物，這是濾芯是否損壞最有效且最直接的判斷方法。濾芯損壞后洗滌塔水樣見圖3。

圖3 洗滌塔水樣

4 原因分析與應(yīng)對(duì)策略

4.1 反吹閥動(dòng)作異常

(1)原因分析：①反吹閥的布線錯(cuò)誤或布線毀壞，將導(dǎo)致閥門無法接收到開關(guān)命令；②儀表氣污染，導(dǎo)致顆粒進(jìn)入電磁閥中，影響反吹閥正常動(dòng)作；③儀表氣中斷或壓力不足，導(dǎo)致反吹閥無驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力不夠；④采用合成氣進(jìn)行反吹，伴熱保溫不足導(dǎo)致出現(xiàn)冷凝和酸腐蝕，造成反吹閥腐蝕；⑤閥桿損壞或氣缸漏氣，導(dǎo)致氣缸無法帶動(dòng)閥體動(dòng)作；⑥反吹閥自身維護(hù)不足，或到達(dá)使用壽命。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①通過反吹氣壓力15PI0101曲線，監(jiān)控反吹閥是否動(dòng)作及動(dòng)作快慢；②儀表氣由5.2MPa(g)氮?dú)饨?jīng)15PV0020A/B減壓至0.8MPa(g)提供，防止固態(tài)顆粒竄入儀表氣系統(tǒng)；③監(jiān)控儀表氣壓力15PI0103曲線，冬季要避免儀表氣水分冷凝、結(jié)冰堵塞管線；④若采用合成氣作為反吹氣，必須加強(qiáng)伴熱，避免露點(diǎn)腐蝕和酸腐蝕；⑤預(yù)存?zhèn)淦穫浼?，并根?jù)供貨要求對(duì)閥門定期維護(hù)。

4.2 PLC反吹系統(tǒng)問題

(1)原因分析：①PLC故障停運(yùn)；②PLC程序出錯(cuò)；③控制器死機(jī)；④空氣開關(guān)起跳；⑤反吹間隔時(shí)間設(shè)置太長(zhǎng)；⑥反吹氣脈沖設(shè)定太短，不能保證需要的反吹清潔；⑦選用了差壓模式。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①間隔時(shí)間應(yīng)視灰量和飛灰性質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整，保證有余量防止“架橋”；②在換新煤或初始開車時(shí)，推薦采用保守的間隔時(shí)間；③增加反吹頻率會(huì)提高清潔頻率、減少濾餅厚度，但會(huì)增大反吹氣消耗、縮短反吹閥壽命，反吹時(shí)間設(shè)置須綜合統(tǒng)籌各種因素考量；④加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢和中控監(jiān)控，并編制應(yīng)急預(yù)案，做到及時(shí)響應(yīng)和處理。

4.3 反吹氣壓力過高或過低

(1)原因分析：①30PV0013A閥門故障，造成濾芯反吹氣壓力不足；②飛灰過濾器反吹和氣化爐反吹同時(shí)動(dòng)作，超高壓氮?dú)庀牧看?，造成濾芯反吹氣壓力不足；③反吹氣壓力設(shè)置過高或過低。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①技改單獨(dú)布線，為飛灰過濾器提供超高壓反吹氮?dú)猓戮€的壓力調(diào)節(jié)由新增30PV0013B閥門控制；②一旦30PV0013B閥門故障，可切旁路閥調(diào)節(jié)，或臨時(shí)切回30PV0013A反吹舊線；③修改氣化爐反吹順控13KS0004/13KS0005，反吹閥打開前確認(rèn)另一組順控中反吹閥門關(guān)閉回訊，避免激冷口反吹和十字吊架反吹同時(shí)動(dòng)作，拉低超高壓氮?dú)鈮毫?；④裝置開車投煤燒嘴前反吹氣用舊線，壓力控制器30PIC0013A手動(dòng)設(shè)置為2.0MPa(g)，避免反吹氣壓力過高而損壞濾芯；煤燒嘴投入后以及正常運(yùn)行期間，反吹氣用新線且壓力控制器30PIC0013B投串級(jí)，壓力為氣化爐壓力13PI0068的2倍，管板最高只能承受2.2倍氣化爐壓力。超高壓氮?dú)夥创迪到y(tǒng)流程見圖4。

圖4 氮?dú)夥创盗鞒?/p>

4.4 反吹氣溫度過低

(1)原因分析：①反吹氣溫度低于合成氣露點(diǎn)溫度，造成局部冷凝、濾餅固化；②反吹氣溫度低于NH4Cl露點(diǎn)，造成NH4Cl腐蝕。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①技改在靠近超高壓反吹氮?dú)饩彌_罐(V1506)前增加預(yù)熱器(E3055)，加熱介質(zhì)為中壓蒸汽，反吹氣溫度不低于225℃(氯化銨凝華溫度約200℃，反吹閥設(shè)計(jì)工作溫度不超過250℃)；②加強(qiáng)反吹氣管線伴熱，確保管線溫度滿足工藝要求；③開車前打開反吹氣放空導(dǎo)淋，進(jìn)行置換升溫。

4.5 過濾負(fù)荷大

(1)原因分析：①煤質(zhì)不穩(wěn)，實(shí)際灰分含量超標(biāo)；②進(jìn)氣量過高，超過過濾器設(shè)計(jì)值；③部分煤粉未完全反應(yīng)，飛灰中攜帶煤粉。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①合理配煤，確保煤質(zhì)穩(wěn)定、灰分達(dá)標(biāo)；②進(jìn)入飛灰過濾器的總氣量是激冷量13FIC0008與合成氣產(chǎn)量16FI0003之和，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，24組濾芯的過濾器最大允許進(jìn)氣量不超過350 000Nm3/h，生產(chǎn)中須嚴(yán)密監(jiān)控上述參數(shù)，避免進(jìn)氣量過大，損壞濾芯；③爐溫不可控制過低，增加煤量反控制回路，增加煤燒嘴O/C比低低聯(lián)鎖，聯(lián)鎖值設(shè)定0.75，延時(shí)20s觸發(fā)，避免大量煤粉未反應(yīng)進(jìn)入過濾器。

4.6 操作失誤

(1)原因分析：①飛灰收集器料位過高，大飛灰堆積進(jìn)入濾芯間隙造成“架橋”；②壓差高時(shí)打開平衡閥，氣流對(duì)濾芯造成沖擊；③飛灰收集器錐部飛灰架橋，“上頂”消橋時(shí)濾芯遭受氣流劇烈沖擊。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①飛灰收集器在原有料位指示報(bào)警15LAL0001和15LQH0002的基礎(chǔ)上，技改增加中間料位指示報(bào)警15LAH10102，生產(chǎn)中應(yīng)避免15LAH0002高料位長(zhǎng)時(shí)間報(bào)警；②技改增加聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)放料閥15XV0002/0003關(guān)閉時(shí)，不允許打開均壓閥15XV0008/0009，防止因開閥順序錯(cuò)誤造成濾芯損壞，③規(guī)范消橋操作，只允許“下拉”消橋，操作壓差約-100kPa，不允許超過安全聯(lián)鎖值-300kPa。

4.7 設(shè)備安裝問題

(1)原因分析：①濾芯未垂直安裝，或者濾芯間存在應(yīng)力；②反吹管安裝傾斜或螺栓脫落、法蘭脫口；③文丘里管安裝傾斜或固定不牢螺栓松動(dòng)導(dǎo)致傾斜；④密封圈及密封件損壞。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①確保濾芯垂直安裝，避免濾芯壓應(yīng)力過大；②嚴(yán)格按照技術(shù)手冊(cè)要求進(jìn)行設(shè)備安裝，確保反吹管、文丘里管與濾芯的同心度；③反吹管、文丘里管螺栓點(diǎn)焊限位，防止運(yùn)行中因劇烈振動(dòng)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)；④停工檢修時(shí)仔細(xì)檢查密封圈和密封件，一旦損壞，及時(shí)更換和維修。

4.8 其他

(1)原因分析：①飛灰過濾器及收集器設(shè)備本體伴熱溫度偏低；②反吹氣含油(曾有高達(dá)200mg/m3的例子)，造成油堵塞濾芯內(nèi)部孔隙；③煤燒嘴、燒嘴罩或水冷壁泄漏，大量水蒸氣進(jìn)入合成氣造成飛灰黏性增大；④陶瓷濾芯強(qiáng)度差，抗波動(dòng)能力弱；⑤金屬濾芯焊縫斷裂。

(2)應(yīng)對(duì)策略：①采用高壓蒸汽伴熱，確保溫度在225℃以上；②確?？辗盅b置供氮除灰、除油、干燥徹底，保證氮?dú)飧蓛舨缓s質(zhì)；③優(yōu)化操作、加強(qiáng)維護(hù)，確保煤燒嘴、燒嘴罩及水冷壁狀況良好；④國(guó)產(chǎn)金屬濾芯的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于陶瓷濾芯，并表現(xiàn)出良好的韌性、剛度和通透性，采用耐腐蝕、高強(qiáng)度的金屬濾芯代替陶瓷濾芯是切實(shí)可行的；⑤金屬濾芯為Fe3Al合金，早期為兩段式，長(zhǎng)周期使用后焊縫處變得脆弱。整體成型金屬濾芯壓潰強(qiáng)度大約是兩段式濾芯的2倍，整體成型金屬濾芯及更長(zhǎng)的2m金屬濾芯應(yīng)用前景十分廣闊。使用前后的Fe3Al材質(zhì)金屬濾芯見圖5。

圖5 Fe3Al金屬濾芯

5 結(jié)語

飛灰過濾器是shell煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備，濾芯損壞曾一度成為制約裝置安穩(wěn)運(yùn)行的“瓶頸”問題。飛灰過濾器濾芯損壞的原因多種多樣，本文提出判斷故障的方法，對(duì)各種故障的原因進(jìn)行了分析，并提出多項(xiàng)行之有效的應(yīng)對(duì)策略。這些改進(jìn)措施和解決方案，是對(duì)殼牌煤氣化裝置運(yùn)行改進(jìn)的探索和工程應(yīng)用的總結(jié)，并且得到實(shí)踐的檢驗(yàn)，對(duì)其他殼牌煤氣化工藝廠家均具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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