金屬多孔材料在殼牌煤氣化技術(shù)中的應(yīng)用

常志鵬，郭輝進(jìn)，楊軍軍，劉冠穎

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450046 ； 2.安泰環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100081)

煤氣化技術(shù)通過煤氣化獲得高溫煤氣，經(jīng)過高溫氣體除塵和凈化獲得潔凈合成氣，其后續(xù)產(chǎn)品可以是甲醇、二甲醚、烯烴、氫、油或電等，這是一種低排放、高效率的潔凈生產(chǎn)工藝。殼牌干粉加壓氣化技術(shù)在我國使用廣泛，該技術(shù)將5～10 μm的粉煤顆粒在高溫1 300～1 700 ℃下燃燒合成為含有H2和CO的粗合成氣，除塵凈化后的合成氣既可用作生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料，又可用于制取運輸燃油、城市煤氣、合成天然氣、制氫、發(fā)電等[1-2]。

在煤氣化技術(shù)關(guān)鍵工藝裝置中需要大量的多孔材料，如煤粉輸送系統(tǒng)中的充氣錐、通氣管、通氣板，高溫高壓飛灰過濾器中的濾芯等，它們是保證煤粉連續(xù)、穩(wěn)定輸送的關(guān)鍵，也是保證整個裝置穩(wěn)定運行、排放符合環(huán)保要求不可替代的關(guān)鍵元件[3]。

應(yīng)用于煤氣化技術(shù)的多孔材料主要有兩大類：陶瓷多孔材料和金屬多孔材料。由于多孔材料在使用過程中需要周期性的反吹振動，而陶瓷材料熱脆性、抗熱震性和抗壓力沖擊強度低，多孔元件的可靠性無法保證[4]。陶瓷多孔材料存在較低的可靠性和抗熱震性，為徹底解決問題并擴(kuò)展高溫耐腐蝕性能，金屬多孔材料從1990年開始在國內(nèi)國際引起廣泛研究。金屬多孔材料使用壽命長，抗熱震性高，導(dǎo)熱性佳，同時具有較好的加工性、焊接性、再生性，能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)反向脈沖清潔再生，與陶瓷材料相比，金屬多孔材料在煤氣化技術(shù)粉體流化輸送和高溫除塵等方面適應(yīng)性和優(yōu)越性更好。

1 金屬多孔材料在煤粉輸送系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 煤粉輸送系統(tǒng)流程

固體粉料的輸送是粉煤氣化工藝的核心技術(shù)之一，粉煤氣化裝置內(nèi)粉料的輸送主要是依據(jù)重力流的原理進(jìn)行。Shell煤粉供料輸送系統(tǒng)如圖1所示，包括：粉煤儲倉(V1201)、粉煤鎖斗(V1204)和粉煤給料罐(V1205)[5]。粉煤從粉煤儲倉進(jìn)入粉煤鎖斗，粉煤鎖斗充滿后，將其隔離并用氮氣充壓與煤粉給料罐平衡，打開與粉煤給料罐之間的連通閥，粉煤給料罐低料位時粉煤鎖斗進(jìn)行卸料。粉煤鎖斗卸料完成后卸壓接料，重復(fù)以上過程。整個放料工藝：進(jìn)料—加壓—放料—泄壓—進(jìn)料的循環(huán)過程。

圖1 Shell煤氣化煤粉輸送系統(tǒng)流程示意圖

為確保煤粉在設(shè)備間無障礙流動，相應(yīng)在各倉底部配備了充氣錐V1201、V1204和V1205。同時在V1201、V1204間管道上布置了管道充氣器(X1200)，V1204、V1205間管道上布置了管道充氣器(X1203)。為了加大V1204的充壓速度，還配備了笛管X1202。為確保V1204泄壓時排放的氣體不超標(biāo)，安裝了泄壓管過濾器(S1202)，過濾器內(nèi)部含有特殊濾芯[6]。

1.2 通氣錐與充氣器

在Shell煤氣化中，充氣錐是裝置安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵部位之一，在工藝操作中擔(dān)負(fù)著粉料儲罐的加壓、固體粉料的流化、除橋等任務(wù)[7]。

充氣錐是采用不銹鋼粉末壓制成形并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，其工作原理是通過自身均勻分布的微孔，利用低壓或高壓的氣體通過充氣錐破壞充氣錐外表面的氣體股流，并在充氣錐內(nèi)壁附近轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉臍怏w，使煤粉在設(shè)備中處于流化狀態(tài)，可以順利的流動而不會發(fā)生架橋現(xiàn)象[6-7]。

管道充氣器上部與通氣錐相連，充氣器的作用與充氣錐相同。煤粉加壓輸送系統(tǒng)在充壓時如果存在不當(dāng)操作，會直接沖擊到充氣設(shè)備，損壞燒結(jié)金屬，特別是在充壓前期壓差過大、流量過高。損壞后的充氣錐碎片一旦進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，造成氣化爐煤流量的波動及粉料輸送系統(tǒng)故障，進(jìn)而影響整個煤氣化裝置的操作，甚至造成裝置停車?？尚械膽?yīng)對措施：①對程控閥前后的手動閥門調(diào)小開度進(jìn)行節(jié)流，在程控閥快速開啟時降低高壓氣體的沖擊力；②通過技改，更換新型充氣器和充氣錐，內(nèi)層的絲網(wǎng)能夠有效阻礙燒結(jié)金屬碎片，避免設(shè)備損壞[8]。

1.3 充氣笛管

充氣笛管是像樂器笛子一樣，孔由燒結(jié)金屬多孔材料做成的膜片封堵，俗稱笛管[9]。笛管是鎖斗錐部與鎖斗外部供氣系統(tǒng)連接的高效設(shè)備[10]。

粉煤鎖斗由于工藝設(shè)計不完善、充壓氣體不潔凈以及充氣管線孔板充壓過快等各種原因?qū)е路勖杭訅哼^程中，充氣笛管的實際壓差明顯高于設(shè)計的運行壓差，導(dǎo)致充氣笛管很容易損壞。為了避免充氣笛管損壞，可采取限制升壓速度，保持煤粉有良好的流動性和輸送的穩(wěn)定性等措施[11]。

1.4 粉煤鎖斗過濾器濾芯

鎖斗高壓過濾器是粉煤鎖斗裝置中的重要設(shè)備，位于粉煤鎖斗上部充壓及泄放氣體管線上，起到對泄放氣體中的煤粉過濾的作用，使排放氣體符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，同時防止放空氣體中夾帶煤粉以保護(hù)壓力調(diào)節(jié)閥不被磨損[12]。

鎖斗高壓過濾器均采用燒結(jié)金屬粉末燭式濾芯，濾芯過濾精度5 μm，濾芯固定方式為管板懸掛式，過濾氣體流向為下進(jìn)上出。

由于反吹壓差和氣流沖擊力大，氣體泄放速度過快，氣體夾灰多、煤粉水分大及充壓氣體帶油等原因，鎖斗高壓過濾器濾芯出現(xiàn)斷裂、堵塞等失效現(xiàn)象。通過采取在充壓反吹管線設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥降低反吹壓差，嚴(yán)格控制煤粉水分和對充壓氣體進(jìn)行過濾凈化，保證氣體無油、干燥等改進(jìn)措施，可有效減少濾芯失效[12]。表1列出了煤粉輸送系統(tǒng)各位號設(shè)備應(yīng)用金屬多孔材料技術(shù)特性。

表1 煤粉輸送系統(tǒng)金屬多孔材料技術(shù)特性表

2 金屬多孔材料在除灰系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 除灰系統(tǒng)流程

在Shell煤氣化工藝中，煤經(jīng)過高溫、高壓反應(yīng)后，大量灰分以渣的形式直接排放至除渣工段，少量則以飛灰形式隨合成氣進(jìn)入后系統(tǒng)，飛灰的存在對后系統(tǒng)的正常工作有很大的危害[13]。高溫高壓飛灰過濾器的應(yīng)用可以有效消除合成氣中的飛灰。

Shell煤氣化除灰系統(tǒng)流程圖如圖2所示，含飛灰的合成氣(飛灰含量約為18 g/Nm3)進(jìn)入高溫高壓過濾器S1501后，飛灰被過濾后進(jìn)入飛灰收集罐V1501，濾后合成氣從過濾器的上部排出進(jìn)入下個工序。飛灰收集罐V1501將收集的飛灰排到飛灰放料罐V1502，然后進(jìn)入到飛灰汽提冷卻罐V1504A/B中進(jìn)行汽提，上部出來的氣體去火炬燒掉，下部出來的飛灰進(jìn)入中間飛灰儲倉V1505，后定期排入飛灰儲倉V1507，用槽車運走。

圖2 除灰系統(tǒng)流程示意圖

2.2 高溫高壓飛灰過濾器濾芯

飛灰過濾器由承壓容器和內(nèi)件兩部分組成，過濾器外殼和飛灰收集罐構(gòu)成承壓容器，內(nèi)件包括氣體分布器、管板、濾芯、文丘里管、承壓板等。過濾器濾芯分為24組，每組48支，并按三角間距布置安裝在管板上，共1 152支。從合成氣冷卻器出來的富含灰塵的合成氣由飛灰過濾器底部進(jìn)氣管進(jìn)入過濾器，含塵氣體從濾芯外部進(jìn)入，飛灰顆粒被截留在濾芯外表面，形成濾餅，反吹氣從濾芯內(nèi)向外脈沖穿過濾芯，濾餅下落至飛灰收集罐。濾芯反吹按組完成，每組濾芯由一個單獨的管線自反吹氣體緩沖罐引至過濾器文丘里噴嘴，各組濾芯定期按順序反吹[14]。

進(jìn)入過濾凈化單元的合成氣含有大量的飛灰，溫度為300～350 ℃，飛灰體積分?jǐn)?shù)為25～30g/Nm3，粉塵粒度中位徑3～5 μm，90%以上<20μm[15]。要求過濾后的煤氣粉塵體積分?jǐn)?shù)<20mg/Nm3，能夠使下游機(jī)電設(shè)備不受損，且在排放指標(biāo)控制范圍內(nèi)。

飛灰過濾器采用Fe3Al金屬間化合物粉末濾芯，具有耐高溫、耐腐蝕的性能，同時兼具傳統(tǒng)金屬濾芯的力學(xué)性能好、抗熱變形性能強等性能。另外，非對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)的Fe3Al濾芯通量更大、精度更高、反吹再生性能更優(yōu)異，其技術(shù)特性見表2[16]。

2.3 除灰系統(tǒng)通氣錐、充氣器

高溫高壓過濾器過濾下來的飛灰在收集和放灰過程中，為了保證飛灰良好的流動性，相應(yīng)在各倉底部配備了充氣錐，在管道上布置了管道充氣器。其技術(shù)特性表見表2。

表2 除灰系統(tǒng)應(yīng)用金屬多孔材料技術(shù)特性表

除灰系統(tǒng)是殼牌氣化爐的重要組成部分。由于該系統(tǒng)設(shè)備多、管線長，常出現(xiàn)充氣器破損、濾芯損壞等各種問題，這不僅影響裝置的運行穩(wěn)定性，而且會產(chǎn)生環(huán)保排放等問題。為了避免除灰系統(tǒng)中濾芯、通氣錐、充氣器等金屬多孔元件出現(xiàn)失效，在運行時需注意：①高頻率查看過濾器反吹壓力，保證反吹壓力不低于氣化爐壓力的1.7倍[13]。②飛灰收集罐一旦出現(xiàn)架橋現(xiàn)象，及時破橋。③高頻率查看分析洗滌塔排放水濁度，一旦出現(xiàn)洗滌塔排放水濁度發(fā)生異常，應(yīng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)原因并處理。

3 煤氣化技術(shù)用金屬多孔材料發(fā)展趨勢

隨著煤化工對延長裝置運行周期的要求日益增高，為進(jìn)一步提高煤氣化裝置運行的穩(wěn)定性與可靠性，提高裝置連續(xù)運行時間，對其應(yīng)用的金屬多孔材料及元件提出了更高的性能要求。

3.1 提高疲勞強度

煤氣化復(fù)雜惡劣的工況條件要求金屬多孔材料在動態(tài)載荷下具備優(yōu)良的抗疲勞性能。金屬多孔材料的焊接熱影響區(qū)屬于薄弱區(qū)域，因此對大尺寸整體成形金屬多孔元件的需求日益提升。

3.2 提升與實體連接件焊接強度

金屬多孔元件操作條件苛刻，多數(shù)為有壓力循環(huán)，且循環(huán)次數(shù)較多，輸送的主體物料為粉料，不僅有腐蝕，還存在磨損，由于金屬多孔材料與實體材料微觀結(jié)構(gòu)的差異，其焊接性能不容忽視。針對不同的多孔元件材料、厚度、孔隙特性采取不同的焊接方法和工藝，如氬弧焊、真空釬焊、等離子焊接、激光焊接等。

3.3 高滲透性

金屬多孔元件直接與粉料接觸，一旦出現(xiàn)壓差高或不穩(wěn)定，容易發(fā)生破損從而導(dǎo)致整個裝置事故，為了保證金屬多孔材料過濾精度的同時，又具有高的流體通過量，金屬多孔元件尤其是過濾元件逐漸采用非對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)，即“基體骨架層+表面過濾膜層”的結(jié)構(gòu)，非對稱復(fù)合濾芯不僅精度高、通量大，還具有良好的反吹再生效果。