合成氨裝置煤氣化飛灰過(guò)濾器改造

楊 岱

（云南天安化工有限公司 裝備管理中心，云南 昆明 650309）

云南天安化工有限公司50萬(wàn)t/a合成氨裝置于2008-06投產(chǎn)運(yùn)行。自2014-10新增 了1臺(tái)冷激氣壓縮機(jī)后，氣化爐中原料氣的質(zhì)量流量由19.0 kg/s提升至19.7 kg/s，相應(yīng)有效氣體體積流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）最高達(dá)14.7×104m3/h,已超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的14×104m3/h，導(dǎo)致后序工段飛灰過(guò)濾器負(fù)荷隨氣量的增加而增大，氣體流速和濾芯磨損速率增加，濾芯壽命極大縮短，影響裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。文中對(duì)該裝置飛灰過(guò)濾器存在的問(wèn)題及實(shí)施的改造進(jìn)行了全面介紹。

1 飛灰過(guò)濾器概況

1.1 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)組成

飛灰過(guò)濾器（圖1）由殼體、氣體分布系統(tǒng)、濾芯及反吹系統(tǒng)組成。氣化爐產(chǎn)生的含灰粗合成氣經(jīng)N1管口進(jìn)入，通過(guò)氣體分布管和上升管將氣體均衡分布，經(jīng)陶瓷濾芯過(guò)濾后潔凈合成氣通過(guò)N2管口進(jìn)入后續(xù)水洗工序，粉煤灰由錐部收集除灰系統(tǒng)送至灰?guī)欤?-5］。

圖1 飛灰過(guò)濾器結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)圖

1.2 分布器結(jié)構(gòu)組成

飛灰過(guò)濾器分布器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 飛灰過(guò)濾器分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

飛灰過(guò)濾器主要設(shè)計(jì)工藝參數(shù)見(jiàn)表1。其中，合成氣體積流量為操作工況下的數(shù)值。

表1 飛灰過(guò)濾器主要設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

1.4 運(yùn)行參數(shù)

2015-07～2015-08統(tǒng)計(jì)的合成氨裝置的運(yùn)行參數(shù)為，合成氣質(zhì)量流量為135 kg/s,操作壓力為3.94 MPa,操作溫度為330～340℃,飛灰質(zhì)量流量為1 250 kg/h,操作工況下合成氣體積流量280 000 m3/h,合成氣入口流速15.5 m/s,雙管氣體流速 14.2 m/s，四管氣體流速 10.4 m/s，氣體出口流速10.4 m/s，估算的第一排濾芯處流速為9.8 m/s。

2 飛灰過(guò)濾器現(xiàn)存問(wèn)題

2.1 濾芯磨損

增加冷激氣壓縮機(jī)后，實(shí)際合成氣流量較給定峰值增加16%，較最初給定設(shè)計(jì)值增加36%，進(jìn)氣主管Di800及分布管Di590內(nèi)流速因此高于設(shè)計(jì)最大流速，造成管板處濾芯外表面發(fā)生磨損。檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯錐形部分下方15～25 mm區(qū)域外緣部位磨損0.8～1.0 mm，見(jiàn)圖 3。

圖3 陶瓷濾芯局部磨損情況

2.2 濾芯架橋斷裂

在更換斷裂失效的單組濾芯時(shí)，發(fā)現(xiàn)濾芯底部格柵上存在較高積灰，形成架橋現(xiàn)象。對(duì)濾芯流場(chǎng)進(jìn)行的模擬分析表明，當(dāng)上升管出口氣體流速過(guò)高時(shí)，濾芯底部將形成湍流，致使從濾芯上被反吹下料的灰分沉積在柵格板上，導(dǎo)致濾芯間架橋，容易發(fā)生氣流偏吹狀態(tài)下的濾芯斷裂。

從2014年～2016年發(fā)生的4次飛灰過(guò)濾器濾芯斷裂情況看，基本每組為斷裂1～2根濾芯，均處于每組邊緣的濾芯，斷裂位置一般集中在管板根部或者濾芯中部位置。濾芯架橋及斷裂位置見(jiàn)圖 4。

圖4 濾芯架橋及斷裂位置

3 飛灰過(guò)濾器問(wèn)題分析

3.1 合成氣處理量超標(biāo)

合成氨裝置2014年增加冷激氣壓縮機(jī)后，操作工況下合成氣體積流量發(fā)生大幅變化，增加至28 000 m3/h。此值較飛灰過(guò)濾器設(shè)計(jì)的合成氣處理量20 574 m3/h增加了36%，較其設(shè)計(jì)最大值24 057 m3/h增加了16%。

合成氣處理量的增加致使飛灰過(guò)濾器進(jìn)氣主管、分布管內(nèi)及第1排濾芯處的合成氣流速大幅變化。進(jìn)氣總管內(nèi)徑為800 mm，入口流速由原來(lái)的 11.4～13.3 m/s增大到15 m/s。分布管 （雙管）內(nèi)徑為590 mm，入口流速由原來(lái)的10.5～12.2 m/s增大到14.2 m/s。上升管（四管）內(nèi)徑為488 mm，管內(nèi)流速由原來(lái)的7.6～8.9 m/s增大到10.4 m/s。第1排濾芯處設(shè)計(jì)的流速由原來(lái)的7.0～8.3 m/s增大到9.8 m/s

這些導(dǎo)致飛灰過(guò)濾器濾芯超負(fù)荷工作。超負(fù)荷工況下，濾芯過(guò)早出現(xiàn)磨損破壞。持續(xù)超負(fù)荷工作，加速了濾芯的磨損［6-7］。

3.2 濾芯過(guò)濾面積偏小

飛灰過(guò)濾器濾芯長(zhǎng)度1.5 m，按照原設(shè)計(jì)氣量計(jì)算的濾芯表面流速為65 m/h，對(duì)應(yīng)的極限工況下濾芯表面速度為76 m/h。處理的合成氣數(shù)量提升后，濾芯表面流速增加至89 m/h，遠(yuǎn)超65 m/h的設(shè)計(jì)過(guò)濾流速，致使飛灰過(guò)濾器的濾芯表面工況惡化。

對(duì)飛灰過(guò)濾器濾芯進(jìn)行的流場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。對(duì)圖5進(jìn)行的分析表明，由于濾芯過(guò)濾面積相對(duì)不足，上升管出口氣體流速過(guò)高，導(dǎo)致在濾芯底部形成湍流。在湍流作用下，部分灰分在柵格板上發(fā)生沉積，在濾芯間形成架橋現(xiàn)象。濾芯架橋形成后，其受力發(fā)生變化，易受氣流偏吹而斷裂［8-12］。

圖5 飛灰過(guò)濾器濾芯流場(chǎng)模擬示圖

4 飛灰過(guò)濾器改造

4.1 擴(kuò)大支管

使用直徑更大的支管以解決濾芯磨損和架橋斷裂問(wèn)題。將N1進(jìn)口主進(jìn)氣管分支后的4根支管從 φ508 mm×10 mm擴(kuò)大至 φ700 mm×10 mm。在操作工況下，氣體體積流量為7 000 m3/h時(shí)，改造后上升管出口實(shí)際氣體流速為5.4 m/s，比改造前的 10.4 m/s 約下降了 48%［13-14］。

對(duì)支管改造后的飛灰過(guò)濾器濾芯進(jìn)行的流場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。對(duì)圖6進(jìn)行的分析表明，上升管（φ700 mm×10 mm）出口氣體流速降低，濾芯周?chē)暮铣蓺夥植几纳?。濾芯下部沒(méi)有出現(xiàn)湍流，這避免了粉塵在濾芯底部的堆積及其可能引發(fā)的濾芯嚴(yán)重磨蝕［15-18］。

圖6 改造分布管后濾芯流場(chǎng)模擬示圖

4.2 加長(zhǎng)濾芯

將濾芯長(zhǎng)度由1.5 m增加到2 m，過(guò)濾面積由原來(lái)的276.48 m2增加至391.68 m2。更換濾芯后，過(guò)濾面積約增加了41%，延長(zhǎng)了濾芯使用壽命［19］。

考慮到實(shí)際安裝的可行性，對(duì)飛灰過(guò)濾器罐體進(jìn)行了核算。核算結(jié)果表明，主管板下方位筒體部分的長(zhǎng)度、主管板承重、檢修空間、起重設(shè)備、反吹儲(chǔ)罐、反吹氣量均滿(mǎn)足安裝2 m濾芯要求，安裝時(shí)只需更換拉桿、反吹噴嘴，同時(shí)將反吹控制設(shè)定值進(jìn)行由原來(lái)的15 s延長(zhǎng)至 30 s［20-25］。

4.3 擴(kuò)大噴嘴孔

改造反吹管?chē)娮扉_(kāi)孔，將原噴嘴孔尺寸由DN40 mm擴(kuò)至DN76 mm，以進(jìn)一步降低噴吹氣體的流速［26-27］。

5 飛灰過(guò)濾器改造效果

5.1 運(yùn)行情況

合成氨裝置飛灰過(guò)濾器改造于2016-06實(shí)施。改造實(shí)施后，飛灰過(guò)濾器濾芯面積由原來(lái)的276.48 m2增加到391.68 m2。重新投用后，飛灰過(guò)濾器運(yùn)行穩(wěn)定，2020-07再次更換時(shí)有效使用壽命已長(zhǎng)達(dá)4 a。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

5.2.1 直接效益

飛灰過(guò)濾器共有24組濾芯，改造前每年定期更換，總價(jià)為400萬(wàn)元。改造后，使用壽命按4 a計(jì)算，改造費(fèi)用及濾芯費(fèi)用合計(jì)510萬(wàn)元，平均每年花費(fèi)成本127.5萬(wàn)元。此項(xiàng)平均節(jié)約費(fèi)用約272.5萬(wàn)元/a。

每年更換濾芯需耗費(fèi)檢修工時(shí)200工日，搭設(shè)腳手架650 m2，更換墊片、螺栓費(fèi)用1.2萬(wàn)元。按照檢修人員工資每人每日450元、腳手架材料16元/m2計(jì)算，此項(xiàng)節(jié)約費(fèi)用11.24萬(wàn)元/a。

上述2項(xiàng)費(fèi)用合計(jì)283.74萬(wàn)元/a，4 a產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)1 134.96萬(wàn)元。

5.2.2 間接效益

飛灰過(guò)濾器濾芯壓差大，更換24組濾芯，按24 h連續(xù)作業(yè)計(jì)算，需要12 d完成，再加上停爐冷卻和開(kāi)車(chē)約7 d，每年因更換濾芯影響裝置運(yùn)行19 d。按合成氨產(chǎn)量1 600 t/d計(jì)算，合計(jì)損失合成氨30 400 t，合成氨利潤(rùn)約1 000元/t，因?yàn)樯佼a(chǎn)合成氨損失利潤(rùn)3 040萬(wàn)元。此外，每次合成氨系統(tǒng)開(kāi)停車(chē)過(guò)程中所消耗的煤、水、電耗費(fèi)用500萬(wàn)元。因此，年間接經(jīng)濟(jì)效益為3 540萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

合成氨裝置增加1臺(tái)冷激氣體壓縮機(jī)后，下游設(shè)備進(jìn)出口物流發(fā)生變化。其中，飛灰過(guò)濾器使用壽命因此大幅縮短。經(jīng)分析，新的工況下飛灰過(guò)濾器合成氣流量超標(biāo)是根本原因，過(guò)濾面積相對(duì)不足、分布器支管規(guī)格尺寸偏小及濾芯長(zhǎng)度不足是主要原因。進(jìn)行了針對(duì)性的改造，將濾芯長(zhǎng)度由1.5 m增至2 m，對(duì)分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免了粉塵在濾芯底部的堆積及其引起的湍流，延長(zhǎng)了濾芯使用壽命，降低了濾芯更換成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。