Shell氣化裝置HPHT飛灰過濾器優(yōu)化改進小結(jié)

劉 燕，閆 昭，尚亞國

（河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司，河南鶴壁 458000）

1 概 述

河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司（簡稱鶴壁煤化）600kt／a甲醇項目氣化裝置采用Shell氣化工藝，設計有效氣（H2＋CO）產(chǎn)量為169.5km3／h，為國內(nèi)Shell氣化工藝單套設計產(chǎn)氣能力最大的裝置。其中，粗合成氣凈化采用合成氣激冷流程、干法除塵和濕法洗滌相結(jié)合的工藝：經(jīng)合成氣冷卻器回收熱量后的粗合成氣，溫度降至350℃，進入HPHT陶瓷飛灰過濾器，99%左右的粉塵被除去，凈化后的粗合成氣含塵量降至約1～2mg／m3，過濾元件間斷采用氮氣／二氧化碳系統(tǒng)來的高壓反吹氣反吹，聚集的飛灰在容器內(nèi)以半連續(xù)（連續(xù)＋間隔）的方式移至下游排灰系統(tǒng)。

HPHT飛灰過濾器是過濾器（S1501）、收集槽（V1501）和反吹脈沖緩沖器（V1506）的總稱，它是Shell氣化工藝中的重要設備之一。HPHT飛灰過濾器內(nèi)件由PALL公司提供，外殼由印度L＆T公司生產(chǎn)；HPHT飛灰過濾器內(nèi)徑φ5700mm，操作壓力4.0MPa、操作溫度340℃，設計壓力4.4MPa、設計溫度380℃。

整套飛灰過濾系統(tǒng)主要由過濾系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反吹再生系統(tǒng)構(gòu)成。過濾系統(tǒng)主要包括PALL公司提供的1.5m陶瓷濾芯（1520型陶瓷濾棒），每組48根濾芯，共有24組，該濾芯設計使用年限僅為2a，出現(xiàn)磨損后最長可使用10個月；因其強度低、易磨損、通氣量小、使用時間短、價格昂貴等缺點，并不被廣泛應用?？刂葡到y(tǒng)分為差壓運行模式和時間運行模式兩種，由反吹閥按照具體工況來選擇不同模式進行反吹控制。過濾下來的飛灰積聚到一定程度，濾芯會失去過濾功能，反吹再生系統(tǒng)就是通過反吹閥對24組陶瓷濾芯進行反吹，將反吹閥出口一定量的清潔粗合成氣對準文丘里管入口，將附著在濾芯表面的飛灰吹脫，使其恢復過濾功能。

2 飛灰過濾器運行中主要存在的問題

鶴壁煤化甲醇裝置自2013年投產(chǎn)以來，因Shell氣化爐的積灰、堵渣問題較為突出，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、負荷率低；2015年、2016年甲醇裝置經(jīng)多項改造后，系統(tǒng)運行逐步趨于穩(wěn)定，2016年6月2日系統(tǒng)加至滿負荷，甲醇日產(chǎn)量最高達1846t；伴隨著激冷氣流量的提高，飛灰過濾器的通氣量達160kg／s，大幅超過設計值113kg／s，引起飛灰過濾器壓差上漲過快，并在壓差達30kPa左右時出現(xiàn)漏灰，最終導致氣化裝置被迫停車檢修，無法實現(xiàn)長周期滿負荷運行；2017年8月23日，甲醇日產(chǎn)量創(chuàng)下1921t新高的同時，出現(xiàn)了飛灰過濾器壓差升高且快速上漲的現(xiàn)象。

飛灰過濾器不能穩(wěn)定運行給整個生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了較大的影響：一是近年來氣化爐運行逐漸進入正常狀態(tài)，氣化爐負荷還有一定的提升空間，甲醇裝置能夠?qū)崿F(xiàn)滿負荷生產(chǎn)之際，仍然面臨著飛灰過濾器壓差高、壓差上漲快的隱患，缺乏長周期運行的基礎；二是甲醇裝置負荷仍有一定的提升空間，但受制于飛灰過濾器的壓差高及漏灰問題，負荷不能提升，制約甲醇產(chǎn)能的提升和消耗的進一步降低。具體來說，氣化裝置滿負荷運行以來飛灰過濾器主要存在以下問題。

2.1 負荷增大時系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行

自2016年氣化裝置性能（或負荷）不斷提升以來，飛灰過濾器的過濾負荷逐漸增大，壓差上升較快，氣化裝置加滿負荷以來，1套新的1.5m陶瓷濾棒使用103d壓差達到39kPa，清洗過1次的陶瓷濾棒僅運行41d壓差就漲到38kPa，制約系統(tǒng)長周期滿負荷運行。與此同時，隨著氣化爐負荷的增加（達滿負荷，且有進一步提升的空間），由于粗合成氣量大，氣化裝置的關(guān)鍵設備——飛灰過濾器負荷越來越大，達到了設計負荷的150%，過濾器面速（過濾器斷面上氣流通過的速度）達到1.7m／min以上，遠超1.2m／min的設計值，直接表現(xiàn)在過濾器壓差上，初始壓差高，反吹要求苛刻，壓差超過一定值后濾棒漏灰，漏灰后又造成濾棒壓差上漲加快而形成惡性循環(huán)，且漏灰導致下游水洗塔結(jié)垢、變換分離器堵塞、激冷氣濾網(wǎng)堵塞，甚至造成氣化爐激冷盒堵塞燒壞。飛灰過濾器運行不穩(wěn)定問題成為氣化裝置乃至整個生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸。

2.2 密封和固定方式存在問題

飛灰過濾器濾棒設計固定方式為壓夾，此種固定方式易致積灰，極易造成飛灰過濾器壓差升高，當壓差上升到一定程度時會導致密封失效，繼而出現(xiàn)漏灰。密封失效主要有兩處：第一處在大小管板墊片處；第二處為濾棒配套密封墊片處，其失效或泄漏導致飛灰由密封處進入潔凈氣一側(cè)。飛灰過濾器的設計壓差為75kPa，聯(lián)鎖值為55kPa，運行中當壓差達到30kPa時出現(xiàn)漏灰，不可避免地引起管道、設備結(jié)垢堵塞，最終導致氣化裝置被迫停車檢修，無法實現(xiàn)長周期滿負荷運行。

3 優(yōu)化改進及效果

3.1 陶瓷濾芯更換為Fe3Al金屬濾芯

目前國內(nèi)新型Fe3Al金屬濾芯已日趨成熟，國內(nèi)已有部分用戶將HPHT飛灰過濾器陶瓷濾芯更換為了金屬濾芯。Fe3Al金屬濾芯既具有金屬材料的延展性好、強度高、加工性能好、抗熱震性高、可焊接等優(yōu)點，又具有陶瓷材料的熱穩(wěn)定性好、抗氧化和耐腐蝕性能高、耐磨性能好等特性。Fe3Al金屬濾芯采用骨架層與工作層復合的非對稱結(jié)構(gòu)，骨架層粉末較粗、孔徑較大、厚度較厚、強度較高，主要起支撐作用；工作層粉末較細、孔徑較小、厚度較薄，主要起過濾作用。金屬濾芯在不改變其他過濾參數(shù)的情況下，因其抗沖擊能力強，因而可解決氣化裝置過濾系統(tǒng)抗沖擊能力偏低的問題。

業(yè)內(nèi)將傳統(tǒng)的陶瓷濾芯改為燒結(jié)金屬濾芯以后，不僅濾芯使用壽命有所延長，而且燒結(jié)金屬濾芯不再依賴進口，經(jīng)技術(shù)改造后其使用成本也大大降低。

為此，鶴壁煤化與西部寶德科技股份有限公司合作研發(fā)了2050型高通量濾芯（Fe3Al金屬濾芯），計劃將HPHT飛灰過濾器的陶瓷濾芯更換為通氣量大、強度較高的Fe3Al金屬濾芯。2050型濾芯（即Fe3Al金屬濾芯）采用鐵鋁合金材質(zhì)，能夠更好地應對粗合成氣中H2S、Cl-的侵蝕。2050型Fe3Al金屬濾芯尺寸為φ60mm×6mm×2050mm，單只重量8.5kg，過濾精度0.3μm，過濾效率＞99.9%，在溫度450℃、H2S含量為3%的環(huán)境下其平均腐蝕增重低于1mg／cm2，使用壓差＜40kPa，壓潰強度＞60 MPa，最高使用溫度可達700℃。更換為2050型濾芯后的HPHT飛灰過濾器的過濾面積增加100m2，濾棒面速可從約1.8m／min降至1.4 m／min；同時，對飛灰過濾器進口分布管線進行改造，截短分布管，增大分布管出口管徑，優(yōu)化氣體流場，減少含灰氣體對濾芯的磨蝕。

2017年6月甲醇裝置大修期間（更換催化劑），飛灰過濾器換用Fe3Al金屬濾芯并嚴控安裝質(zhì)量，氣化裝置重啟前后對反吹系統(tǒng)進行調(diào)整，開車后注重穩(wěn)定飛灰過濾器的運行工況，重點是減小過氣量波動、穩(wěn)定反吹氣壓力及溫度。從系統(tǒng)重啟后的運行狀況來看，2050型金屬濾芯的過濾效果較好：初期將反吹時間調(diào)整至15s和300ms，并制定預案，據(jù)系統(tǒng)運行情況及時進行調(diào)整；甲醇合成系統(tǒng)接氣前在氣化裝置80%負荷工況下，飛灰過濾器壓差在3kPa左右，而原使用1520型陶瓷濾棒時壓差在8～10kPa；系統(tǒng)加至滿負荷后，飛灰過濾器壓差在8kPa，原使用1520型陶瓷濾棒時壓差在25kPa左右；滿負荷運行1周后飛灰過濾器壓差在8.5kPa，原使用1520型陶瓷濾棒時壓差接近30kPa（使用1520型陶瓷濾棒與2050型金屬濾芯在系統(tǒng)開車后35d內(nèi)飛灰過濾器壓差的對比見圖1）；同時，水洗塔水洗水水質(zhì)較好，濁度約5mg／L。

圖1 系統(tǒng)開車后35d內(nèi)飛灰過濾器壓差的對比

更換為Fe3Al金屬濾芯后，飛灰過濾器通氣量明顯增加，粗合成氣通氣量約240km3／h，飛灰過濾器壓差可較長時間保持在較低水平，有效解決了原陶瓷濾棒嚴重磨蝕、斷裂而不得不頻繁停車更換的問題，且Fe3Al金屬濾芯離線清洗再生后可多次重復使用，使飛灰過濾器濾芯采購費用大大降低。

隨著氣化裝置產(chǎn)能的再次大幅提升，氣化爐有效氣（H2＋CO）產(chǎn)量達到200km3／h，為設計值的118%，甲醇日產(chǎn)量于2017年12月1日突破2000t，2017年12月6日創(chuàng)2099t日產(chǎn)量紀錄，2018年5月27日創(chuàng)2205t日產(chǎn)量紀錄，日產(chǎn)量連續(xù)穩(wěn)定在2000t以上；2018年12月16日甲醇裝置實現(xiàn)達標達產(chǎn)，提前完成600kt／a的年度生產(chǎn)任務，創(chuàng)國內(nèi)同類型Shell氣化裝置運行最好成績。飛灰過濾器使用1520型陶瓷濾棒與2050型金屬濾芯在系統(tǒng)開車后35d內(nèi)的甲醇日產(chǎn)量對比見圖2。

圖2 系統(tǒng)開車后35d內(nèi)甲醇日產(chǎn)量的對比

3.2 對小管板和大管板密封面進行滿焊固定

飛灰過濾器進氣側(cè)和出氣側(cè)有3處密封：大管板和罐體之間、大管板和小管板之間、濾棒和小管板之間。大管板和罐體通過膨脹節(jié)已焊接在一起，小管板和濾棒通過壓板、高強彈簧連在一起，此兩處漏灰的可能性較??；據(jù)以往多次因飛灰過濾器漏灰停車檢修的經(jīng)驗，飛灰過濾器壓差大造成漏灰次數(shù)最多的地方為小管板和大管板密封面。利用2019年8月甲醇裝置停車大修機會，將飛灰過濾器安全交出，拆除小管板上的文丘里，在保證濾棒內(nèi)部不被污染的情況下，對20組小管板采用304焊條實施滿焊作業(yè)。

飛灰過濾器小管板和大管板密封面滿焊固定后，截至投稿之時已近1a的時間，在氣化爐運行正常的情況下，飛灰過濾器濾芯通透性緩慢下降，本輪生產(chǎn)周期內(nèi)，飛灰過濾器壓差由運行之初的19kPa上漲至目前的30kPa，目前水洗塔外排水不渾濁，其濁度（分析數(shù)據(jù)）仍在5mg／L以下，而之前此種工況（飛灰過濾器壓差30kPa）下早已出現(xiàn)水洗塔外排水渾濁、飛灰過濾器漏灰現(xiàn)象。技改后的運行情況表明，針對小管板和大管板密封面這個薄弱點實施的改造是成功的，在飛灰過濾器壓差偏大的情況下，不僅減小了漏灰造成氣化裝置停車的風險，而且減少了水洗塔（C1601）結(jié)垢、變換分離器堵塞、激冷氣濾網(wǎng)堵塞的幾率，消除了氣化爐激冷盒堵塞燒壞的風險，有力地保證了氣化裝置的穩(wěn)定、高負荷、長周期運行。

4 結(jié)束語

飛灰過濾器改用2050型高通量濾芯（Fe3Al金屬濾芯）后，有效解決了Shell氣化裝置開車后HPHT飛灰過濾器基礎壓差高、運行期間壓差上漲快、反吹效果不好等問題，避免了因飛灰過濾器壓差高導致的氣化裝置被迫停車檢修；飛灰過濾器小管板和大管板密封面滿焊固定后，近1a以來飛灰過濾器壓差上漲緩慢，水洗塔外排水濁度仍在5mg／L以下，保證了氣化裝置的穩(wěn)定、高負荷、長周期運行。另外，HPHT飛灰過濾器原采用PALL公司的陶瓷濾棒，單臺HPHT飛灰過濾器需1152支陶瓷濾棒，每支陶瓷濾棒價格約6000元，過濾元件成本較高；而國產(chǎn)Fe3Al金屬濾芯，每支價格僅約3000元，單臺飛灰過濾器可節(jié)約過濾元件采購成本345.6萬元，且離線清洗再生后可多次重復使用，大大降低了飛灰過濾系統(tǒng)的初始投資和運行維護成本。

2050型高通量濾芯的成功研發(fā)及應用，解決了Shell氣化裝置的瓶頸問題，鶴壁煤化的Shell氣化裝置實現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、高負荷、長周期運行，成為國內(nèi)首套達標達產(chǎn)的大型Shell氣化裝置。實踐表明，F(xiàn)e3Al金屬濾芯應用于HPHT飛灰過濾器是可行的，在大型Shell氣化裝置上具有廣泛的適用性，今后我國建設大型粉煤加壓氣化裝置中涉及干法除灰系統(tǒng)時，若飛灰過濾器采用Fe3Al金屬濾芯，將提高系統(tǒng)的運行質(zhì)量，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，并具有行業(yè)性的技術(shù)引領(lǐng)和帶動作用。