煤粉鎖斗系統(tǒng)燒結(jié)金屬過濾元件損壞原因分析

羅嬋容,張忠華,張志華

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

SHELL煤氣化工藝應(yīng)用廣泛,適用于無(wú)煙煤、煙煤、褐煤和石油焦等多種原料,具有對(duì)環(huán)境污染小、氣化效率高等優(yōu)點(diǎn),SHELL煤氣化工藝為干煤粉加壓氣流床氣化工藝,其特點(diǎn)是采用煤粉鎖斗系統(tǒng)輸送煤粉。煤粉鎖斗系統(tǒng)由流程相同的A和B兩條線組成,本文以A線為例簡(jiǎn)單介紹煤粉的輸送原理及過濾元件的作用。

煤粉鎖斗系統(tǒng)主要是通過向煤粉鎖斗的氣體注入裝置(簡(jiǎn)稱笛管)、充氣錐和管道充氣器中充入N2或CO2實(shí)現(xiàn)設(shè)備充壓、設(shè)備錐段的防堵以及向下游進(jìn)行煤粉輸送;設(shè)備泄壓時(shí)通過泄壓管線并經(jīng)過過濾器(S-1202A)進(jìn)行氣體過濾后向外泄壓。煤粉鎖斗(V-1204A)位于煤粉貯倉(cāng)(V-1201A)與煤粉給料倉(cāng)(V-1205A)之間,打開V-1201A和V-1204A之間的閥12-XV-0133和12-XV-0123,煤粉由于自重由V-1201A流入V-1204A,當(dāng)V-1204A的料位達(dá)到高料位時(shí),關(guān)閉12-XV-0133和12-XV-0123,經(jīng)V-1204A錐部的笛管(X-1202A)通入N2或CO2給V-1204A充壓,待V-1204A和V-1205A壓力接近時(shí),通過平衡管線平衡兩者壓力后,再打開閥12-XV-0131和12-XV-0132,煤粉靠自重由V-1204A流入V-1205A,卸料完成后關(guān)閉12-XV-0131和12-XV-0132,V-1204A泄壓,再重復(fù)以上過程。 V-1204A與V-1205A之間設(shè)有充氣錐(X-1204A)和管道充氣器(X-1203A),對(duì)此二者進(jìn)行充氣并進(jìn)一步用于煤粉的輸送。笛管、充氣錐和管道充氣器充壓工藝流程見圖1。

圖1 笛管、充氣錐和管道充氣器充壓工藝流程注:V-1204A—煤粉鎖斗;V-1201A—煤粉貯倉(cāng);V-1205A—煤粉給料倉(cāng);12-XV-0133,12-XV-0123—閥;X-1204A—充氣錐;X-1203A—管道充氣器

過濾元件設(shè)置在煤粉鎖斗系統(tǒng)的笛管、充氣錐和管道充氣器中,其主要作用是防止充、泄壓過程中煤粉輸送時(shí)煤粉進(jìn)入氣體輸送系統(tǒng)。某廠煤氣化裝置煤粉鎖斗系統(tǒng)的笛管、充氣錐和管道充氣器的過濾元件均采用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)型式,在操作運(yùn)行中出現(xiàn)了不同程度的損壞。本文介紹了燒結(jié)金屬絲網(wǎng)損壞的情況,分析了可能的失效原因,并介紹燒結(jié)金屬絲網(wǎng)改造為多孔板結(jié)構(gòu)的改造情況。

1 事故概況

某裝置在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)A線對(duì)應(yīng)的兩條煤粉管線上的角閥開到最大,負(fù)荷仍上不去,懷疑煤粉管線有堵塞,停車后打開X-1202A笛管充氣錐,發(fā)現(xiàn)內(nèi)有兩片笛管膜片,初步判斷笛管(X-1207A)有膜片脫落。

大修期間對(duì)煤粉鎖斗(V-1204A/B)內(nèi)部笛管(X-1202A/B)及下部連接的充氣錐(X-1204A/B)、管道充氣器(X-1203A/B)拆開檢查,發(fā)現(xiàn)A、B兩個(gè)系列的笛管膜片、充氣錐和管道充氣器燒結(jié)金屬內(nèi)件均有一定程度的損壞。

笛管(X-1202A)的8根支管上有1個(gè)膜片完全脫落,7個(gè)膜片有輕微鼓包;笛管(X-1202B)的8根支管上有13個(gè)膜片輕微鼓包,未見有膜片脫落。笛管膜片損壞情況見圖2。

圖2 X-1202A/B笛管膜片損壞情況

X-1204A/B充氣錐內(nèi)件燒結(jié)金屬絲網(wǎng)中間撕裂,絲網(wǎng)與上、下連接板(致密材料)焊縫撕裂,損壞情況見圖3。X-1203A/B管道充氣器內(nèi)件燒結(jié)金屬絲網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重變形,與連接板焊縫處發(fā)生嚴(yán)重撕裂,損壞情況見圖4。

圖3 X-1204A/B充氣錐內(nèi)件損壞情況

圖4 X-1203A/B管道充氣器內(nèi)件損壞情況

煤粉鎖斗系統(tǒng)笛管、充氣錐和管道充氣器上的燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過濾元件損壞極為嚴(yán)重,笛管膜片脫落掉入下游裝置,容易造成煤粉管線堵塞,嚴(yán)重影響燒嘴的安全穩(wěn)定,繼而影響了氣化爐長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷運(yùn)行效率。

2 損壞原因分析

目前,在運(yùn)行的多套SHELL煤氣化裝置中,煤粉鎖斗系統(tǒng)充壓過濾元件多采用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)和燒結(jié)金屬粉末材料制成。與燒結(jié)金屬粉末相比,燒結(jié)金屬絲網(wǎng)孔隙率較大,氣體通過時(shí)的阻力降較小;有一定的變形量,可承受部分壓力載荷波動(dòng);損壞不易造成碎片脫落,降低堵塞煤粉管線的概率。在上文提到的項(xiàng)目裝置中,業(yè)主根據(jù)以往其他工廠的操作經(jīng)驗(yàn),要求過濾元件采用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)材料。此裝置燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過濾元件損壞程度非常嚴(yán)重,在其他同類運(yùn)行裝置中沒有出現(xiàn)過如此嚴(yán)重的損壞,綜合分析認(rèn)為造成損壞的主要原因有5點(diǎn)。

(1)燒結(jié)金屬絲網(wǎng)元件采用多層不銹鋼絲網(wǎng)壓制、燒結(jié)而成,成型厚度大于7mm,設(shè)計(jì)壓差按1.5MPa考慮,分析圖3、圖4可知,厚度達(dá)7mm的燒結(jié)金屬絲網(wǎng)被從中間撕裂,可見發(fā)生事故時(shí)的實(shí)際壓差遠(yuǎn)大于可承受壓差。

(2)笛管、充氣錐和管道充氣器在充泄壓的過程中,壓力變化較大(0～4.7MPa),承受交變載荷,故設(shè)備外殼應(yīng)進(jìn)行疲勞分析設(shè)計(jì)。對(duì)于過濾元件內(nèi)件來(lái)說(shuō),當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生煤粉“架橋”、過濾元件堵塞造成壓差增大充氣不暢時(shí),內(nèi)件也承受交變載荷工況;而燒結(jié)金屬過濾元件本身是多孔材料,這些多孔材料之間及其與端部法蘭等致密材料焊接時(shí)存在微觀裂紋等“缺陷”,對(duì)承受交變載荷的適應(yīng)性較差,從而造成燒結(jié)金屬元件,特別是焊縫處的撕裂。

(3)該裝置V-1204A/B煤粉鎖斗容積偏小(～30m3),每天下煤次數(shù)(48次)相較于其他工廠頻次更高,承受的交變載荷次數(shù)更多,采用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)材料發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn)更大。

(4)燒結(jié)金屬絲網(wǎng)元件的損壞可能與操作控制存在關(guān)聯(lián),尤其是開車前期,存在沒有投聯(lián)鎖而采用手動(dòng)控制的情況,很難準(zhǔn)確地控制氣體的流量和燒結(jié)金屬元件兩側(cè)的壓差。當(dāng)氣體流量較大,導(dǎo)致兩側(cè)壓差超過燒結(jié)金屬元件可承受的最大壓差時(shí),燒結(jié)金屬元件發(fā)生損壞。

(5)煤種的影響。該廠采用的是褐煤,在檢修過程中發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)燒結(jié)過濾元件上有黏接物,經(jīng)水沖洗及毛刷清洗仍不能處理干凈,在正常操作時(shí),這些黏接物一定程度上影響了燒結(jié)金屬絲網(wǎng)的性能,增大了壓差。

3 結(jié)構(gòu)改造

內(nèi)件結(jié)構(gòu)改造采用多孔笛管代替燒結(jié)金屬絲網(wǎng),將充氣錐內(nèi)件、管道充氣器內(nèi)件由燒結(jié)金屬絲網(wǎng)改為多孔板結(jié)構(gòu),即在管材、卷制的板材上進(jìn)行打孔,典型的多孔板結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 典型多孔板結(jié)構(gòu)

多孔板結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高的特點(diǎn),能更好地適應(yīng)交變載荷影響;孔徑大、通透性更好、不易堵塞;不易損壞,省去了內(nèi)件檢修更換的成本,能更好地保證長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

采用多孔板結(jié)構(gòu)必須控制煤粉一側(cè)的壓力不能超過充氣側(cè)的壓力,以防止煤粉進(jìn)入氣體輸送系統(tǒng)的事故發(fā)生。保護(hù)措施可以采用設(shè)置儀表檢測(cè)兩側(cè)壓差,另將防煤粉進(jìn)入氣體輸送系統(tǒng)的保護(hù)閥移至全部充壓管線的上游。

充壓過濾元件改為多孔板結(jié)構(gòu)后,該裝置鎖斗系統(tǒng)至今已穩(wěn)定運(yùn)行6年多,未再發(fā)生任何事故。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),SHELL近幾年才提出將承受較大交變載荷的充壓過濾元件改為多孔板結(jié)構(gòu)。目前,在建的國(guó)外某化肥項(xiàng)目采用SHELL廢鍋流程的工藝,其煤氣化裝置的煤粉鎖斗系統(tǒng)中的笛管、充氣錐和管道充氣器內(nèi)件均已采用多孔板結(jié)構(gòu),除此以外,其他工序的充氣錐和管道充氣器內(nèi)件仍推薦采用燒結(jié)金屬材料。

4 結(jié)語(yǔ)

在前期設(shè)計(jì)的一些SHELL煤氣化裝置中,煤粉鎖斗系統(tǒng)的過濾元件均采用燒結(jié)金屬材料,主要考慮的是可避免煤粉輸送時(shí)煤粉進(jìn)入氣體輸送系統(tǒng)污染N2或CO2系統(tǒng)。但有些裝置出現(xiàn)了不同程度的燒結(jié)金屬過濾元件損壞問題,尤其是裝置開車前期。

南京惠生SHELL煤氣化項(xiàng)目的煤粉鎖斗笛管、充氣錐及管道充氣器,前期采用的是燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過濾元件,運(yùn)行過程中過濾元件出現(xiàn)了不同程度的損壞,最終全部改為多孔板結(jié)構(gòu)。

河南永城SHELL煤氣化項(xiàng)目最初采用的燒結(jié)金屬過濾元件也多次發(fā)生損壞,后也將A、B兩條線上煤粉鎖斗笛管、充氣錐及管道充氣器的過濾元件改為了多孔板。

針對(duì)煤粉鎖斗系統(tǒng)的笛管、充氣錐及管道充氣器上使用的燒結(jié)金屬過濾元件易損壞的問題,由于涉及煤種特性、鎖斗容積大小、承受交變載荷是否頻繁、邏輯控制系統(tǒng)是否完善、項(xiàng)目初始試車不穩(wěn)定等多方面因素,故推薦同類裝置的煤粉鎖斗系統(tǒng)過濾元件采用多孔板結(jié)構(gòu)。