殼牌煤氣化飛灰過(guò)濾器脈沖反吹閥國(guó)產(chǎn)優(yōu)化改造

王道銀

(云南天安化工有限公司, 云南安寧 650309)

2000年前后,為響應(yīng)國(guó)家“煤代氣”戰(zhàn)略,國(guó)內(nèi)多家化工企業(yè)相繼從國(guó)外引進(jìn)了多套煤粉加壓氣化(廢鍋流程)技術(shù),生產(chǎn)粗煤氣(主要成分為CO+H2)作為下游合成氨、尿素、磷肥、甲醇等化肥化工產(chǎn)品的原料氣。原料煤和蒸汽、氧氣的混合物在氣化爐內(nèi)高溫高壓條件下反應(yīng)生成粗煤氣,經(jīng)過(guò)氣化爐熱能回收利用后,進(jìn)入飛灰除塵系統(tǒng),再進(jìn)入洗滌系統(tǒng),洗滌合格后粗煤氣進(jìn)入下游系統(tǒng)[1]。

飛灰過(guò)濾器是煤氣化飛灰除塵系統(tǒng)流程中的重要設(shè)備,作用是高效分離粗煤氣中的飛灰。飛灰過(guò)濾器的主要設(shè)備為1個(gè)圓筒形壓力容器,內(nèi)部小管板上安裝有24組金屬陶瓷濾芯,每組陶瓷濾芯有48根,共計(jì)1 152根。每組濾芯均作為1個(gè)獨(dú)立的工作單元,設(shè)置1臺(tái)快開脈沖反吹角式閥門(簡(jiǎn)稱反吹閥),用于濾芯的反吹。

當(dāng)濾芯外壁的含塵粗煤氣積附了較多的飛灰后,濾芯內(nèi)外壓差達(dá)到了設(shè)定值,反吹閥在高壓氮?dú)獾淖饔孟?從濾芯內(nèi)部向外進(jìn)行反吹,將濾芯外壁的飛灰吹掉,落入下部的排灰系統(tǒng)外排。反吹閥工作結(jié)束后,濾芯恢復(fù)正常工作狀態(tài),待下一個(gè)周期濾芯壓差達(dá)到設(shè)定值后,再次進(jìn)行反吹,如此循環(huán)往復(fù)工作[1]。

反吹閥的安全可靠運(yùn)行對(duì)于保障飛灰過(guò)濾器濾芯和氣化爐的運(yùn)行極為重要,如果反吹閥失效,濾芯不能及時(shí)得到反吹,積聚在濾芯外壁上的飛灰會(huì)越積越多,造成濾芯嚴(yán)重堵塞直至失效,引起飛灰過(guò)濾器壓差迅速上漲,導(dǎo)致濾芯斷裂,濾芯失效,引起裝置全線停車[2]。停車檢修時(shí)間長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)損失大。

云南天安化工有限公司于2008年引進(jìn)建成投產(chǎn)1套殼牌煤氣化裝置,自裝置開車以來(lái),飛灰過(guò)濾器的反吹閥經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)漏、波紋管破裂、閥體振動(dòng)大、氣缸損壞的問(wèn)題,嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。此外,引進(jìn)裝置中反吹閥為進(jìn)口部件,整閥及閥門備件均長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,不僅供貨時(shí)間長(zhǎng),采購(gòu)困難,而且價(jià)格昂貴、維修費(fèi)高,對(duì)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、設(shè)備維修、備件采購(gòu)儲(chǔ)備都帶來(lái)極大的困難。

為改變上述現(xiàn)狀,云南天安化工有限公司決定對(duì)飛灰過(guò)濾器反吹閥進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造攻關(guān),使閥門、備件國(guó)產(chǎn)化,解決反吹閥內(nèi)漏、波紋管破裂、閥體振動(dòng)、氣缸故障等問(wèn)題,并延長(zhǎng)閥門的使用壽命,保障生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行,同時(shí)消除對(duì)進(jìn)口設(shè)備備件的依賴,把“卡脖子”技術(shù)牢牢掌握在自己手中,并降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

1 反吹閥結(jié)構(gòu)及工作原理

反吹閥屬于角式閥門,正常狀態(tài)下閥芯處于關(guān)閉狀態(tài),閥門外形見圖1[3]。當(dāng)濾芯壓差上升,達(dá)到設(shè)定值時(shí),氣缸啟動(dòng),提升閥芯,打開閥門,高壓氮?dú)?壓力約7.8 MPa)從閥門出口端反向進(jìn)入進(jìn)口端,吹入濾芯內(nèi)部,把濾網(wǎng)外部的飛灰吹除。工作結(jié)束后,氣缸關(guān)閉,閥芯關(guān)閉,閥門恢復(fù)正常狀態(tài),直至下一個(gè)動(dòng)作周期,如此往復(fù)工作。反吹閥在設(shè)備內(nèi)部的布置見圖2。

圖2 反吹閥在設(shè)備內(nèi)部的布置

反吹閥工作溫度約225 ℃,閥門進(jìn)口端壓力為3.8 MPa,出口端壓力為7.8 MPa,且處于交替狀態(tài),閥門開關(guān)時(shí)間間隔為6～12 min(根據(jù)壓差上漲情況),每次動(dòng)作時(shí)間約0.2 s,每年工作時(shí)間按8 000 h計(jì)算,動(dòng)作次數(shù)約4萬(wàn)余次。閥門工作參數(shù)見表1[4]。

表1 閥門工作參數(shù)表

從閥門結(jié)構(gòu)和工作原理可知,反吹閥的特點(diǎn)是閥芯設(shè)計(jì)有波紋管密封,主要用于防止氣體泄漏?？焖匍_啟和關(guān)閉閥芯時(shí),閥座既要承受劇烈的沖擊,又要耐受高溫作用,對(duì)密封性能要求極高。閥體和閥桿較長(zhǎng),安裝偏差會(huì)引起偏心,造成閥芯閥座不對(duì)中、波紋管磨損等問(wèn)題?？扉_、快關(guān)、高壓差、頻繁動(dòng)作、沖擊作用劇烈是反吹閥的顯著特點(diǎn)。

2 存在的問(wèn)題

自裝置建成投用以來(lái),反吹閥發(fā)生過(guò)多次故障,主要包括內(nèi)漏及密封付損壞、波紋管泄漏、氣缸故障等,嚴(yán)重制約著裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 內(nèi)漏及密封付損壞

反吹閥投用以來(lái),密封付發(fā)生過(guò)多次損壞,引起閥門內(nèi)漏,閥門動(dòng)作次數(shù)僅為20 000～40 000次,遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求(不低于10萬(wàn)次),損壞部件以密封墊的損壞(見圖3)占比最多,主要損壞形式以密封面脆性破裂為主。

圖3 密封墊破裂情況

2.2 波紋管損壞

波紋管套在閥桿外面,其作用是密封閥芯開啟時(shí)的氣體,防止泄漏。波紋管與閥芯的安裝間隙較小,極易發(fā)生閥芯安裝偏心情況,造成波紋管的磨損。波紋管外形見圖4。

圖4 波紋管外形

波紋管被磨穿后,氣體外泄,必須立即進(jìn)行在線處理或者停車更換,嚴(yán)重影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。拆檢波紋管進(jìn)行宏觀檢查,發(fā)現(xiàn)波紋管內(nèi)部有明顯的磨損現(xiàn)象(見圖5)。

圖5 波紋管內(nèi)壁磨損

2.3 氣缸振動(dòng)大

反吹閥運(yùn)行過(guò)程中,閥門頂部氣缸運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大,實(shí)測(cè)最大振幅達(dá)15～20 mm,同時(shí)伴隨著異響。

此外,閥門及備件均依賴國(guó)外進(jìn)口,24套閥門及備件進(jìn)口費(fèi)用約200余萬(wàn)元,供貨期10個(gè)月以上,費(fèi)用高昂,供貨期長(zhǎng),也給維修和采購(gòu)帶來(lái)很大的困難。

3 主要改造內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)閥門及備件國(guó)產(chǎn)化,保證單個(gè)閥門動(dòng)作次數(shù)達(dá)到10萬(wàn)次以上或者連續(xù)運(yùn)行2 a以上,同時(shí)降低采購(gòu)費(fèi)用,縮短供貨期,對(duì)反吹閥進(jìn)行技術(shù)改造。

3.1 內(nèi)漏及密封付改造

原密封付墊片材料設(shè)計(jì)為聚苯并咪唑(PBI),該材料是一種特殊的工程塑料,硬度高、耐高溫、難加工,不同的制造商有不同的配方,出廠成品使用性能有較大的差別。

由于密封墊多次出現(xiàn)開裂破損,損壞面呈現(xiàn)脆性斷裂特征,顯示材料脆性高而韌性不足。原設(shè)計(jì)材料PBI的20 ℃沖擊功要求不低于8 kJ/m2,而制造商提供的材料的20 ℃沖擊功僅為4 kJ/m2,由此判斷制造商使用的PBI質(zhì)量存在問(wèn)題,沖擊韌性較差,不能滿足密封墊長(zhǎng)期使用要求。因此,要求制造商調(diào)整PBI配方,并確保20 ℃沖擊功不低于8 kJ/m2,嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收要求,于2021年5月全部重新更換新密封墊。直至2023年6月,該密封墊連續(xù)使用了2 a,未再出現(xiàn)密封墊破裂情況,較好地解決閥門內(nèi)漏問(wèn)題。

3.2 波紋管改造

對(duì)波紋管本身質(zhì)量進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。分析波紋管發(fā)生泄漏的原因是其內(nèi)壁與閥桿產(chǎn)生了局部接觸磨損,閥桿安裝存在偏心的情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),閥桿與壓蓋最大偏心距離為2.5 mm,閥桿與波紋管內(nèi)壁間隙設(shè)計(jì)為1.0 mm,偏心距離遠(yuǎn)大于間隙要求,閥桿與波紋管內(nèi)壁產(chǎn)生了接觸磨損,見圖6。

1—閥桿; 2—螺栓; 3—定位環(huán); 4—壓蓋; 5—支撐桿; 6—波紋管。

波紋管的改造內(nèi)容主要有2個(gè)方面：

(1) 加大閥桿與波紋管內(nèi)壁間隙,由設(shè)計(jì)的1.0 mm調(diào)整為2.5 mm,保證閥桿與波紋管內(nèi)壁有足夠的間隙,避免接觸。

(2) 在閥桿與壓蓋之間的空隙處設(shè)計(jì)1個(gè)定位環(huán),確保閥桿與波紋管的對(duì)中(見圖6)。

新設(shè)計(jì)的定位環(huán)還可以起到一定的防磨作用。在后期檢查中,只要發(fā)現(xiàn)定位環(huán)發(fā)生了偏磨,及時(shí)更換定位環(huán)就可解決閥桿偏心的問(wèn)題,只要閥桿不偏心,閥桿不與波紋管內(nèi)壁接觸,不產(chǎn)生磨損,就可以解決波紋管泄漏問(wèn)題。

該2項(xiàng)改造于2021年10月完成并投入使用,至今已連續(xù)使用1.5 a,未再出現(xiàn)過(guò)波紋管泄漏問(wèn)題。

3.3 氣缸改造

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多方分析,發(fā)現(xiàn)氣缸振動(dòng)大、異常聲響的主要原因是氣缸工作時(shí)沖擊力過(guò)大,缺少緩沖過(guò)程。

經(jīng)過(guò)與國(guó)內(nèi)制造廠多次研究討論,決定在氣缸頂部增加阻尼減振器來(lái)解決振動(dòng)和異響問(wèn)題,該減振器具有雙向減振功能,結(jié)構(gòu)見圖7。當(dāng)減振裝置中的活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),上腔形成一個(gè)液壓腔室,液壓油在設(shè)定調(diào)節(jié)通道中節(jié)流通過(guò),產(chǎn)生液壓阻尼,減緩了氣缸活塞對(duì)缸蓋的沖擊,向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的減振原理一致。同時(shí)設(shè)定向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生液壓阻尼在閥門行程的最后3 mm,確保閥門開關(guān)速度不受影響,反吹性能得到保證。這種雙向設(shè)計(jì)減輕了氣缸活塞對(duì)缸蓋的沖擊,也減輕了閥芯對(duì)閥座的沖擊,既可以延長(zhǎng)閥門密封的壽命,又能有效減小因閥門自身沖擊而引起的振動(dòng)。

圖7 減振器結(jié)構(gòu)

新的減振器已于2021年5月投用,投用后實(shí)測(cè)閥門的振幅為2～3 mm,異響消失。

4 改造效果

優(yōu)化改造后的反吹閥陸續(xù)于2021年5月—10月全部投入使用,最短也連續(xù)運(yùn)行了1.5 a,反吹閥運(yùn)行正常,飛灰過(guò)濾器運(yùn)行穩(wěn)定,保障了煤氣化裝置的穩(wěn)定和安全運(yùn)行,帶來(lái)了可觀的運(yùn)行效益和經(jīng)濟(jì)效益。

反吹閥及內(nèi)件的所有改造均由云南天安化工有限公司與國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所共同完成,并由國(guó)內(nèi)相關(guān)制造商完成制造,云南天安化工有限公司完成應(yīng)用,基本擺脫了反吹閥長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口的狀況,內(nèi)件也全部國(guó)產(chǎn)。閥門整體和部件均實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化后,國(guó)內(nèi)閥門及備件的供貨期已縮短至1～3個(gè)月,相比進(jìn)口供貨期縮短了至少0.5 a,采購(gòu)費(fèi)用降低約50%,達(dá)到了改造的目標(biāo)。

改造前,反吹閥每年故障10余臺(tái)次;改造后,運(yùn)行近2 a來(lái),沒(méi)有再發(fā)生閥門內(nèi)漏、波紋管破裂、氣缸振動(dòng)大等問(wèn)題,故障率大幅下降,維修頻率也大幅減少。

優(yōu)化改造后的反吹閥使用時(shí)間接近2 a,動(dòng)作次數(shù)平均已達(dá)8萬(wàn)次,動(dòng)作次數(shù)最多的閥門已達(dá)10萬(wàn)次(達(dá)到原設(shè)計(jì)要求)。目前,反吹閥普遍運(yùn)行狀態(tài)良好,效果非常明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析研究飛灰過(guò)濾器反吹閥的結(jié)構(gòu)和工作原理,聯(lián)合國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的設(shè)計(jì)院所和制造商對(duì)反吹閥進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造合作,解決原反吹閥內(nèi)漏、密封付損壞、波紋管泄漏、閥門振動(dòng)大等突出問(wèn)題,并且在應(yīng)用中取得了良好的效果,有力護(hù)航裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。反吹閥及備件的成功國(guó)產(chǎn)化,使企業(yè)擺脫了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴,避免了關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)被國(guó)外“卡脖子”的情況,且供貨期大幅縮短,費(fèi)用大幅降低,有力推動(dòng)了煤化工關(guān)鍵設(shè)備及備件國(guó)產(chǎn)化工作,為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行效益。