SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器S1501分析及解決措施

劉存熙

摘 要：SHELL煤氣化裝置是近年來國內所引進的先進高溫高壓煤氣化裝置。該裝置中陶瓷濾棒由于長期處于高溫高壓高負荷運行狀態下，濾棒本身的過濾性能可能會逐漸降低，當裝置整體進入壽命周期末期時還會出現嚴重的濾棒斷裂現象，導致外部合成氣中的大量飛灰侵入并形成管道結垢，堵塞設備，造成合成氣壓縮機損壞。為了解決這一問題，應該為設備裝置中設置S1501飛灰過濾器系統，相比于傳統陶瓷濾芯，它采用了真空燒結而成的燒結金屬濾芯，它的耐腐蝕性強，滲透性好，強度更高且易于清洗和反清洗，擁有較高的塑性不易斷裂，而且過濾精度也相對較高。本文主要對它的結構構成、故障判斷進行分析，最后提出設備故障問題解決措施。

關鍵詞：SHELL煤氣化工藝 高溫高壓 飛灰過濾器S1501

中圖分類號：TQ54 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）11-0-02

在煤氣化工藝過程中，原料煤被轉化為由CH4、H2和CO所組成的合成氣體，這一合成氣體可以用作發電燃料或其它裂解產品進料。目前某些煤制油企業會采用SHELL粉煤氣化技術，它以O2為主要氣化介質來生產合成氣。

一、SHELL煤氣化工藝中高溫高壓飛灰過濾器的工作流程

在SHELL煤氣化過程中就包含了除灰這一重要工藝，它主要通過合成氣冷卻器將合成氣送至高溫高壓過濾器進行過濾除灰，保證在過濾后合成氣的灰塵含量在2～3mg/Nm3，然后再將過濾后氣體送至洗滌塔。在高溫高壓過濾器中還設置了反吹系統，它利用超高壓合成氣對濾芯進行長時間反吹，確保濾芯壓降能夠始終控制維持在0.03MPa范圍內，而高溫高壓飛灰過濾器所過濾出的飛灰也將被收集于飛灰放料罐中。從技術角度講，這部分被SHELL煤氣化工藝所過濾產生的飛灰要再經過濕法洗滌或干法脫除才能確保灰塵含量達到生產要求，同時確保設備的下游壓縮機部分不會產生灰塵積累現象影響設備裝置常規化運行。在目前，采用干法脫除來過濾灰塵比較常見，它所采用的過濾器為S1501。該過濾器是否能夠正常穩定運行對于SHELL氣化裝置整體運作相當重要[1]。

二、關于飛灰過濾器S1501

1.S1501飛灰過濾器的基本概述

上文所提到的S1501飛灰過濾器是SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾設備中的關鍵，它在設備中的技術地位相對較高，處于飛灰收集工序的頂端位置，S1501能夠將氣化爐中所生成合成氣中的大部分粉塵全部過濾干凈，保證合成氣達到工業生產標準后再進入濕洗工序，通過最終洗滌形成激冷氣。在此過程中，S1501基本過濾去除了合成氣中大約99%以上的飛灰含量。

2.S1501的具體組成

S1501飛灰過濾器系統整體主要由3部分組成：過濾系統、控制系統以及執行設備。首先談過濾系統，過濾系統由15組濾芯所共同組成，且每一組濾芯中都含有48根陶瓷濾芯，整個系統一共有720根。該系統能夠在常規操作范圍內完成日常維護工作，即使不清洗濾芯，其濾芯也能夠至少工作1.6萬h以上，基本達到3a/2.4萬h水平。而如果選擇清洗濾芯，清洗后的濾芯機械強度不會因為清洗而出現大幅度的強度衰減，依然可以正常使用。

其次是S1501的控制系統，它的控制系統主要通過PLC來實現功能應用，且其中也加入了反吹閥動作，同時按照預先設定模式來運行控制系統。在系統中，反吹閥運行模式還包括了時間運行與差壓運行模式兩種，從工藝層面來講，它要基于系統的不同運行狀況、不同模式來進行控制反吹，保證典型差壓運行模式的反吹時間符合控制系統運行標準。舉例來說，如果反吹閥運行模式下其壓差為0～20kPa，它的運行間隔時間就為35s，如果壓差在25kPa，它的間隔時間應該為25s，如果壓差>30kPa，它的間隔時間則要控制在15s以內。

最后是S1501的執行設備，執行設備即反吹再生系統，由于系統中所有被過濾掉的飛灰會集聚于濾芯表面位置，當積累達到一定程度后濾芯本身會喪失過濾功能。為了保證濾芯能夠在功能再生或長時間保持功能有效性，就要為其配備反吹再生執行設備。在SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器中就設置了15組與濾芯相對應的反吹閥，且在每一組濾芯之上都額外設置了一個倒立的文丘里管，反吹閥出口位置要對準文丘里管入口，確保讓文丘里管也能儲存攜帶一定量的合成氣，并最終將合成氣吹入濾芯位置。如此一來，濾芯文丘里管表面的飛灰就會自動脫離，進而實現對濾芯過濾功能的有效恢復。根據過往實踐經驗總結得出，反吹閥執行設備的平均壽命可達到10萬次動作，如果按照15s間隔時間來計算，反吹閥的每一次循環時間為4～5min，它的可持續運行時間可至少達到270d以上[2]。

三、S1501的故障判斷與故障現象分析

1.故障判斷

一般來說，S1501其飛灰過濾系統的故障一般體現在濾芯損壞方面，其濾芯的實際壽命及預期壽命相比具有較大落差，這是因為在設備的實際運行過程中，濾芯與濾芯之間是存在搭橋空隙的，這里最容易積累飛灰，時間長久飛灰積累越來越多并形成足以將S1501濾芯撐斷的橫向剪切力。當濾芯完全斷裂以后，大量未經過濾的飛灰會直接進入文丘里管洗滌器包括濕洗塔，將這兩大分支設備中的所有頂部噴淋孔堵死，形成填料狀結垢，最終使SHELL煤氣化裝置完全無法正常運行而被迫停運。

這里可以通過反吹氣壓降來判斷設備故障。當設備正常運行過程中，它的反吹氣壓降應該至少大于0.15MPa。另外還要根據反吹間隔時間、反吹降壓趨勢等等內容來判斷設備的周期性鋸齒形變化，考慮正常反吹與不充分反吹兩種情況，同時做到對反吹壓降變化的有效監控，按照濾芯變化來判斷設備是否在實施有效反吹，如果發現故障要進行及時處理，如圖1。

2.故障現象分析

要明確S1501在過濾系統方面的故障原因，例如比較常見的濾芯損壞，此時就必須停止設備運行，及時更換濾芯。但如果反吹閥出現故障則要根據具體狀況進行具體分析，第一時間處理故障狀況，如果是比較嚴重的反吹閥桿或閥芯脫落斷裂，必須停止設備進行集中檢修。從過往的設備運行實踐經驗來看，S1501出現故障主要會出現五方面故障現象。

首先是低料位不出現。這可能是因為S1501中錐部積灰過多，灰料位置已經漲到濾芯底部位置，導致濾芯被積灰掩埋，或者濾芯已經被撐斷，最終導致系統被迫停止。

其次可能是SHELL煤氣氣化爐系統負荷與壓力升降速率過快不規律。在設備運行開車階段，系統是呈現負荷壓力全上升狀態的，而當系統運行停車以后，則會進行泄壓吹掃。在此過程中過濾器可能會受到沖擊影響，導致濾芯損壞。一般來說SHELL氣化爐系統在升降壓速率方面要進行嚴格范圍控制，避免其出現上述問題。

第三是S1501反吹閥門出現故障，通常情況下設備反吹閥門是會出現內銹渣。溫度壓力過大等現象，它們會造成設備的應力，如果反吹氮氣溫度超過225℃，反吹閥就會直接出現故障。該故障必須在0.5h以內處理好，否則濾芯會直接損壞。

第四，當傳統的陶瓷濾芯被改為燒結金屬濾芯以后，它原有的使用壽命不但有所加強，而且燒結金屬濾芯在進口并經過技術改造后其使用成本也大大降低。但是由于成本壓縮與空間限制等客觀原因，它將原本的24組濾芯改為15組，這大大降低了它的飛灰處理能力。

最后還可能出現高壓反吹氮氣量及壓力嚴重不足的現象。該現象的發生主要是汽化爐中出現較大壓降，它與反吹氮氣形成沖突，氮氣促使系統壓力快速降低。實際上在氣化爐正常使用過程中應該盡量避免用氮沖突，可以考慮錯開反吹閥工作時間，確保濾芯能夠始終反吹氮氣。

四、S1501的故障解決措施

為了解決上述故障現象，需要基于SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器及汽化爐對S1501進行問題修正和設備改造。具體來講以下提出3點故障解決措施。

首先可以考慮適當合理縮短反吹頻率，對S1501的反吹間隔時間進行修改調整。例如可以將原來的15s改為11s，不過不會對反吹時間模式下的壓差時間與區間曲線進行調整，當然還要看實踐狀況來具體分析。當然，如果縮短反吹時間也要充分意識到設備反吹動作頻率必然會加快，這會導致設備使用壽命縮短，因此必須在日常維護過程中加強檢修力度，保證設備始終保持健康狀態，特別是要做到定期更換反吹閥。

其次要做到保證反吹閥氣量與壓力都處于正常狀態。因為S1501在氣化爐反吹過程中會受到氣量影響，所以需要對氣化爐的吹掃程序進行修改，避免出現反吹閥反吹時間重疊。這里可采用30PV0013B線對反吹閥進行控制，而氣化爐部分則由30PV0013A控制，如此改造能夠保證S1501反吹氣效率穩定提升。

第三要適當增加過濾器中的有效過濾面積，過濾面積增加的前提就是確保濾芯強度與長度。如果濾芯長度是1.5m，現要將其改造為2m長度，它的過濾面積就可以增加至少30%以上。這種濾芯有效過濾面積改變能夠直接影響SHELL煤氣化高溫高壓飛灰過濾器設備，解決系統處理負荷能力不足的問題[3]。

結語

除上述三點對策外，還可以為SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器設備體系增設與預除灰設計，保證S1501能夠在低于80%的負荷狀態下運行，避免高負荷波動現象。也就是說要增加氣化爐的配煤灰分含量，保證預除灰設備具有充分余量。本文所探討的SHELL煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器問題與功能優化具有極大的建設性作用，可以提高企業生產效率，值得被廣泛推廣應用。

參考文獻

[1]董亞軍.Shell煤氣化工藝高溫高壓飛灰過濾器S1501分析及解決措施[J].河北化工，2012，35（1）：18-21.

[2]李振.煤氣化工藝研究[J].新技術新工藝，2015（7）：7-9.

[3]唐宏青.Shell煤氣化工藝的評述和改進意見[J].煤化工，2005，33（6）：9-14.