Shell煤氣化飛灰過濾器的運行與維護

(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤氣化是實現(xiàn)煤炭綜合利用和潔凈煤技術的重要技術和主要手段，是發(fā)展現(xiàn)代煤化工、煤制油、燃料煤氣等工業(yè)化生產的龍頭[1]。Shell煤氣化工藝是當今世界上較為先進的第二代煤氣化工藝之一，國內先后有24家單位累計引進32套Shell煤氣化裝置，但在陸續(xù)開車和后期運行中曾暴露出激冷氣管線腐蝕、合成氣冷卻器十字吊架積灰、堵渣[2]、飛灰過濾器濾芯斷裂，以及燒嘴和燒嘴罩損壞等一系列問題。毋庸置疑，飛灰過濾器是煤氣化裝置的關鍵設備，一旦核心元件濾芯發(fā)生斷裂，將導致未經過濾的飛灰進入后續(xù)單元，造成洗滌系統(tǒng)、初步水處理系統(tǒng)結垢堵塞，甚至導致整個煤氣化裝置被迫停車。飛灰過濾器運行維護是殼牌粉煤氣化裝置安穩(wěn)運行的重要前提。

1 HPHT飛灰過濾器

1.1 飛灰過濾過程

煤粉和氧氣在氣化爐中反應，產生的合成氣進入飛灰過濾器進行干法除灰。含灰合成氣從下側進入飛灰過濾器，由上側出口去濕洗單元進一步洗滌降溫；而固態(tài)飛灰被阻擋在濾芯表面，經超高壓氮氣反吹后脫落、沉積在底部的飛灰收集器中，通過飛灰排放罐間歇排放。飛灰過濾器設計24組濾芯(也有廠家采用15組)，每組48根陶瓷濾芯，其上方均有文丘里和反吹管相對應；兩次反吹時間間隔11s，反吹脈沖210ms。飛灰過濾器工作壓力為3.96MPa(g)，工作溫度為340℃，容積為225m3。飛灰過濾器結構見圖1。

圖1 飛灰過濾器結構

1.2 飛灰過濾原理

飛灰過濾過程中，濾芯表面會逐漸形成動態(tài)濾餅層和穩(wěn)態(tài)濾餅層。打開反吹閥的瞬間，2倍于氣化爐壓力的超高壓氮氣進入文丘里管，同時產生脈沖導引氣流吹向濾芯中心空腔。動態(tài)濾餅層脫離濾芯表面，使濾芯通過反吹得以再生，而穩(wěn)態(tài)濾餅層附著在濾芯表面。飛灰過濾原理見圖2。

圖2 飛灰過濾原理

2 濾芯架橋及損壞機理

濾芯上端卡在管板上，下端由格柵支撐，因此兩端剪切應力最小，中間剪切應力最大。當濾芯反吹正常時，飛灰形成的動態(tài)濾餅脫落；在反吹中斷或者反吹不充分時，飛灰就會在濾芯之間積聚并產生“架橋”。飛灰填滿相鄰濾芯間隙的時間稱之為架橋時間，架橋時間由飛灰負荷和濾芯特性決定。濾芯飛灰架橋后，如果再用高流量氣體反吹，就會產生使濾芯彎曲的力，從而引起斷裂。

3 濾芯損壞判斷方法

(1)過濾器前后壓差15PDI0002。15PDI0002用于指示飛灰過濾器進出口壓差，對判斷濾芯是否損壞的作用有限。15PDI0002壓差高低，與灰負荷、反吹氣壓力、濾芯性能等有關。在多次濾芯損壞事故中，壓差指示沒有超過設定高報警值30kPa。而在一次事故中，壓差瞬間超過報警值50kPa，但停工檢查發(fā)現(xiàn)濾芯并未損壞[3]。

(2)過濾器出口固含量15QI0001。飛灰過濾器正常運行時，可以過濾合成氣中帶來的大部分飛灰，合成氣中的固含量<5×10-6。然而，由于所分析介質的特殊性，使得固含量分析儀表15QI0001在實際運行中指示并不是十分準確，有時指示值已經超量程，但實際濾芯并未損壞。因此，固含量15QI0001指示僅供參考。

(3)反吹氣壓降15PI0101。反吹閥開關一次，就有超高壓氮氣通過文丘里管對該組濾芯進行反吹，超高壓氮氣緩沖罐壓力就會有波動。正常反吹閥每動作一次，反吹氣壓降≥0.15MPa(g)。濾芯反吹一般采用時間模式，反吹壓降趨勢呈周期性鋸齒形變化趨勢。反吹氣壓降過小，可能造成反吹不充分；反吹氣壓降過大，可能造成超高壓氮氣過量；反吹氣壓降不變，則說明反吹閥未動作。反吹異常可能造成濾芯損壞。

(4)洗滌系統(tǒng)固含量。一旦濾芯損壞，大量飛灰則會進入合成氣洗滌系統(tǒng)。洗滌塔水樣混濁且固含量高，靜置后取樣瓶底部有大量沉淀物，這是濾芯是否損壞最有效且最直接的判斷方法。濾芯損壞后洗滌塔水樣見圖3。

圖3 洗滌塔水樣

4 原因分析與應對策略

4.1 反吹閥動作異常

(1)原因分析：①反吹閥的布線錯誤或布線毀壞，將導致閥門無法接收到開關命令；②儀表氣污染，導致顆粒進入電磁閥中，影響反吹閥正常動作；③儀表氣中斷或壓力不足，導致反吹閥無驅動力或驅動力不夠；④采用合成氣進行反吹，伴熱保溫不足導致出現(xiàn)冷凝和酸腐蝕，造成反吹閥腐蝕；⑤閥桿損壞或氣缸漏氣，導致氣缸無法帶動閥體動作；⑥反吹閥自身維護不足，或到達使用壽命。

(2)應對策略：①通過反吹氣壓力15PI0101曲線，監(jiān)控反吹閥是否動作及動作快慢；②儀表氣由5.2MPa(g)氮氣經15PV0020A/B減壓至0.8MPa(g)提供，防止固態(tài)顆粒竄入儀表氣系統(tǒng)；③監(jiān)控儀表氣壓力15PI0103曲線，冬季要避免儀表氣水分冷凝、結冰堵塞管線；④若采用合成氣作為反吹氣，必須加強伴熱，避免露點腐蝕和酸腐蝕；⑤預存?zhèn)淦穫浼⒏鶕?jù)供貨要求對閥門定期維護。

4.2 PLC反吹系統(tǒng)問題

(1)原因分析：①PLC故障停運；②PLC程序出錯；③控制器死機；④空氣開關起跳；⑤反吹間隔時間設置太長；⑥反吹氣脈沖設定太短，不能保證需要的反吹清潔；⑦選用了差壓模式。

(2)應對策略：①間隔時間應視灰量和飛灰性質變化及時調整，保證有余量防止“架橋”；②在換新煤或初始開車時，推薦采用保守的間隔時間；③增加反吹頻率會提高清潔頻率、減少濾餅厚度，但會增大反吹氣消耗、縮短反吹閥壽命，反吹時間設置須綜合統(tǒng)籌各種因素考量；④加強現(xiàn)場巡檢和中控監(jiān)控，并編制應急預案，做到及時響應和處理。

4.3 反吹氣壓力過高或過低

(1)原因分析：①30PV0013A閥門故障，造成濾芯反吹氣壓力不足；②飛灰過濾器反吹和氣化爐反吹同時動作，超高壓氮氣消耗量大，造成濾芯反吹氣壓力不足；③反吹氣壓力設置過高或過低。

(2)應對策略：①技改單獨布線，為飛灰過濾器提供超高壓反吹氮氣，新線的壓力調節(jié)由新增30PV0013B閥門控制；②一旦30PV0013B閥門故障，可切旁路閥調節(jié)，或臨時切回30PV0013A反吹舊線；③修改氣化爐反吹順控13KS0004/13KS0005，反吹閥打開前確認另一組順控中反吹閥門關閉回訊，避免激冷口反吹和十字吊架反吹同時動作，拉低超高壓氮氣壓力；④裝置開車投煤燒嘴前反吹氣用舊線，壓力控制器30PIC0013A手動設置為2.0MPa(g)，避免反吹氣壓力過高而損壞濾芯；煤燒嘴投入后以及正常運行期間，反吹氣用新線且壓力控制器30PIC0013B投串級，壓力為氣化爐壓力13PI0068的2倍，管板最高只能承受2.2倍氣化爐壓力。超高壓氮氣反吹系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 氮氣反吹流程

4.4 反吹氣溫度過低

(1)原因分析：①反吹氣溫度低于合成氣露點溫度，造成局部冷凝、濾餅固化；②反吹氣溫度低于NH4Cl露點，造成NH4Cl腐蝕。

(2)應對策略：①技改在靠近超高壓反吹氮氣緩沖罐(V1506)前增加預熱器(E3055)，加熱介質為中壓蒸汽，反吹氣溫度不低于225℃(氯化銨凝華溫度約200℃，反吹閥設計工作溫度不超過250℃)；②加強反吹氣管線伴熱，確保管線溫度滿足工藝要求；③開車前打開反吹氣放空導淋，進行置換升溫。

4.5 過濾負荷大

(1)原因分析：①煤質不穩(wěn)，實際灰分含量超標；②進氣量過高，超過過濾器設計值；③部分煤粉未完全反應，飛灰中攜帶煤粉。

(2)應對策略：①合理配煤，確保煤質穩(wěn)定、灰分達標；②進入飛灰過濾器的總氣量是激冷量13FIC0008與合成氣產量16FI0003之和，根據(jù)經驗，24組濾芯的過濾器最大允許進氣量不超過350 000Nm3/h，生產中須嚴密監(jiān)控上述參數(shù)，避免進氣量過大，損壞濾芯；③爐溫不可控制過低，增加煤量反控制回路，增加煤燒嘴O/C比低低聯(lián)鎖，聯(lián)鎖值設定0.75，延時20s觸發(fā)，避免大量煤粉未反應進入過濾器。

4.6 操作失誤

(1)原因分析：①飛灰收集器料位過高，大飛灰堆積進入濾芯間隙造成“架橋”；②壓差高時打開平衡閥，氣流對濾芯造成沖擊；③飛灰收集器錐部飛灰架橋，“上頂”消橋時濾芯遭受氣流劇烈沖擊。

(2)應對策略：①飛灰收集器在原有料位指示報警15LAL0001和15LQH0002的基礎上，技改增加中間料位指示報警15LAH10102，生產中應避免15LAH0002高料位長時間報警；②技改增加聯(lián)鎖保護，當放料閥15XV0002/0003關閉時，不允許打開均壓閥15XV0008/0009，防止因開閥順序錯誤造成濾芯損壞，③規(guī)范消橋操作，只允許“下拉”消橋，操作壓差約-100kPa，不允許超過安全聯(lián)鎖值-300kPa。

4.7 設備安裝問題

(1)原因分析：①濾芯未垂直安裝，或者濾芯間存在應力；②反吹管安裝傾斜或螺栓脫落、法蘭脫口；③文丘里管安裝傾斜或固定不牢螺栓松動導致傾斜；④密封圈及密封件損壞。

(2)應對策略：①確保濾芯垂直安裝，避免濾芯壓應力過大；②嚴格按照技術手冊要求進行設備安裝，確保反吹管、文丘里管與濾芯的同心度；③反吹管、文丘里管螺栓點焊限位，防止運行中因劇烈振動導致螺栓松動；④停工檢修時仔細檢查密封圈和密封件，一旦損壞，及時更換和維修。

4.8 其他

(1)原因分析：①飛灰過濾器及收集器設備本體伴熱溫度偏低；②反吹氣含油(曾有高達200mg/m3的例子)，造成油堵塞濾芯內部孔隙；③煤燒嘴、燒嘴罩或水冷壁泄漏，大量水蒸氣進入合成氣造成飛灰黏性增大；④陶瓷濾芯強度差，抗波動能力弱；⑤金屬濾芯焊縫斷裂。

(2)應對策略：①采用高壓蒸汽伴熱，確保溫度在225℃以上；②確保空分裝置供氮除灰、除油、干燥徹底，保證氮氣干凈不含雜質；③優(yōu)化操作、加強維護，確保煤燒嘴、燒嘴罩及水冷壁狀況良好；④國產金屬濾芯的三點抗彎強度要遠高于陶瓷濾芯，并表現(xiàn)出良好的韌性、剛度和通透性，采用耐腐蝕、高強度的金屬濾芯代替陶瓷濾芯是切實可行的；⑤金屬濾芯為Fe3Al合金，早期為兩段式，長周期使用后焊縫處變得脆弱。整體成型金屬濾芯壓潰強度大約是兩段式濾芯的2倍，整體成型金屬濾芯及更長的2m金屬濾芯應用前景十分廣闊。使用前后的Fe3Al材質金屬濾芯見圖5。

圖5 Fe3Al金屬濾芯

5 結語

飛灰過濾器是shell煤氣化的關鍵設備，濾芯損壞曾一度成為制約裝置安穩(wěn)運行的“瓶頸”問題。飛灰過濾器濾芯損壞的原因多種多樣，本文提出判斷故障的方法，對各種故障的原因進行了分析，并提出多項行之有效的應對策略。這些改進措施和解決方案，是對殼牌煤氣化裝置運行改進的探索和工程應用的總結，并且得到實踐的檢驗，對其他殼牌煤氣化工藝廠家均具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]唐宏青.現(xiàn)代煤化工新技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2] 宋金榮，李海賓.王軍.Shell粉煤氣化爐堵渣處理與研究[J].化工時刊，2013，27(3)：27-30；

[3] 馮恩剛.高溫高壓過濾器濾芯的斷裂分析[J].內蒙古石油化工，2011(20)：58-60.