某型燃氣輪機發電機組Y型過濾器堵塞研究

摘要：某型燃氣輪機發電機組燃燒焦爐煤氣，煤氣經凈化處理后，機組的Y型過濾器仍3-5天堵塞，嚴重影響運行。通過檢測分析Y型過濾器堵塞物的主要組成為鈣、鎂元素形成的鹽類物質，分析堵塞物的形成原理，在原有凈化工藝基礎上制定了改進工藝。改進后，Y型過濾器的堵塞情況解決了，燃氣輪機發電機組能夠長期運行穩定。

關鍵詞：燃氣輪機發電機組;焦爐煤氣;Y型過濾器;凈化

1. 引言

焦爐煤氣是焦化廠在產出焦炭和焦油產品的同時所得到的可燃氣體， 是伴隨煤炭煉焦過程產生的產品。焦爐煤氣的主要成份為 H2 （ 55% ～ 59%），CH4（ 24% ～ 28%）， CO（ 5% ～ 8%） 以及少量其它成的氣體物質， 其凈比能約為16 700 ～ 18 000 kJ /m3（標準狀況下） ， 是一種很好的氣體燃料。燃氣輪機發電機組能利用煉焦尾氣發電，既可變廢為寶，又節能環保。現大多數焦化廠已建立燃氣輪機發電機組，但因焦爐煤氣成分復雜，雜質成分多，尤其是焦油粉塵含量大，嚴重影響了燃氣輪機發電機組的使用壽命，并增加了燃氣增壓機組的維護。為此，焦爐煤氣在進入燃氣輪機前都需要將焦爐煤氣進行深度凈化。

2. 項目情況介紹

某焦化企業采用某型燃氣輪機發電機組建立自備電廠發電，該燃氣輪機發電機組燃料系統進口處配有一Y型過濾器。該型燃機對于煤氣的主要要求為：1）不含液態水;2）粉塵顆粒≤15μm為100%，≤10μm的顆粒大于99%，且質量含量小于20ppmm;3）焦油含量<2ppmm。另對于煤氣中金屬元素的含量要求也較為苛刻。

為了保證焦爐煤氣能夠滿足該型燃氣輪機發電機組燃用要求，設計了燃料凈化系統。該凈化系統的主要工藝流程是：

一級粗濾，通過一級凈化設備的吸附及過濾，除去煤氣中含有的大部分焦油、粉塵及其它大粒雜質。經煤氣壓縮冷卻后，進一步脫除煤氣中的水分雜質及有機物質;經二級凈化設備深度吸附，進一步脫除煤氣中的焦油、萘、H2S等雜質;三級為燃氣凈化成套裝置具備三重分離效應，即：第一級重力沉降分離（預處理）、第二級內置式EII型高效旋風分離器（預處理20μm）及第三級高效氣體過濾器（精處理5.0μm）。該設備針對含有粉塵及水等雜質的燃氣工藝條件，處理效果較好，過濾效果好，容塵容油量高。最后經加熱器加熱，一般溫升25℃-30℃ 以上確保煤氣中不含液態水，進入燃氣輪機。

該機組按此工藝投入運行后，燃機燃料系統的Y型過濾器經常堵塞，需停機清洗，嚴重影響機組的正常運行，給站廠帶來極大的不便。

3. 現場取樣分析

為了落實堵塞的原因，到現場取下Y型過濾器濾芯觀察其內外部結構及顏色：濾芯為4層濾網及骨架，攔截的顆粒物非常細小，其內表面附著物顏色為棕色，輕輕敲擊無顆粒物散落，用手摸內壁可帶出臟東西，此物質用清水易洗干凈，可以初步判定雜質基本不含油。

用配制的工業強堿溶液清洗濾芯，濾芯表面及內部可見明顯的金屬光澤。對工業強堿清洗溶液（稱為NaOH溶液）和清洗后的廢液（稱為溶液（棕色））分別進行取樣，送檢測機構進行檢測分析。將溶液（棕色）靜置一段時間，用濾膜對溶液進行過濾分離。固體物質進行X射線衍射分析，分離后溶液（棕色）和強堿清洗溶液進行ICP檢測分析。

固體顆粒物經X射線衍射分析主要是碳酸鈣，有少量氫氧化鈣及氫氧化鎂，還有微量二氧化硅。由于分離出來的固體顆粒物量非常少，不能進行粒度分析。

強堿清洗溶液進行ICP檢測分析

表1結果顯示：清洗后廢液和強堿溶液中主要含有Al、Ca、Mg、Si、Sr、Ti、Zn，對比清洗前后溶液可發現廢液中主要增加了Ca、Mg、Sr（鍶）三種金屬元素。尤其是Ca、Mg元素增加較多。因強堿溶液本身主要是氫氧化鈉， Na元素的含量非常高，超出ICP的檢測范圍，因此該報告不說明Na元素是否存在于堵塞物中。

根據上述兩種檢測結果，可以初步判定Y型過濾器堵塞雜質主要為含Ca、Mg元素的固體物質。

從物質的固、液、氣三態分析，Ca、Mg元素在焦爐煤氣中主要以固體粉塵或者液態離子存在（金屬熔融蒸氣的溫度達幾千度）。Ca、Mg以固態粉塵存在通常為碳酸鈣、氫氧化鎂，這些物質顆粒度一般在5～10微米，經過煤氣精過濾器（其過濾精度5μm）能將其充分攔截;Ca、Mg以液態離子形式存在通常溶解在水中，而焦爐煤氣中通常含飽和度非常高的水氣，在增壓、凈化過程中能分離析出部分液態水（即排污液），大部分不會分離，這部分液態物經加熱器加熱后，原來溶解Ca、Mg的水變為氣態進入煤氣，Ca、Mg從液態物變為固態粉塵存在于煤氣中。由于煤氣量較大，加熱器之后只有Y型過濾器沒有其他過濾及攔截設備，所以后析出的Ca、Mg物質未經分離直接進入Y型過濾器，小顆粒的粉塵在此聚集造成Y型過濾器堵塞。

為證明上述觀點，分別對一二三級凈化器的排污液進行了取樣化驗，主要檢測其中Ca、Mg兩種元素，其含量都非常高（結果見表2），驗證主要雜質是存在于水中。

4. 凈化工藝改進

由于該電站位于河南，該地方水里含鈣鎂較高，在加熱提高不飽和度的同時，原溶解于水里的鈣鎂元素均會析出。而在加熱后的管路上只有Y型過濾器，該過濾器沒有容塵量，小顆粒在此集聚極易堵塞。為了將加熱形成的固體顆粒物，分離干凈。在加熱器后，增加一套精密過濾器。煤氣由下端入口流進，經濾芯過濾后從上端出口流出，雜質被攔截在濾芯中，過濾精度為0.3～3微米，壓差達到規定值，壓差變送器報警，可切換直通球閥至另一側過濾器繼續工作，更換成套濾芯后可繼續使用。過濾器初始壓差0.01MPa，失效壓差0.1MPa。該過濾器能有效地將焦爐煤氣中的滴液、塵土、管垢和其它固體雜質濾出，以保護后續設備。過濾材料為進口不銹鋼燒結氈，可多次清洗反復使用。過濾器為304不銹鋼，耐腐蝕、抗沖刷、易于清潔;對3微米上的顆粒過濾效率99%以上;過濾器設計按國家壓力容器GB150規范進行過濾器配有壓差表及排污閥、放空閥。

凈化工藝改進后，原Y型過濾器運行3-5天堵塞的情況解決了，Y型過濾器運行較長時間，均不見堵塞。為近一步落實凈化工藝效果，對于煤氣取樣分析結果如下表3。

根據表3檢測結果可以看出：

1） 從一級凈化器至三級凈化器Ca+ Mg的去除效率為46.4%;

2） 三級凈化器至精過濾器Ca+ Mg的去除效率為71.9%;

3） 從一級凈化器至三級凈化器焦油+粉塵的去除效率為85.9%;

4） 三級凈化器至精過濾器焦油+粉塵的去除效率為67.3%。

數據表明一至三級凈化器能有效的去除煤氣中的焦油、粉塵等粒徑稍微大點的物質，而Ca+Mg等物質存在于液體和細小粉塵中，當氣體加熱后，液體氣化，原來溶解在水里的Ca、Mg物質就會在水從液態變為氣態的過程中從水里析出，以非常細小的固態粉塵存在于煤氣中。而改進工藝新增的精過濾器的精度高達0.3-3微米，因此可以有效的攔截這些細小粉塵，解決Y型過濾器堵塞問題。

5. 結論

1） 經檢測Y型過濾器堵塞物主要是鈣、鎂元素形成的物質。分析產生堵塞物的主要原因是煤氣中存在不飽和水，在加熱氣化過程中，形成了細小的固態粉塵，在Y型過濾器處聚集，造成堵塞。

2） 改進工藝在加熱器后，設置一精密過濾器，攔截因提高不飽和度產生的細小顆粒及粉塵，提高煤氣品質，解決Y型過濾器堵塞問題。

參考文獻

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[2]許世森，李春虎，郜時旺. 煤氣凈化技術[M] 化學工業出版社

[3] 高艦，劉建軍，焦爐煤氣發電技術分析[J]燃料與化工，2009

作者：魏冰霞，女，1984年1月出生，中南大學化學化工學院冶金物理化學性質研究生，株洲航發動科南方燃氣輪機有限公司，郵編412002