脈沖反吹角閥在E-Gas氣化焦過濾器上的應用

郭宗斌，周建欣，熊 江，王海慶

(中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086)

中海油惠州石化有限公司煤制氫裝置采用E-Gas氣化技術。該技術采用兩段式水煤漿加壓氣化，在流程中設置了合成氣冷卻器和焦過濾器，分別用于回收合成氣顯熱和移除合成氣中的固體顆粒。焦過濾器是合成氣除塵凈化的關鍵設備，由過濾器殼體、濾芯和反吹系統組成。過濾器殼體被位于過濾器中的管板分為上下兩部分，正常運行中，含有固體顆粒的合成氣由過濾器下部進入，經過濾芯過濾后，從過濾器上部排出。來自壓縮機的高壓合成氣從焦過濾器頂部反向吹掃濾芯，將濾芯表面的固體顆粒吹落，恢復濾芯的過濾性能，保障過濾器正常工作。過濾器的流程簡圖見圖1。

圖1 焦過濾器的流程簡圖

1 焦過濾器反吹系統

焦過濾器為2臺并聯運行，每臺焦過濾器有12組脈沖反吹閥。每組脈沖反吹閥對應一簇焦過濾器濾芯，脈沖反吹閥的一次開關時間為0.45 s。2臺焦過濾器的脈沖反吹閥按照順序每隔6 s開關一次。

焦過濾器的反吹系統由高壓合成氣、合成氣加熱器、反吹氣分布器和脈沖反吹閥組成。脈沖反吹閥的開關由控制系統發出指令打開或者關閉。脈沖反吹閥打開時，高壓合成氣快速通過反吹氣分布器，以一定的初速度噴射進入濾芯內部，產生的沖擊波和動能可將濾芯表面的固體顆粒震落；脈沖反吹閥關閉時，氣化爐產生的合成氣則經過濾芯表面過濾后進入濾芯內部，起到正常過濾合成氣的作用。焦過濾器反吹流程見圖2所示。

圖2 焦過濾器反吹流程

2 原脈沖反吹球閥

焦過濾器反吹系統原使用的是脈沖反吹球閥，其規格和材質見表1和表2所示，基本結構見圖3所示。

表1 脈沖反吹球閥規格設計參數

表2 脈沖反吹球閥材質

(a)閥門內部結構圖

3 存在問題及原因分析

氣化裝置開工過程中發現閥門存在嚴重內漏和外漏現象。外漏位置在閥門填料壓蓋處，系統內的合成氣向外界泄漏，有毒氣體積聚；同時發現閥門內漏嚴重，反吹系統正常運行壓力為9.7 MPa，在30 min內壓力降低了4 MPa，使得反吹系統功能喪失。閥門拆檢中發現閥門的閥座、球體、閥蓋、耳軸、填料壓蓋等內件出現嚴重磨損(見圖4和圖5)。

圖4 耳軸磨損嚴重

圖5 主軸、填料壓蓋等部件磨損

根據脈沖反吹球閥拆檢情況推斷出泄漏原因：閥門快速轉動后，球體與閥座密封面磨損、變形嚴重，引起閥門內漏;閥蓋、填料及填料函磨損嚴重導致閥門外漏。在對閥門的磨損部位進行修復后，閥門運行時間只能達到30 d左右，就會引發新的內漏和外漏，說明脈沖反吹球閥的選型和制造加工工藝在適應焦過濾器運行工況方面存在先天不足。

4 脈沖反吹角閥

國內粉煤氣化也采用了干法除塵工藝，流程中使用飛灰過濾器除去合成氣夾帶的固體顆粒，過濾器中使用角閥作為反吹閥(脈沖反吹角閥的結構見圖6)。經過國內近20年經驗積累，脈沖反吹角閥已經能夠滿足粉煤氣化飛灰過濾器長周期運行要求，并且脈沖反吹角閥國產化的經驗相對成熟可靠。國內粉煤氣化裝置中，通過對脈沖反吹角閥的閥芯桿、波紋管材質、閥座的結構進行完善和調整，脈沖反吹球閥的壽命大大提高[1-4]，其壽命為10萬次動作，在飛灰過濾器上可以持續運行280 d[4]。

圖6 脈沖反吹角閥結構圖

粉煤氣化反吹氣的壓力只有8.0 MPa左右，而本裝置中反吹氣的壓力高達9.7 MPa,目前國內還沒有如此高壓下的脈沖反吹角閥運行，因此，結合粉煤氣化脈沖反吹角閥的使用經驗，采用脈沖反吹角閥閥體整體加工制造以提高抗壓強度，既保證了脈沖反吹角閥的性能，又適應了本裝置高壓反吹的需求。

脈沖反吹球閥和脈沖反吹角閥故障時引起泄漏的風險對比分析見表3。

表3 球閥與角閥的泄漏風險對比

由于球閥和角閥的氣體流道不同，通過球閥和角閥的流量特性也不相同，球閥打開和關閉的過程聯成一體，其流量呈現正弦曲線的特點；角閥打開時間較快，打開后需要保持一段時間，然后再關閉，角閥的流量曲線呈現梯形的特點。流量曲線特點決定了同等時間內經過兩種閥門的反吹氣流量是不相同的，但是可以通過調整脈沖反吹角閥的開關時間來調整反吹氣流量，達到滿足過濾器反吹的效果。

5 運行結果

5.1 脈沖反吹球閥運行情況

脈沖反吹球閥的內漏情況無法從表面觀察，只能通過反吹氣流量的增加情況來判斷。使用脈沖反吹球閥情況下，原裝球閥和修復后的球閥運行時氣化爐反吹氣流量變化情況見圖7。

圖7 原裝脈沖反吹球閥和修復脈沖反吹球閥反吹氣流量對比

由圖7可以看出：運行過程中，脈沖反吹球閥磨損加快;運行后期，合成氣反吹量較初期增長了110%以上；修復脈沖反吹球閥運行時間較長，運行后期反吹氣量上漲了60%。修復后脈沖反吹球閥的性能有所改善，但沒有從根本上解決內漏的問題。

脈沖反吹球閥使用期間，外漏情況逐漸增多，外漏球閥數量逐漸增多。原裝脈沖反吹球閥運行末期，24臺脈沖反吹球閥中有22臺外漏，其中嚴重泄漏者達18臺；修復后,運行末期24臺脈沖反吹球閥中有18臺球閥外漏，其中嚴重外漏球閥達14臺。

5.2 脈沖反吹角閥使用效果

更換為脈沖反吹角閥后，共計運行時長近5 000 h，閥門未出現內漏、外漏或故障停運的情況，不僅使用壽命延長，閥門的吹掃效果也有了明顯提高。使用脈沖反吹角閥運行時反吹氣流量變化見圖8。

圖8 脈沖反吹角閥反吹氣流量變化

由圖8可知:使用脈沖反吹角閥替代脈沖反吹球閥后，反吹氣流量穩定，表明沒有發生內漏或者外漏。

6 結語

焦過濾器中脈沖反吹球閥由于自身制造和選材的原因，導致無法滿足反吹系統快速開關的需要，造成脈沖反吹球閥內部磨損加劇，內漏和外漏嚴重，影響裝置生產。脈沖反吹角閥從結構上避免了脈沖反吹球閥存在的不利因素，不但從根本解決脈沖反吹閥故障問題，保證了焦過濾器安全、平穩運行，而且大大降低了維修費用,提高了焦過濾器的整體運行經濟性。