高溫高壓飛灰過濾器的設計和制造要點分析

夏文武，張志華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

高溫高壓飛灰過濾器是AP粉煤氣化工藝除灰工序中的關鍵設備，在E-Gas氣化工藝、KBR氣化工藝、U-Gas氣化工藝中亦有類似設備的應用，其作用是除去粗合成氣中的飛灰。一般情況下，過濾后的合成氣中含灰量通常要求小于5mg/m3。過濾后的合成氣被送到文丘里洗滌器和洗滌塔中，進一步去除微量雜質。過濾得到的飛灰經降壓、冷卻、氣提送至飛灰儲罐貯存和外輸。本文將對該類設備的主要設計和制造要點進行總結。

1 高溫高壓飛灰過濾器工作原理

以AP粉煤氣化工藝為例，高溫高壓飛灰過濾器內主要介質走向見圖1。來自氣化爐的粗合成氣從筒體下部管口進入飛灰過濾器，經入口分布器均勻分布后，經上升管上升至主管板底部。然后，粒徑大的飛灰在重力和下行氣流的引導下沉降至罐體下部；粒徑小的飛灰被攔截并聚集在濾芯外表面。通過一段時間的積累，濾芯外表面上的飛灰形成一層濾餅。隨著濾餅不斷變厚，濾芯內外壓差逐漸增大，當達到一定壓力或者超過設定的時間時，由控制系統開啟脈沖反吹閥，高壓反吹氣經反吹管和文丘里進入每簇濾芯內，短暫形成管內壓力高于管外壓力，從而將附著在濾芯的臨時濾餅吹掉，在重力和下行氣流的作用下沉積于罐體下部。所有濾芯簇的反吹清灰是由控制系統控制的，當一組過濾元件進行清灰時，其他濾芯簇正常過濾，這樣可以保證裝置連續運行，實現在線反吹。

圖1 主要介質走向示意

2 高溫高壓飛灰過濾器的結構

高溫高壓飛灰過濾器主要由過濾器(包含殼體、主管板、濾芯簇等)、反吹系統(包含高壓氣體緩沖罐、脈沖閥、反吹管、文丘里等)以及保溫和伴熱系統三部分組成，其主要結構示意見圖2。

圖2 主要結構示意

3 高溫高壓飛灰過濾器的設計

3.1 主要設計參數

高溫高壓飛灰過濾器的主要設計參數見表1。

表1 高溫高壓飛灰過濾器主要設計參數

3.2 材料的選擇

充分考慮設備的操作條件、材料的力學性能、耐腐蝕性能等方面，主要零部件選材見表2。

表2 主要零部件選材

當壓力容器溫度≥204℃，與氫氣相接觸時為氫腐蝕環境，在高溫高壓飛灰過濾器內介質中，氫氣最大體積分數約為18.23%，操作氫分壓可達到0.75MPa(a)。查Nelson曲線可知，與合成氣接觸的容器殼體基材應選抗氫鋼(1.25Cr-0.5Mo及相當材料)。

鐵基合金與硫化物在溫度超過260℃時將會產生硫化反應，且在氫氣環境下將會加速硫化腐蝕。因為合成氣中含硫化氫，且操作溫度220～360℃，所以存在高溫硫化物腐蝕(氫氣環境)的可能性。為緩解高溫氫氣/硫化氫對設備基材的腐蝕損傷，在基材內側復合一層奧氏體不銹鋼。具體來說，容器殼體可復合S30403鋼板，管口和人孔等鍛件堆焊S30403。根據自身結構特點，主管板可采用鍛件兩側堆焊S30403，也可以采用S30403鋼板拼焊而成。

3.3 濾芯的選擇

濾芯是由多孔燒結材料制作，主要有兩大類：陶瓷多孔燒結材料和金屬多孔燒結材料。陶瓷濾芯由粗糙的多孔碳化硅作為支撐體，與以莫來石為主要成分的細過濾膜結合而成。陶瓷濾芯具有良好的耐高溫、耐腐蝕性能，在AP粉煤氣化裝置中大量應用。Fe3Al金屬濾芯由Fe3Al金屬間化合物粉末制成，該種濾芯在KBR和E-Gas煤氣化工藝裝置中Fe3Al金屬濾芯應用較多。目前，在國內多家采用AP氣化工藝技術的企業中，也有采用Fe3Al金屬濾芯部分或整體代替陶瓷濾芯的案例。

文獻[1-3]表明，Fe3Al金屬濾芯和陶瓷濾芯相比較而言，各有優勢，有以下幾方面的表現：① Fe3Al的壓差(壓力降)要明顯低于陶瓷濾芯，表現出較陶瓷濾芯更優的滲透性能；② Fe3Al濾芯抗彎強度明顯高于陶瓷濾芯，相對來說更不易折斷損壞；③ 陶瓷濾芯的抗腐蝕性能優于Fe3Al濾芯。Fe3Al濾芯在實際應用條件下，H2S氣體會與基體發生反應，生成鐵的硫化物，造成腐蝕。當陶瓷濾芯使用后，基體表面沒有發現硫化腐蝕反應痕跡，基體表面干凈；④ 濾芯清洗后，陶瓷濾芯和金屬濾芯過濾效果都明顯變差，壽命不如首次使用。

為了避免濾芯出現故障后，粗合成氣進入主管板上側污染清潔合成氣，安保濾芯由供貨商推薦使用。安保濾芯的安裝示意見圖3。在下部濾芯破裂的情況下，粗合成氣以較高的速度進入安保濾芯，安保濾芯壁膜微孔很快被堵塞，產生有效密封，阻止粗合成氣進入清潔氣體一側，避免造成污染。

圖3 安保濾芯安裝示意

3.4 入口分布器的設計

粗合成氣入口接管設置在濾芯下端和飛灰設計最高積灰面之間，該接管位于外殼的筒體或下部錐段上。入口分布器的典型圖見圖4。進入分布器的粗合成氣被均勻地分布到多個上升管道中，上升管沿設備中心均勻布置，上升管道的頂部出口臨近主管板下表面。在主管板下表面受沖擊，應采取防侵蝕措施。除上升管出口外，入口分布器所有流道終端均采用橢圓封頭封閉，允許固體堆積，從而減輕流動沖擊的侵蝕。在設計上升管的數量和直徑時，在各種操作工況下應保持上升管內粗合成氣流速在4～10m/s。

圖4 入口分布器典型圖

對于入口分布器的固定和支撐，在不干擾濾餅從濾芯掉到罐體下部，并防止飛灰在該加固物上堆積的情況下，允許進行附加加固。

3.5 濾芯簇的布置

濾芯簇的布置原則是所有濾芯簇盡量沿設備中心軸對稱布置。入口分布器的上升管沿設備中心軸對稱布置，每個上升管周圍的濾芯簇盡量對稱布置。上升管和濾芯簇的典型布置見圖5。

圖5 上升管和濾芯簇典型布置

3.6 主管板的設計

主管板的結構有兩種：一種是不銹鋼板材拼焊結構(簡稱為“空心管板”)，另一種是鉻鉬鋼板材或鍛件堆焊不銹鋼結構(簡稱為“實芯管板”)(見圖6)。空心管板與壓力容器殼體的連接方式主要為螺栓鉚接。除了螺栓鉚接方式外，實心管板與壓力容器殼體可直接相焊，其角接接頭為全焊透結構。

圖6 空心管板和實心管板結構

3.7 合成氣進出口接管和法蘭的設計

如圖2所示，N1和N2管口分別是粗合成氣進口和干凈合成氣出口。兩個管口具有3個共同特點：① 管口口徑較大，一般公稱直徑在DN600及以上：② 相同的工作環境，如易爆的合成氣、高溫、較高壓力等；③ 承受較大的接管外載荷；④ 設備位于裝置框架頂部，檢修不方便。一旦設備發生泄漏或者法蘭管道等發生損壞，設備內的可燃物將發生泄漏，會導致火災、爆炸等后果。

N1和N2接管和接管法蘭的設計需要重點考慮如下3個方面：① N1和N2接管開孔采用整體補強形式，補強管與殼體的連結采用全焊透形式；② N1和N2接管法蘭采用長頸對焊法蘭，優先采用無墊片焊接密封；③ N1和N2接管開孔補強、接管法蘭和配對法蘭的設計應考慮管道載荷的影響。

3.8 反吹系統

反吹系統的目的是清除濾芯上的臨時濾餅，保持主管板兩側壓降在一定范圍內。一般反吹氣采用氮氣或者二氧化碳。

3.8.1高壓氣體緩沖罐的設計

高壓氣體緩沖罐是一個大直徑環管，環管上設置反吹氣進口、反吹氣出口、排放口以及溫度和壓力儀表接口。環管內直徑規格一般為DN500或DN600，環形直徑由所需最小反吹氣總容積確定。緩沖罐出口與過濾器上封頭的反吹氣接口一一對應，數量與濾芯簇數量相同，反吹氣接管沿環管周向布置。高壓氣體緩沖罐是通過周向均布的支座支撐在過濾器的封頭上。

3.8.2脈沖反吹閥

脈沖反吹閥的工作模式有兩種：一種是差壓運行模式，另一種是時間運行模式。

差壓運行模式下，正常的壓差值為0～100kPa，報警值是35kPa。在設定的壓差范圍內，脈沖反吹閥吹掃的間隔時間是不同的，反吹吹掃時間是相同的。隨著壓差的增大，反吹間隔時間變小，當壓差超過30kPa時，反吹間隔時間最小，達到15s，反吹頻率增大，直到壓差值變小，達到工藝要求的正常值。之后，反吹頻率減小。

時間運行模式下，脈沖反吹閥的間隔時間為程序設定的固定值，按照次序逐一吹掃，不會因壓差的變化而改變。

脈沖反吹閥是反吹系統的重要部件，若其出現問題，反吹就無法正常進行，濾芯得不到有效清潔，飛灰持續在濾芯外壁上集結，進而導致架橋或濾芯斷裂，最終使工藝系統停車。長期使用后，脈沖反吹閥可能會出現閥瓣松脫、密封件失效、導向套損壞等問題，相關文獻[4,5]針對這些問題進行了分析，并提出了改進措施。

3.8.3文丘里

如圖6所示，高壓反吹氣作為工作流體通過反吹管進入噴嘴，以很高的速度進入文丘里喇叭口，致使喇叭口處產生低壓區，對清潔合成氣產生抽吸作用。反吹氣和合成氣混合后形成一股壓力居中的混合流體，在擴壓室內混合流體動能不斷轉化為壓力能、軸向上壓力慢慢增高，在不消耗機械能的情況下，提高混合氣的反吹壓力。這股反吹氣與過濾氣流方向相反，克服過濾方向上的壓降和濾餅黏合強度，達到去除臨時濾餅的目的。由于反吹氣以活塞流的形式進入濾芯，清潔合成氣不會對濾芯造成熱沖擊，并均勻分布在濾芯橫截面上。因此，整個反吹過濾系統是均衡的。一般反吹氣體操作壓力約為過濾器操作壓力的2倍。

圖6 文丘里

3.9 伴熱和保溫

為防止過濾器工作時反吹氣溫度降到露點溫度以下，造成露點腐蝕，高壓氣體緩沖罐、過濾器和外部反吹氣管線都需要伴熱和保溫，使系統內介質溫度保持在200℃以上。以高壓氣體緩沖罐的伴熱和保溫為例，若反吹氣溫度過低，反吹氣會影響濾芯上濾餅的質量，使濾芯受潮，使濾餅的黏附力增強，增加濾芯間飛灰架橋、濾芯斷裂的風險。因此，反吹氣溫度低于200℃時，不能對濾芯進行反吹。反吹氣的溫度和壓力是通過高壓氣體緩沖罐上的溫度和壓力儀表進行測量。

伴熱方式有蒸汽盤管伴熱和電伴熱兩種，一般工程項目中高溫高壓飛灰過濾器采用蒸汽盤管伴熱。在設計和施工蒸汽盤管系統時要注意3點：① 盤管盡可能全面覆蓋設備殼體、接管及其外部附件，且與其外表面貼合；② 盤管應巧妙地躲避接管、支座、保溫支撐圈等附件；③ 設備殼體需焊后熱處理，熱處理前殼體上所有與殼體相焊的墊板應完成施焊。

3.10 強度計算

3.10.1零部件的強度計算

壓力容器主要受壓元件的設計既可采用規則設計方法，也可采用分析設計方法，采用后者可實現設備輕量化。在充分考慮溫度、壓力等載荷的作用下，主要的機械強度計算包括：筒體、封頭、環管、主管板等主要受壓元件的強度校核、開孔補強校核、接管載荷下管口局部應力分析、支座的強度和穩定性校核，以及內外部構件的設計和校核計算，例如吊耳、支耳等。

3.10.2實心主管板及支撐的有限元分析

根據管板幾何尺寸和支撐特點，采用1/4對稱模型。以某項目工程為例，邊界條件和載荷的考慮如下：① 主管板與支撐臺是螺柱墊片連接，對于主管板為簡支約束，螺柱力應保證由主管板上下的壓差和螺栓預拉伸引起的螺栓力值小于許可的螺栓拉伸力；② 管板上部設計壓力4.4MPa，管板下部設計壓力4.475MPa(即管板上下壓差75 kPa)，設計溫度為380℃；③ 壓差作用范圍包括濾芯對應的面積，由于模型中不包含濾芯，而是把作用在濾芯上的壓力產生的軸向力施加在小管板管孔壁面上；④ 重力作用的考慮。除了主管板自重外，還應考慮文丘里、濾芯組件的重力作用，這些重力載荷均勻分布在小管板安裝孔的周圍區域。

圖7為主管板變形量云圖，可以看出，徑向變形量從主管板中心到周邊是遞增的，且變形量較小(相對軸線變形)；軸向變形量從主管板中心到周邊是遞減的，最大軸向變形量可達6.49mm，主管板上開孔四周變形量不同，靠近主管板中心的開孔四周變形量差最大。

圖7 變形量分布云圖

圖8為主管板應力強度分布云圖，可以看出，主管板上最大應力強度分布在靠中心的開孔孔橋上，這些孔橋的上側應力強度比下側要大；靠主管板中心的開孔四周應力強度分布不均勻度比遠離中心的要大；支撐臺上最大應力強度分布在螺栓孔內側(靠殼體側)。

圖8 應力強度分布云圖

4 制造

在高溫、高壓下，飛灰過濾器的整體制造和檢驗、主管板的制造難點、內件安裝等方面，國內多家單位已經積累了許多寶貴經驗，具體可見參考文獻[6-12]。在這里，筆者總結如下幾個制造難點：① 當直徑大、厚度大的CrMo鋼復合板筒體在制造時，筒節對口錯邊量要求高，不超過2mm；② 大直徑球形封頭須分瓣成型或組對，封頭上開孔較多，且孔間距有嚴格公差要求；開孔外側有與高壓氣體緩沖罐直連的管系，內側有反吹管、法蘭、文丘里和小管板，而且這些部件之間的同心度要求高，不超過2mm；③ 直徑和厚度均較大、曲率小的錐體制作，不等厚錐體的組對；④ 針對尺寸大、結構復雜、制造難度大的空心管板的變形量控制；⑤ 實心管板整體堆焊時，焊接變形的控制、整體水平度的達標和開孔周圍密封面的加工精度；⑥ 內件的現場安裝是一個很重要的環節，它既是對車間制造部件質量的再次檢驗，也是考驗現場安裝人員在內件的驗收、儲運、安裝前的準備工作、安裝驗收等環節的施工水平。

5 結語

在多種粉煤氣化工藝中，高溫、高壓飛灰過濾器及類似設備在結構上雖不盡相同，但其工作原理和設計理念相同。高溫、高壓飛灰過濾器在實際運行中通常出現濾芯斷裂、脈沖反吹閥故障、合成氣泄漏、文丘里傾倒等問題，影響裝置的穩定運行。若要從根本上解決這些問題，必須在設計、制造和安裝、檢驗、操作等各個環節嚴格把控。筆者結合實際工程案例，全面地介紹了高溫高壓飛灰過濾器的工作原理、結構特點、設計參數、材料選擇及濾芯選擇，并對主要零部件的結構設計和機械強度校核、設備的制造和安裝等進行了一一介紹。希望本文為同類產品的設計和制造提供幫助，優化產品結構，提高產品質量。