壓濾機在五環爐裝置澄清系統中的應用研究

萬國鵬

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱“龍宇煤化工”)二期40萬t/a醋酸項目,采用兩套五環爐裝置提供合成氣。五環爐裝置是以干煤粉進料的氣流床加壓氣化技術,合成氣所攜帶的飛灰量不但較大,而且灰顆粒粒徑較小,因而濕法除灰系統所形成的灰水中灰分含量比較高。由于灰水中所含灰的粒度較細,為了達到較好的絮凝沉降效果,需要在澄清槽處加入適量的絮凝劑,但絮凝劑的加入會造成灰漿的黏性增大,為了更好地分離灰漿,保證澄清系統穩定運行,龍宇煤化工通過對各分離設備進行考察研究后,最終選擇壓濾機作為澄清系統灰漿處理的分離設備。自壓濾機在五環爐澄清系統中應用以來,出現了許多問題,影響了裝置穩定運行。

1 五環爐裝置澄清系統工藝流程

由于五環爐裝置所使用的原料為煤粉(經磨煤機磨制成大部分粒徑≤90μm),在氣化爐內發生部分氧化還原反應,在生成粗合成氣的同時,也產生大量粒徑更細的飛灰,在濕洗系統中對其進行洗滌降溫、除去飛灰,洗滌過的灰水送往閃蒸系統。熔融的液態渣順著氣化爐水冷壁流進渣池,同時伴隨著一部分未反應的煤粉,大顆粒的渣通過渣鎖斗系統排至撈渣機,由撈渣機撈出后通過長皮帶送往渣場。在渣水中,殘余的細渣及未反應的粉煤顆粒懸浮物由細渣漿排出泵送至澄清單元。來自閃蒸系統的灰水和來自除渣系統水力旋流器的渣沫及細渣漿一并進入澄清槽,由于飛灰粒徑較細,不容易在澄清槽中沉降分離,必須加入絮凝劑,加速固體顆粒的聚集和沉降,溢流出的澄清水進入灰水槽。澄清水經高壓灰水泵送往除渣系統,經低壓灰水泵主要送往除渣系統、除氧器及水處理系統等。沉降下來的固含量約為10%的灰漿經澄清槽底流泵輸送到灰漿貯槽,經壓濾泵送到壓濾機,利用壓濾機把灰漿進行固液分離,分離后的濾餅(含水在40%以下)輸送到下方車輛運往界外,液相中固體懸浮物含量小于1%,被收集的濾液進入濾液槽后,經濾液泵輸送至澄清槽處理后回收利用,澄清系統流程見圖1。

圖1 澄清系統注:1—澄清槽;2—灰水槽;3—壓濾機;4—濾液槽;5—灰漿貯槽;6—灰水泵;7—澄清槽底流泵;8——濾液泵;9—壓濾泵;10—濾餅皮帶

2 壓濾機存在的問題及對策

2.1 壓濾機的工作原理

壓濾機是利用濾布兩側壓力差,迫使物料中的絕大部分水分通過濾布流出機體外,而物料被阻隔在濾室內形成濾餅,以達到過濾的目的。在過濾過程中濾布兩側存在著較大的壓力差,提高了過濾速度,同時降低了濾餅的含水率,由于采用了特制的濾布,使得濾液含固量更低,過濾效果比真空過濾機要好得多。

壓濾機即使在處理像飛灰那樣粒度較細、黏性較大、難過濾、難脫離的物料時,依然有良好的過濾效果,且易于作防腐處理。壓濾機結構簡單、操作方便、價格比其他過濾設備低,具有物料適應性好、應用范圍廣等優點,結構示意見圖2。

圖2 壓濾機結構示意注:1—止推板;2—濾板;3—拉板小車;4—橫梁;5—壓緊板;6—連輪;7—油缸;8—液壓站;9—電控箱;10—壓力表

壓濾機工作原理。工作前把濾布按照要求安裝在濾板上,然后啟動壓濾機,驅動壓緊板,將壓緊板緊緊地壓緊濾板。啟動壓濾泵,將物料通過進料口輸入壓濾機,物料通過濾板上的通道進入濾室,在進料泵壓力的作用下,清澈的濾液透過濾布進入濾板上密布的圓點式濾面,再通過濾板上的通道進入出液口,匯集后由出液口流出,而濾餅被截留在濾室中,直至濾餅充滿濾室,然后停止壓濾泵,松開壓緊板,再將濾板一塊一塊地拉往壓緊板方向,卸掉濾室內的濾餅,再重新進入下一個工作循環,操作流程見圖3。

圖3 壓濾機操作流程

2.2 壓濾機選型技術要求

(1)兩套五環爐裝置所用煤質參數:所用原煤灰分Aad(空氣干燥基)為18%～20%;氣化爐所用煤粉煤質要求如下 :煤粉水分含量<2%;煤粉粒徑≥90 μm,≤10%;≥5 μm,≥90%。

(2)目前,龍宇煤化工的兩臺五環爐裝置滿負荷運行,需要處理的兩個系列澄清槽灰漿量共計100 m3/h左右,固含量約10%～16%;根據氣化裝置所使用的煤質情況,考慮到壓濾機長周期運行后滿足設備需要檢修、維護的要求,決定選用兩套500 m2壓濾機確保滿足五環爐裝置生產需要。在人員操作方面,為了減少人員勞動強度,要求通過 PLC 控制實現自動進料、卸料等操作,減少人員手動參與。

(3)壓濾機設備重要設計參數見表1。

表1 壓濾機主要設備參數

2.3 壓濾機在運行中出現的問題及處理措施

自2021年5月壓濾機在五環爐澄清系統中運行以來,整體運行穩定,濾餅含水率在40%以內,周圍環境衛生易于處理,滿足兩套五環爐裝置灰漿處理的需要;濾液含固量較低,回收至澄清槽,對澄清系統處理負荷影響較小。但經過長周期運行后,還是出現了一些問題,影響其穩定運行。

2.3.1壓濾泵內部磨損問題

由于進入壓濾泵的灰漿中含有飛灰顆粒、質地堅硬且濃度較高,為了達到壓濾機較好的過濾效果,使過濾后的濾餅含水率滿足后續使用要求,就需要壓濾泵出口壓力達到0.6MPa以上;特別是在壓濾機進料后期,壓濾泵出口壓力較高,而葉輪在高固含量的灰漿中高速旋轉,進一步加劇了壓濾泵內部的磨損。僅僅運行2個月,壓濾泵就出現噪音、振動明顯增大,壓濾泵U形平衡管和蝸殼經常出現漏點,出口壓力下降,流量無法滿足生產要求。經過拆檢發現,壓濾泵蝸殼、葉輪磨損嚴重,蝸殼由12 mm磨損至不足1 mm,局部已磨透,整個葉輪幾乎完全磨掉。

2.3.2解決措施

為了解決泵磨損問題,保證壓濾泵能夠長周期穩定供料,采取了以下措施。

(1)更換泵材。原壓濾泵材質選擇不對,之前壓濾泵蝸殼為鑄鐵,葉輪為普通碳鋼。從目前運行情況來看,鑄鐵耐磨程度遠遠不能適應此種物料,在很短的時間內,泵內過流部件就出現了磨壞無法運行的情況。為了保證壓濾泵能夠滿足長周期運行,必須對其材質進行升級,把壓濾泵的葉輪和泵殼全部更換為雙相鋼材質,增加其耐磨性,延長泵的運行周期,滿足壓濾機所需要的壓力和流量。

(2)優化工藝操作流程。在濾餅能夠滿足要求的情況下,壓力盡量控制低一些,減少其在高壓下的運行時間。經過長時間操作,摸索出操作經驗,從目前壓濾機運行情況來看,壓濾機進口壓力在0.5 MPa時,所壓出的濾餅水含量基本能夠滿足要求。所以,操作人員根據現場每次卸出的濾餅情況及時調整進料壓力。

(3)在聯鎖設計上進一步做好優化調整。之前壓濾機準備卸料時,打開壓濾泵回流閥,關閉進料閥開始卸料,壓濾泵保持正常運行,這樣就增加了泵運行時間,勢必增加泵的磨損。為了降低泵長時間運行對其帶來的磨損,把壓濾機卸料與壓濾泵啟停進行聯鎖控制,調整為當壓濾機進料閥關閉時,現場壓濾泵停止運行,然后下料順控開始執行泄壓、卸料程序;當壓濾機壓緊、打開進料閥后,程序啟動壓濾泵,壓濾機開始進料工作。

2.4 皮帶漏泥、托輥斷裂的問題

壓濾機置于高度為1 200 mm的輸送皮帶上,卸下來的濾餅通過輸送皮帶轉移至貯存場地,由于皮帶經常出現漏料、皮帶下面支撐托輥斷裂等問題,導致周圍撒落的濾餅較多,若不及時清理,濾餅存積到一定高度或者掉進皮帶非工作面,就會影響皮帶運行,甚至使皮帶負荷過高而停止運轉,造成壓濾機無法正常工作下料,澄清槽灰漿就不能及時正常處理,致使澄清系統灰水水質指標偏高,給裝置生產造成影響。

2.4.1輸送皮帶漏濾餅的問題

原來輸送皮帶設計的長寬為11 035 mm×1 600 mm,皮帶水平置于托輥之上,兩側增加護板,防止卸料時濾餅濺出,由于皮帶護板與皮帶間隙較寬,每次卸料時,大量的濾餅從間隙中沖出來,導致周圍衛生較差,增加清理人員的勞動強度。

2.4.2輸送皮帶托輥斷裂問題

由于壓濾機距離皮帶較遠,為了縮短卸料時間,龍宇煤化工采用每次可拉3塊濾餅的快開式壓濾機,每塊濾餅100 kg左右,相當于每次下料時大約300 kg的重物從1.2 m的空中落下,濾餅砸在皮帶的瞬間,對皮帶沖擊較大,而原皮帶托輥設計較細,長度為1 600 mm,直徑為50 mm,下面皮帶托輥數量也較少,共有10個,導致皮帶支撐力不夠,當整塊濾餅掉落至皮帶上面時,易造成皮帶托輥斷裂,同時周期性的下料對托輥軸承沖擊力也比較大,軸承也經常因此而疲勞損壞;若托輥斷裂后不及時更換,就會導致此處無支撐,皮帶塌陷,進一步增大了皮帶與護板的間隙,使漏泥量進一步增加。

2.4.3解決措施

鑒于壓濾機下料時皮帶漏泥量大,對周圍環境衛生和人員勞動強度的影響,為避免皮帶經常故障給壓濾機運行造成嚴重后果,經過現場觀察、查找原因,決定對現有輸送皮帶進行改造。

(1)原設計輸送皮帶為平面型,當壓濾機下料時,濾餅受到皮帶的反沖力使濾餅由大塊破碎成小塊,并沿皮帶向四周崩出,由于速度較快且皮帶為水平面,就會從護板與皮帶間隙掉落于地面。為了避免皮帶漏泥,現將皮帶兩側增加向外傾斜30°坡度的側托輥,對稱布置,與水平支撐托輥為一組,使皮帶有平面型改為U形,阻擋濾餅向四周擴散(見圖4);并在前端增加膠皮條,縮短皮帶與護板的間隙。改造后皮帶無漏泥現象,改善了周圍衛生,降低了人員清理掉落濾餅的額外工作量。

圖4 皮帶改造前后對比情況

(2)由于原皮帶托輥數量少且直徑較細,當濾餅落下來時抗沖擊能力較弱,易于斷裂;現將皮帶下面增加支撐托輥組的數量,提高皮帶單位長度內支撐點的數量,增強抗沖擊能力;同時將φ50 mm的托輥更換為φ100 mm,增加托輥強度及受力接觸面積,降低托輥單位面積的承載力與斷裂的風險。改造后,托輥很少出現斷裂和軸承損壞的現象,保證了皮帶長周期、穩定運行,再無出現因皮帶無法輸送濾餅而影響壓濾機運行的情況。

2.5 壓濾機PLC卸料程序優化問題

原壓濾機PLC卸料程序為壓濾機泄壓反吹后,執行退回程序時,翻板(主要用于接收正常運行時濾板泄漏的黑水,防止濺落在皮帶及周圍平臺上)直接打開,而此時濾板之間物料通道內還存在大量未過濾的灰漿水,瞬間流到下面運行的皮帶和周圍平臺上,造成濾餅貯存場內積存有大量黑水,使濾餅長時間侵泡在水中又變成了稀泥,增加了濾餅含水率,給濾餅使用單位造成一定的影響;撒在平臺上的灰漿黏性大且濕滑,容易造成工作人員卸料操作時滑倒,特別是冬季,存在較大安全隱患。

為了排除以上不利因素,對其進行的整改措施如下:第一,積極和廠家溝通協調處理存在的問題,廠家安排專人負責修改、優化壓濾機PLC卸料程序,使其更具操作性和實效性;現程序優化為:壓濾機泄壓反吹后,執行退回程序前,增加退回控水時間(時間設定根據現場實際存水量的大小),也就是濾板松開后,翻板繼續保持關閉狀態,收集濾板間物料通道內流下的灰漿和剩余的黑水,防止濺落到皮帶和平臺上;第二,優化工藝操作,增加壓濾機泄壓反吹時間,盡量將管線和進料通道內的存水通過回流管線進入濾液槽,防止濾板打開時濺落在皮帶上,反吹時間根據現場回流管處流水量的大小而定。程序優化完成后,壓濾機退回時皮帶上漏水量較少,避免了貯泥場地內大量的積水,保證了濾餅使用效果。

2.6 濾布影響壓濾機運行的問題

濾布作為壓濾機運行中的核心部件,其使用效果的好壞決定了壓濾機的過濾效率、使用周期和人員勞動強度等。濾布的選擇至關重要,為了達到比較理想的過濾效果和速度,需根據物料的顆粒大小、密度、黏度、化學成分和過濾工藝條件(壓力、溫度)來進行選擇。定期對濾布進行沖洗和周期性更換,來保證壓濾機有較好的過濾效果和正常穩定運行。

壓濾機在運行時經常出現因濾布堵、爛等問題,使壓濾機過濾效率下降,出液口流黑水等影響裝置生產;濾布使用時間短,經常更換濾布也增加了人員的勞動強度和檢修費用,這也是影響壓濾機穩定運行最常見的技術瓶頸。結合現場操作經驗,總結得出濾布對其生產影響的問題及處理措施。

2.6.1濾布堵塞問題

正常情況下,龍宇煤化工2臺壓濾機處理2套五環爐裝置澄清系統大約100 m3/h的灰漿水,隨著運行時間延長,就會出現灰漿貯槽液位逐漸升高,加大壓濾機負荷使其無法降低至正常液位,這就說明壓濾機過濾效率逐漸降低,處理不完2套五環爐裝置所產生的灰漿水。為了保證裝置生產,被迫縮短過濾時間,結果使濾餅含水率增大。

經過研究分析濾餅和物料,發現濾布堵塞主要與所處理的物料有很大關系。具體原因如下:第一,由于運行經驗不足,認為只要進料壓力符合要求壓濾機,就能穩定運行,忽略了灰漿中組分發生變化對壓濾機的影響。當澄清槽水質發生變化,就會在澄清槽添加過量的絮凝劑來保證水質指標正常,絮凝劑隨灰漿進入壓濾機,由于絮凝劑分子量大、黏性較高,通過濾布過濾時,就會滯留在濾布孔隙中,久而久之,濾布出現堵塞;第二,操作人員對澄清槽水質關注度不夠,由于灰水硬度較高,長時間使用也會出現濾布結垢的現象;第三,操作人員執行力不夠,每次壓濾機下料,濾餅出現較稀或者不成形時,也沒有按照要求提高壓力或延長壓濾時間。在長時間不正常操作的運行下,以上原因最終造成濾布堵塞,使壓濾機過濾效果下降。

為了減少濾布堵塞問題,延長壓濾機濾布使用周期,龍宇煤化工主要采取以下措施。

(1)對澄清槽水質加強關注,加大水質分析頻次,根據分析結果及時調整絮凝劑添加量,在保證水質指標的情況下,盡量降低絮凝劑添加量。

(2)要定期清洗、更換濾布,防止過量的絮凝劑黏附在濾布上,垢狀物長期在濾布孔隙中積累,每月利用高壓水槍沖洗濾布一次。

(3)穩定煤種,保證配比質量;確保煤種灰分變化小,加藥穩定,保障壓濾機進料物性波動不大。

(4)加強對壓濾機日常操作和維護保養方面的管理,每次下料保證濾餅含水量和壓濾壓力正常,根據濾餅和壓力情況及時調整下料時間。

2.6.2濾布破裂的問題及措施

壓濾機運行一段時間后,發現濾布破裂的頻次逐漸增加,導致出液口流黑水,使濾液水質變差;頻繁更換增加人員的勞動強度,同時提高了生產成本。經過現場對濾布破裂的部位和形態進行排查,發現以下問題。

(1)濾布本身材質選型問題,由于處理灰漿量較大,為了保證壓濾機處理負荷,選用通透性較好的濾布,而濾布的強度有所降低。

(2)由于來自閃蒸系統的物料水溫較高,特別是五環爐裝置運行到后期,灰水換熱器出現換熱效率下降,灰水水溫最高接近70℃,使濾布耐熱性與物料特性不匹配,降低了濾布的使用壽命。

(3)壓濾泵出口壓力過高,特別是當濾布長時間使用后,出現堵塞現象,高壓差下易造成濾布出現撕爛的現象。

(4)澄清系統的澄清槽來水一部分來自除渣系統,而其渣水中含有呈現玻璃的小顆粒渣,這些小顆粒渣呈玻璃狀,硬度較大且形狀不規則,進入壓濾機后,當卸料時未清理干凈,壓濾機再次壓緊后,擠在壓濾板中間,使濾布損壞。

針對以上問題,為避免濾布頻繁出現撕爛的現象,采取了下列處理措施。

(1)選用過濾效率好、強度高、耐高溫的濾布。

(2)保證灰水溫度控制在正常范圍內,每次檢修都要對灰水換熱器進行檢查、清理,保證換熱效果,降低灰水溫度。

(3)定期沖洗、更換濾布,避免超期使用;在沖洗濾布時應仔細檢查濾布是否有破損,進料孔、出液孔是否堵塞,以免造成壓差高,導致濾布損壞。

(4)壓濾機啟動時,采取低壓啟動,不斷增壓進料,禁止超壓進料。

(5)定期對排渣泵進口過濾器進行檢查,保證濾網正常,防止因濾網損壞,造成渣水泵把小顆粒渣排至澄清槽的預混槽內。

(6)要求每班對預混槽導淋進行排放,排除沉積在預混槽底部大顆粒渣,降低澄清槽內顆粒狀渣的含有量。

3 壓濾機的日常操作和維護保養

為了更好地利用和管理壓濾機,提高濾餅合格率,延長設備使用壽命,日常維護和保養壓濾機是一個必不可少的環節。

(1)經常檢查壓濾機的各連接部件有無松動,并及時緊固調整。

(2)要經常清洗、更換壓濾機的濾布,長時間不用時,應及時清理殘余的灰漿,不能在板框上干結成塊,以防止再次使用時漏料。經常清理水條和排水孔,保持暢通,防止堵塞。

(3)要經常更換壓濾機的機油或液壓油,對于轉動部件要保持良好的潤滑。

(4)做好運行記錄,對設備的運轉狀況及所出現的問題記錄備案,有故障應及時維修,禁止壓濾機在故障狀態下運行。

(5)進料壓力必須控制在額定壓力以下,根據濾餅形態及時調整壓濾時間。

(6)及時清除拉板小車滑道上的堆積物,保持滑道干凈,定期對拉板小車和軌道加潤滑油,保證小車運動靈活。

4 結語

總結壓濾機日常操作經驗,研究壓濾泵的磨損、皮帶運行故障、濾布撕爛等設備常出現的問題,并制定出相應的處理措施,避免再次出現類似的問題,來延長壓濾機的使用周期,確保壓濾機在五環爐澄清系統中運行更加穩定和安全可靠;不僅解決了灰漿在五環爐澄清處理系統中難分離的問題,而且還為2套五環爐裝置長周期、穩定運行奠定了基礎。