壳牌粉煤气化工艺采用气体激冷使合成气夹带的煤中矿物质固化,形成飞灰,为了充分进行气灰分离,壳牌粉煤气化装置设置了飞灰脱除单元。高温高压飞灰过滤器是飞灰脱除的核心设备,其是除气化炉之外,在壳牌粉煤气化装置设备投资中所占比例最大的关键工艺设备。壳牌粉煤气化工艺引入国内以后,高温高压飞灰过滤器先后出现诸多问题,制约了装置的长周期稳定运行。笔者拟结合生产实践,就高温高压飞灰过滤器的使用与维护进行如下论述。DYm气化网
1·高温高压飞灰过滤器的结构
在壳牌粉煤气化工艺中,根据各煤气化项目煤灰含量的差异,壳牌粉煤气化各装置的过滤器规格略有不同,但其结构形式基本上是一样的。以河南鹤壁粉煤气化装置飞灰过滤器为例,其主要由承压容器和内件两大部分组成,另外包括反吹气体环形管、阀门、仪表和控制装置。圆柱形的过滤器外壳和锥形的飞灰收集罐共同构成承压容器,总高21.88m,内径为5.7m,设计压力4.4MPa,设计温度380℃,材料为Cr-Mo钢复合304L。过滤器内件包括模块式管板、承压板、文丘里管、气体分布器、陶瓷滤芯等部件。主管板的结构设计为Cr-Mo钢加304L不锈钢复合,焊接在外壳壁上。主管板上有24个圆孔,用于安装模块式管板。1152根滤芯分为24组,每1组有48根滤芯并按三角间距布置安装在模块式管板上,滤芯的安装间距为100mm。滤芯材质为碳化硅多孔支撑骨架复合粘结1层高铝红柱石细过滤膜,滤芯尺寸为Do/Di×L=60/40×1520mm,总过滤表面314.9m2。以管板为界,陶瓷过滤器滤芯垂直悬挂在过滤器管板上,以使原料气侧和上部洁净气体侧相互分开。DYm气化网
2·飞灰过滤器的作用
从合成气中除去飞灰是在飞灰过滤器中完成的。从合成气冷却器出来的富含灰尘的合成气由底部进气管进入过滤器,经气体分布器进入4根上升管分布,含尘气体从滤芯过滤膜的外面向里进入,气体携带的飞灰颗粒被截留在滤芯的过滤膜外,纯净的气体自过滤器经净气管口进入过滤器的顶部。沉积于滤芯外面的灰尘颗粒形成1层飞灰滤饼。反吹气按与主气流相反的方向自里向外脉冲穿过滤芯,滤饼靠重力下落至飞灰收集锥体内。滤芯反吹过程通常是同组滤芯同时完成,每组滤芯都由1个单独的管线自反吹气体缓冲罐(容器顶部环管)引至过滤器里的文丘里喷嘴,各组滤棒依据气流压差,定期按顺序反吹。反吹频率取决于灰尘负荷、流经过滤器的气体流量。文丘里管的工作像泵一样,吸入洁净气体用以清洗滤芯,部分反向喷射动能被转换成压力,在过滤器元件腔体内产生的压力使过滤气流方向逆转,以克服过滤方向的压降并防止灰饼粘结。文丘里喷射器使穿过每组滤芯横切面的气流对称分配,并沿滤芯均匀分布,通过半连续的排放系统将除下的飞灰排出系统。经过飞灰过滤器过滤后的干净合成气的灰尘含量为1~2(最大为20)mg/m3。除灰系统的飞灰最大处理量为3.0kg/s,按设备设计指标,其可接收最差煤种中约40的灰含量。
3·飞灰过滤器的故障及原因
过滤器运行故障的最终结果是滤芯堵塞或折断。已投料运行飞灰过滤器故障通常有以下几种情况。
3.1 文丘里管振动
颇尔(Pall)公司在2007年1月之前设计的反吹管较长,导致反吹管易偏心,反吹气喷射不正,反吹时文丘里管振动过大。这种周期性的振动和温度变化导致固定螺栓疲劳失效,文丘里管倾斜歪倒,因此滤芯得不到有效反吹而损坏折断。改进的设计是通过导向固定装置将反吹管口对正,并使用强度更高的法兰环将文丘里固定在主管板上,由此解决了文丘里管振动的问题。
3.2 反吹阀故障
反吹阀故障的主要原因:①电磁阀接线错误,接线断裂或未接线;②仪表风较脏,颗粒物将电磁阀内部堵塞,反吹阀无法操作;③反吹阀内部受到反吹气(合成气)的腐蚀,缺少保温和电伴热导致凝露和二氧化硫腐蚀;④反吹阀缺少预防性维护。上述反吹阀的故障并非阀门本身的质量问题,更多的则是阀门的操作和维护不当。如果反吹阀出现故障,特别是当其无法开启时,反吹过程无法进行,滤芯则无法清洁。若灰尘持续附着在滤芯上并最终形成滤棒间飞灰搭桥的时间超过1h,滤芯就会因受径向力的挤压而导致滤芯断裂。
3.3 飞灰性质改变
进入过滤器内的飞灰性质时常超出设计范围,尤其是灰尘的性质,如黏性和粒径分布出现偏差。
(1)煤质量超出范围,原料煤偏离设计煤种的要求较多,飞灰组成发生变化。
(2)非正常操作条件或气化炉内部损伤导致异常颗粒进入到过滤器导致滤芯刮伤,如负荷增加过快,激冷不够造成飞渣。
(3)气化炉反应不充分并产生异常灰分,例如残碳。
(4)蒸发的湿气或换热器泄漏,导致蒸汽部分凝结形成更黏的滤饼。
超出使用范围的飞灰导致滤饼无法从滤芯表面清除,将使滤芯表面和滤芯之间形成搭桥,有可能导致滤芯断裂。
3.4 反吹气不合格
大部分壳牌用户使用8.0MPa的氮气/二氧化碳作为反吹气,也有厂家以湿洗塔出口合成气作为反吹气,反吹气不合格有如下情况。
(1)反吹系统的腐蚀。合成气作为反吹气,出现了反吹阀以及部分管线的腐蚀,严重影响正常反吹。
(2)反吹气压力不稳定。气化炉的激冷口吹扫和过热器十字架吹扫与过滤器滤芯反吹共用1个缓冲罐,同时用气时会使反吹气消耗过大,压力降低导致清洁效率低。
(3)反吹气质量超出使用条件。往复压缩机含油的反吹气导致滤芯内部受到油污染,堵塞滤芯的孔道,反吹效率降低,清洁效果下降,滤芯收集到的飞灰无法有效被移除,进而形成搭桥。这种情况下飞灰自身会不断积累,滤饼厚度逐渐增大,最终导致搭桥,搭桥后滤芯断裂的风险非常高。滤芯间搭桥的情况见图2。
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3.5 操作失误
(1)工艺管路泄漏,导致火灾损坏反吹阀,阀门失灵,无反吹而导致搭桥。
(2)飞灰排放压力平衡时压差太大,导致平衡孔附近滤芯损坏。
4 飞灰过滤器滤芯的维护
4.1 正确安装
正确安装滤芯和内件,如小管板,文丘里管和定位板等部件。
(1)按照Pall公司的指导手册进行。
(2)使用Pall公司提供的原厂配件进行滤芯固定,以保证正确的配件能提供工艺需要的性能。
(3)更换滤芯时建议采用Pall公司的指导。滤芯生产厂家颇尔(Pall)公司检测了一些使用过的滤芯样品,预期滤芯在不进行外部清洗的情况下寿命最低可达1.6万h,并可进行2次外部清洗,以延长使用寿命。该预期寿命基于飞灰过滤器所有操作条件在设计工作范围内。当需要更换滤芯时建议用一整套新滤芯代替旧滤芯,旧滤芯清洗后作为备用,用于下一个操作周期。
4.2 正确开停车
正确开车和停车,确保进入过滤器的合成气温度不低于其露点(200℃),飞灰过滤器的正常操作温度。
2015-2018