SHELL煤氣化飛灰輸送過濾器濾芯斷裂原因分析及改進措施

劉文海，佘勃強

（西部寶德科技股份有限公司，陜西西安 710201）

過濾器是SHELL煤氣化裝置中飛灰排放處理系統中的一個重要設備，位于飛灰輸送相關罐體的泄放氣體管線上，主要作用是過濾泄放氣體的煤粉，滿足氣體排放環保要求。在現有各項目的運行過程中，該過濾器有時出現濾芯斷裂損壞現象，使泄放氣體帶灰，排放不達標，污染大氣環境，嚴重時導致整個煤氣化裝置停車。因此，分析泄壓過濾器濾芯斷裂的原因，制定出相應的改進措施，對提高煤氣化裝置的開車率和長周期運行具有很大意義。

1 過濾器使用工況簡介

過濾器是SHELL煤氣化裝置飛灰排放1 500單元中的重要設備，從氣化爐冷卻器出來的粗合成氣，經過飛灰過濾器進行氣固分離后將過濾下來的飛灰輸送至飛灰排放罐，經降壓后再輸送至飛氣提/冷卻罐進行氣提降溫，然后再輸送至中間飛灰貯罐進行間歇式外排。在這個過程中的每個飛灰罐都配有一臺過濾器用于過濾掉泄放氣體中的飛灰，使排放氣體達到國家環保要求。過濾器工作時還采用高壓氮氣對濾芯進行反吹再生，以保證過濾器濾芯恢復過濾效果，滿足過濾器的長周期連續運作要求。目前，過濾器均采用燒結金屬濾芯，濾芯固定方式為管板懸掛式，過濾氣體流向為下進上出。

2 濾芯斷裂狀況

在多個SHELL煤氣化項目現場，尤其是開車初期，都出現過濾器濾芯斷裂現象，在對濾芯斷裂狀況進行總結歸納后發現：濾芯的斷裂狀況大都相似，斷裂部位大都在濾芯的根部、并且往往伴隨有濾芯管體的彎曲現象。圖1是的過濾器濾芯斷裂后的設備現場照片[1]，這很具有代表性，濾芯斷裂后過濾器設備內部管板上積灰，濾芯間灰餅架橋，并有個別濾芯斷裂脫落。圖2是典型的濾芯斷裂照片，（a）是一支沒有出現裂紋但已經彎曲的濾芯，濾芯管體已彎曲得與管嘴法蘭成一定角度，并且濾芯管體的彎曲不是直線彎曲，而是略帶S形彎曲，（b）是完全斷裂濾芯的殘余管體部分，斷口都在燒結金屬管體上，有的斷口比較毛糙、斷面沿軸向參差不齊，有的斷口比較平整，斷口附近的管壁有外翻凸起現象。

圖1 過濾器的狀況

圖2 濾芯斷裂狀況

3 濾芯斷裂原因分析

依據濾芯斷裂時的過濾器整體情況和濾芯斷裂狀況，可以判斷出濾芯是在拉應力或彎曲應力作用下被拉斷或折斷的。結合過濾器的實際工況，分析導致濾芯斷裂的主要原因如下：

1）反吹壓差大、氣流沖擊力大。對于飛灰排放罐泄壓過濾器和氣提冷卻罐泄壓過濾器而言，濾芯反吹與對罐體充壓是同時進行的。高壓充壓氣體逆向通過泄壓過濾器進入罐體，在充壓的同時，還對濾芯進行反吹，將附著在濾芯表面的灰餅吹掉。但是在充壓的初始階段，罐體為低壓接近常壓，而充壓氣源的壓力往往比較高，若此高壓氣體直接進入過濾器，則此時濾芯承受的瞬間反吹壓差就近乎充壓氣源的壓力。反吹壓差大也導致通過濾芯的反吹氣流過快，不僅將濾芯外表面的灰餅反吹過度、產生二次揚灰塞實濾芯之間的局部空隙，并且使濾芯產生相互的反吹橫向力，此反吹橫向力在濾芯根部產生彎曲應力。濾芯在上述彎曲應力和拉伸應力聯合作用下就很容易在根部斷裂[2]。

2）泄壓排放時氣體泄放速度過快，氣體夾灰過多。在設計過濾器時是根據設備工藝文件給定的一個氣體排放流量值來確定過濾器的工藝配置和濾芯結構，但是在實際操作過程中，泄放氣體的流速流量往往與設計值偏差甚大，進入過濾器的排放氣體的流量大于設計值。大流量導致了氣體的高流速，高速氣流從罐體中卷揚起大量的飛灰并夾帶在泄放氣體中，使得氣體中的灰塵含量遠超過了過濾器的工藝設計值。卷揚起的大量飛灰進入過濾器后被攔截在濾芯表面形成濾餅，此濾餅迅速增厚，在濾芯間產生累積搭橋，然后濾餅搭橋被塞實擠緊，塞實的濾餅搭橋會對濾芯產生橫向撐力，濾芯就被撐彎進而從根部被撐斷。

3）過濾器排灰不暢、積灰過多。濾芯反吹下來的灰餅和積灰從過濾器下部排出，若排灰不暢就會使積灰料位上漲至濾芯底部，甚至掩埋濾芯，就會導致嚴重的濾芯間架橋堵塞，使濾芯斷裂。

4）飛灰特性變化。在裝置實際運行中有時會由于氣化燃燒溫度或煤種及配煤的變化導致飛灰特性發生變化[3-5]，飛灰的粒度、黏度等因素變化也會使灰餅的特性變化，飛灰黏性變大，使灰餅在濾芯上的附著力增大，形成不易反吹的濾餅，在反吹濾芯時，灰餅不能順利地剝落，導致濾芯間架橋堵塞，從而將濾芯撐斷。

5）反吹氣溫度過低。若反吹氣的溫度過低，就會在濾芯表面因氣體冷卻而產生結露[1]，使飛灰在濾芯上形成非黏附濾餅，后續濾餅再繼續受潮，使濾餅的黏附力進一步增強，反吹氣無法吹掉濾餅，也就導致了濾芯間飛灰架橋堵塞、濾芯斷裂。

4 改進措施

根據以上對濾芯斷裂原因分析，可針對性地采取如下的改進措施：

在充壓反吹管線設置流量調節閥來降低反吹壓差。在充壓時通過調節氣體的流量來控制充壓反吹壓差，推薦將此壓差控制在1MPa以內，可以用DCS根據充壓過程中罐體與高壓氣體管網的實時壓差來控制調節閥的開度。此法可以參照牛海杰等實施過的粉煤單元過濾器設備的充壓改進程序[6]，他們的做法是在充壓時可將此流量調節閥的初始開度設定為10%，然后隨著罐體壓力升高，與高壓氮氣管網壓差的逐漸減小，不斷地緩慢增大該閥的開度。

采用加強型金屬膜濾芯。加強型金屬膜濾芯是西部寶德科技股份有限公司在煤氣化過濾分離領域專注研究應用多年的基礎上，針對這種過濾器的實際工況而開發的一種燒結金屬膜濾芯，該濾芯在多個裝置設備中應用效果良好。該濾芯采用梯度孔隙結構的過濾材料結構設計，在大顆粒金屬粉末基體管上噴涂納米級的超細顆粒粉末制備微濾膜，在保證過濾精度的同時提高了濾芯的透氣性能。同時，通過在濾芯結構上增加根部加強環和增厚濾芯管壁，以及在制作過程中采用大顆粒粉末基體管超高溫燒結工藝，使濾芯的拉伸強度和抗彎強度提高30%以上。圖3是寶德公司加強型金屬膜濾芯的微觀結構。

圖3 濾芯微觀結構

控制氣體泄放速率。對調壓氣體排放管線增加節流孔孔板，并對開孔面積進行適當調整，以使得在不同實際罐體壓力下的氣體泄放速率基本相同，避免高壓下的高速泄放氣流，降低氣體流速以避免卷揚和夾帶的罐體中的飛灰。

嚴格控制飛灰的成分特性。通過控制配煤和氣化燃燒溫度，控制飛灰的化學成本和物理特性在設計工況參數范圍內。

保證反吹氣溫度。自動監測和實時控制反吹氣預熱器出口溫度，增加反吹氣預熱器和過濾器反吹氣進口間連接管道的伴熱保溫，保證進入過濾器的反吹氣溫度不低于合成氣的露點溫度。

5 結論

對飛灰輸送泄壓過濾器的濾芯斷裂的原因進行了分析并給出了相應的改進措施，在生產實踐中這些措施的運用效果良好，有的煤化工項目在改進后有效減少和避免了濾芯斷裂現象，減少因設備故障而導致的系統停車，提高了煤氣化裝置的開車率和長周期穩定運行時間。