煤氣化充氣笛管密封失效原因及改進措施

王翠翠，李 剛，董領峰，盛小洋，劉高建

（過濾與分離技術國家地方聯合工程研究中心，西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安 710201）

SHeLL、HT-L等干粉煤氣化工藝過程中均使用粉煤加壓工藝技術，采用粉煤鎖斗系統進行煤粉的輸送。在輸送中，通過煤粉鎖斗系統的進料—加壓—放料—泄壓一進料的往復循環過程，將干粉煤從常壓煤粉倉輸送到高壓給料倉—粉煤給料罐—氣化爐后燃燒。粉煤鎖斗系統通常設有充氣笛管，充氣笛管裝置經常出現密封失效現象，導致罐體無法正常加壓，粉煤隨氣體倒灌進充壓氣體管線，造成輸送系統癱瘓、整體氣化裝置停車。因此，綜合地分析充氣笛管裝置密封失效的原因，并針對性的制定出改進措施，對提高煤氣化工藝中粉煤和灰粉輸送系統的長周期運行具有很大意義。

1 充氣笛管使用工況簡介

充氣笛管安裝在鎖斗設備錐部內壁，根據鎖斗的安裝空間和進氣量的需求通常設置4組或6組，充氣笛管的功能一是要實現對鎖斗的充壓功能，在鎖斗進煤充壓階段，通過分布在笛管上的燒結金屬多孔圓片將氣體管線送來的氣體均勻送入罐內，完成充壓，同時氣體在鎖斗罐內形成煤粉松動，實現載氣對粉料的順利輸送；二是在充壓完成后的壓力調節階段，罐內的含粉氣體通過充氣笛管形成紊流，使罐內持續進入的煤管上的燒結金屬多孔圓片進行過濾，燒結金屬多孔圓片將煤粉攔截，過濾后的干凈氣體進入管道循環。由于充氣笛管的特殊作用，在工作時受到的是高壓到低壓的循環波動載荷，使用工況較為苛刻。

2 密封失效現狀及危害

充氣笛管若出現密封失效現象，管道中的高速氣體在密封失效泄露處會不斷沖刷，導致充氣笛管的總管三通、分管法蘭、連接螺栓等部件都出現不同程度的磨蝕，甚至高速氣流沖刷設備內壁，設備壁厚不斷減薄，給設備帶來安全隱患。出現的密封失效造成充氣笛管部件磨損現象如下圖1所示。

圖1 充氣笛管部件磨蝕圖

充氣笛管的密封失效影響了系統正常運行，高壓氣體集中在密封失效處進入罐內，無法輸送到布氣笛管上使煤粉/灰粉等物料形成流態化，物料出現架橋，而且鎖斗內部煤粉會倒灌進進氣管道，堵塞管道，裝置被迫停產。

3 密封失效原因分析

根據充氣笛管在多個現場密封失效的不同情況，分析密封失效的原因主要有以下幾個方面。

3.1 充氣笛管結構設計不合理原因

充氣笛管的結構設計主要分為三部分：一是氣體總管，其一端設計有兩個法蘭，帶頸對焊法蘭與系統的氣體管線連接，平板法蘭與鎖斗罐體管法蘭連接，另一端設計有三通結構，在兩側開孔處加工出平面，作為與兩路氣體分管連接的密封面,中間放置密封平墊片；二是兩側氣體分管，通過雙頭螺栓連接在氣體總管上，分布安裝在鎖斗設備內壁的上下部位，通過管夾與螺釘固定在錐段內壁；三是均勻分布在氣體分管上的金屬燒結多孔圓片，使氣體均勻通入鎖斗錐段。具體結構和充壓時的氣體流向如圖2所示。

圖2 充氣笛管結構和充壓時的氣體流向圖

（1）充氣笛管與殼體、充氣笛管各部件之間的配合聯接之處較多，相互限制。氣體總管與鎖斗罐錐體的法蘭連接后，通過螺栓將上下兩個氣體分管固定在總管的三通上（圖3），通過放置在總管三通密封面處的平墊片密封，最后用管夾將笛管分管固定在輸送罐錐體部位（圖1）。

圖3 笛管氣體分管與總管安裝圖

（2）連接兩個分管法蘭的螺栓懸空段長L＞200mm，受力力矩大，容易松動脫落。

（3）密封面結構設計為平面密封，對分管和總管安裝后的垂直度要求高，因制造公差累積或安裝原因達不到垂直度要求時，密封沒有辦法調整。同時該結構的密封墊片在安裝過程中沒有限位密封槽很容易滑動。

圖4 管夾固定分管圖

3.2 制造公差原因

充氣笛管的氣體分管與總管的垂直度公差要求≤3mm，而壓力容器設計制造標準中對鎖斗罐（D=2600mm）的進氣接管法蘭與殼體的錐體垂直度允許公差偏大，罐體錐部由于上下段直徑不同，圓度公差也不同。以上兩處公差的制造偏差，在分管安裝后，分管與罐體錐段內壁形成夾角，分管法蘭與總管三通間密封面會出現不同程度的間隙，分管法蘭無法夾緊密封墊片，從而高壓氣體在密封間隙處高速沖刷，最終出現密封失效。

3.3 安裝誤差原因

兩件笛管分管與總管安裝時相互制約影響，需要在用管夾固定好分管后，通過雙頭螺栓連接兩個分管法蘭，安裝時分管與總管間的平墊片可能出現偏移，也可能在安裝過程中破損，導致運行時密封失效。

3.4 運行時脈沖氣體震動的原因，導致密封失效

充氣笛管在運行中壓力在0.2MPag~5.6MPag波動，高壓氣體間歇輸送時會引起笛管分管的脈沖式震動，一方面可能會使連接兩個分管的螺栓產生松動；另一方面固定在罐體錐部的的管夾和螺釘可能會在脈沖氣體震動下，產生松動甚至脫落，隨后分管變形后密封失效（圖5）。

圖5 分管變形圖

4 密封失效改進措施

國內目前已投產的大唐、寶豐等多家大型煤化工技術中，針對密封失效問題，采取了不同措施：安裝后，將分管法蘭與總管三通滿焊，并將螺母與分管法蘭點焊（圖6）；加大螺栓直徑來減小震動；取消分管法蘭，將分管插入總管三通孔后焊接（圖7）等。

圖7 分管插入總管三通直接焊接圖

雖然以上的措施可以有效地改善密封失效問題，但也給分管的更換工作增加了難度。由于分管上焊接的金屬燒結多孔圓片屬于微孔材料，運行中細小粉煤顆粒會進入燒結金屬圓片的微孔，多孔圓片透氣性能會下降，導致物料流態化減弱，同時笛管內外部壓差增高，需要周期更換充氣笛管。在更換備件時都要將焊縫切割后再更換焊接，施工難度大、勞動強度高。

充氣笛管的密封失效問題，殼體和充氣笛管的垂直度公差不匹配是解決該問題的關鍵。西部寶德科技股份有限公司近年來進一步優化改進了充氣笛管的結構，充氣笛管的兩件分管不再相互制約，總管獨立與兩個氣體分管連接，安裝更方便；密封墊片采用金屬墊片、螺栓的受力力矩縮短，都有效避免了布氣笛管因鎖斗罐體制造公差及高壓氣體的脈沖式震動而導致的密封失效，保證了充氣笛管裝置的正常運行。安裝分管后，連接螺栓可以點焊，防止氣體震動時松動。該結構已在投產的多個項目中應用，運行效果良好。

5 結語

充氣笛管是目前干粉煤氣化工藝中粉煤加壓輸送重要的設備，目前國內已開車運行上百條生產線，各現場運行中出現密封失效的現象較多，給設備帶來嚴重的隱患和危害，給企業造成一定的經濟損失。改進后的安全運行經驗，給新生產線的設計提供了優化設計方案，同時在運行的生產線做長周期運行的技術改造時也可借鑒。