殼牌煤氣化飛灰過濾器脈沖反吹閥國產優化改造

王道銀

(云南天安化工有限公司, 云南安寧 650309)

2000年前后,為響應國家“煤代氣”戰略,國內多家化工企業相繼從國外引進了多套煤粉加壓氣化(廢鍋流程)技術,生產粗煤氣(主要成分為CO+H2)作為下游合成氨、尿素、磷肥、甲醇等化肥化工產品的原料氣。原料煤和蒸汽、氧氣的混合物在氣化爐內高溫高壓條件下反應生成粗煤氣,經過氣化爐熱能回收利用后,進入飛灰除塵系統,再進入洗滌系統,洗滌合格后粗煤氣進入下游系統[1]。

飛灰過濾器是煤氣化飛灰除塵系統流程中的重要設備,作用是高效分離粗煤氣中的飛灰。飛灰過濾器的主要設備為1個圓筒形壓力容器,內部小管板上安裝有24組金屬陶瓷濾芯,每組陶瓷濾芯有48根,共計1 152根。每組濾芯均作為1個獨立的工作單元,設置1臺快開脈沖反吹角式閥門(簡稱反吹閥),用于濾芯的反吹。

當濾芯外壁的含塵粗煤氣積附了較多的飛灰后,濾芯內外壓差達到了設定值,反吹閥在高壓氮氣的作用下,從濾芯內部向外進行反吹,將濾芯外壁的飛灰吹掉,落入下部的排灰系統外排。反吹閥工作結束后,濾芯恢復正常工作狀態,待下一個周期濾芯壓差達到設定值后,再次進行反吹,如此循環往復工作[1]。

反吹閥的安全可靠運行對于保障飛灰過濾器濾芯和氣化爐的運行極為重要,如果反吹閥失效,濾芯不能及時得到反吹,積聚在濾芯外壁上的飛灰會越積越多,造成濾芯嚴重堵塞直至失效,引起飛灰過濾器壓差迅速上漲,導致濾芯斷裂,濾芯失效,引起裝置全線停車[2]。停車檢修時間長,經濟損失大。

云南天安化工有限公司于2008年引進建成投產1套殼牌煤氣化裝置,自裝置開車以來,飛灰過濾器的反吹閥經常出現內漏、波紋管破裂、閥體振動大、氣缸損壞的問題,嚴重影響裝置的穩定運行。此外,引進裝置中反吹閥為進口部件,整閥及閥門備件均長期依賴進口,不僅供貨時間長,采購困難,而且價格昂貴、維修費高,對裝置的穩定運行、設備維修、備件采購儲備都帶來極大的困難。

為改變上述現狀,云南天安化工有限公司決定對飛灰過濾器反吹閥進行國產化技術改造攻關,使閥門、備件國產化,解決反吹閥內漏、波紋管破裂、閥體振動、氣缸故障等問題,并延長閥門的使用壽命,保障生產裝置的穩定和可靠運行,同時消除對進口設備備件的依賴,把“卡脖子”技術牢牢掌握在自己手中,并降低設備維護費用。

1 反吹閥結構及工作原理

反吹閥屬于角式閥門,正常狀態下閥芯處于關閉狀態,閥門外形見圖1[3]。當濾芯壓差上升,達到設定值時,氣缸啟動,提升閥芯,打開閥門,高壓氮氣(壓力約7.8 MPa)從閥門出口端反向進入進口端,吹入濾芯內部,把濾網外部的飛灰吹除。工作結束后,氣缸關閉,閥芯關閉,閥門恢復正常狀態,直至下一個動作周期,如此往復工作。反吹閥在設備內部的布置見圖2。

圖2 反吹閥在設備內部的布置

反吹閥工作溫度約225 ℃,閥門進口端壓力為3.8 MPa,出口端壓力為7.8 MPa,且處于交替狀態,閥門開關時間間隔為6～12 min(根據壓差上漲情況),每次動作時間約0.2 s,每年工作時間按8 000 h計算,動作次數約4萬余次。閥門工作參數見表1[4]。

表1 閥門工作參數表

從閥門結構和工作原理可知,反吹閥的特點是閥芯設計有波紋管密封,主要用于防止氣體泄漏。快速開啟和關閉閥芯時,閥座既要承受劇烈的沖擊,又要耐受高溫作用,對密封性能要求極高。閥體和閥桿較長,安裝偏差會引起偏心,造成閥芯閥座不對中、波紋管磨損等問題。快開、快關、高壓差、頻繁動作、沖擊作用劇烈是反吹閥的顯著特點。

2 存在的問題

自裝置建成投用以來,反吹閥發生過多次故障,主要包括內漏及密封付損壞、波紋管泄漏、氣缸故障等,嚴重制約著裝置的安全穩定運行。

2.1 內漏及密封付損壞

反吹閥投用以來,密封付發生過多次損壞,引起閥門內漏,閥門動作次數僅為20 000～40 000次,遠達不到設計要求(不低于10萬次),損壞部件以密封墊的損壞(見圖3)占比最多,主要損壞形式以密封面脆性破裂為主。

圖3 密封墊破裂情況

2.2 波紋管損壞

波紋管套在閥桿外面,其作用是密封閥芯開啟時的氣體,防止泄漏。波紋管與閥芯的安裝間隙較小,極易發生閥芯安裝偏心情況,造成波紋管的磨損。波紋管外形見圖4。

圖4 波紋管外形

波紋管被磨穿后,氣體外泄,必須立即進行在線處理或者停車更換,嚴重影響裝置的安全穩定運行。拆檢波紋管進行宏觀檢查,發現波紋管內部有明顯的磨損現象(見圖5)。

圖5 波紋管內壁磨損

2.3 氣缸振動大

反吹閥運行過程中,閥門頂部氣缸運行時振動大,實測最大振幅達15～20 mm,同時伴隨著異響。

此外,閥門及備件均依賴國外進口,24套閥門及備件進口費用約200余萬元,供貨期10個月以上,費用高昂,供貨期長,也給維修和采購帶來很大的困難。

3 主要改造內容

為了實現閥門及備件國產化,保證單個閥門動作次數達到10萬次以上或者連續運行2 a以上,同時降低采購費用,縮短供貨期,對反吹閥進行技術改造。

3.1 內漏及密封付改造

原密封付墊片材料設計為聚苯并咪唑(PBI),該材料是一種特殊的工程塑料,硬度高、耐高溫、難加工,不同的制造商有不同的配方,出廠成品使用性能有較大的差別。

由于密封墊多次出現開裂破損,損壞面呈現脆性斷裂特征,顯示材料脆性高而韌性不足。原設計材料PBI的20 ℃沖擊功要求不低于8 kJ/m2,而制造商提供的材料的20 ℃沖擊功僅為4 kJ/m2,由此判斷制造商使用的PBI質量存在問題,沖擊韌性較差,不能滿足密封墊長期使用要求。因此,要求制造商調整PBI配方,并確保20 ℃沖擊功不低于8 kJ/m2,嚴格執行產品質量驗收要求,于2021年5月全部重新更換新密封墊。直至2023年6月,該密封墊連續使用了2 a,未再出現密封墊破裂情況,較好地解決閥門內漏問題。

3.2 波紋管改造

對波紋管本身質量進行檢查,未發現問題。分析波紋管發生泄漏的原因是其內壁與閥桿產生了局部接觸磨損,閥桿安裝存在偏心的情況。經現場實測,閥桿與壓蓋最大偏心距離為2.5 mm,閥桿與波紋管內壁間隙設計為1.0 mm,偏心距離遠大于間隙要求,閥桿與波紋管內壁產生了接觸磨損,見圖6。

1—閥桿; 2—螺栓; 3—定位環; 4—壓蓋; 5—支撐桿; 6—波紋管。

波紋管的改造內容主要有2個方面：

(1) 加大閥桿與波紋管內壁間隙,由設計的1.0 mm調整為2.5 mm,保證閥桿與波紋管內壁有足夠的間隙,避免接觸。

(2) 在閥桿與壓蓋之間的空隙處設計1個定位環,確保閥桿與波紋管的對中(見圖6)。

新設計的定位環還可以起到一定的防磨作用。在后期檢查中,只要發現定位環發生了偏磨,及時更換定位環就可解決閥桿偏心的問題,只要閥桿不偏心,閥桿不與波紋管內壁接觸,不產生磨損,就可以解決波紋管泄漏問題。

該2項改造于2021年10月完成并投入使用,至今已連續使用1.5 a,未再出現過波紋管泄漏問題。

3.3 氣缸改造

經過現場多方分析,發現氣缸振動大、異常聲響的主要原因是氣缸工作時沖擊力過大,缺少緩沖過程。

經過與國內制造廠多次研究討論,決定在氣缸頂部增加阻尼減振器來解決振動和異響問題,該減振器具有雙向減振功能,結構見圖7。當減振裝置中的活塞向上運動時,上腔形成一個液壓腔室,液壓油在設定調節通道中節流通過,產生液壓阻尼,減緩了氣缸活塞對缸蓋的沖擊,向下運動時的減振原理一致。同時設定向上和向下運動時,產生液壓阻尼在閥門行程的最后3 mm,確保閥門開關速度不受影響,反吹性能得到保證。這種雙向設計減輕了氣缸活塞對缸蓋的沖擊,也減輕了閥芯對閥座的沖擊,既可以延長閥門密封的壽命,又能有效減小因閥門自身沖擊而引起的振動。

圖7 減振器結構

新的減振器已于2021年5月投用,投用后實測閥門的振幅為2～3 mm,異響消失。

4 改造效果

優化改造后的反吹閥陸續于2021年5月—10月全部投入使用,最短也連續運行了1.5 a,反吹閥運行正常,飛灰過濾器運行穩定,保障了煤氣化裝置的穩定和安全運行,帶來了可觀的運行效益和經濟效益。

反吹閥及內件的所有改造均由云南天安化工有限公司與國內相關科研院所共同完成,并由國內相關制造商完成制造,云南天安化工有限公司完成應用,基本擺脫了反吹閥長期依賴國外進口的狀況,內件也全部國產。閥門整體和部件均實現了國產化后,國內閥門及備件的供貨期已縮短至1～3個月,相比進口供貨期縮短了至少0.5 a,采購費用降低約50%,達到了改造的目標。

改造前,反吹閥每年故障10余臺次;改造后,運行近2 a來,沒有再發生閥門內漏、波紋管破裂、氣缸振動大等問題,故障率大幅下降,維修頻率也大幅減少。

優化改造后的反吹閥使用時間接近2 a,動作次數平均已達8萬次,動作次數最多的閥門已達10萬次(達到原設計要求)。目前,反吹閥普遍運行狀態良好,效果非常明顯。

5 結語

通過分析研究飛灰過濾器反吹閥的結構和工作原理,聯合國內技術實力較強的設計院所和制造商對反吹閥進行國產化技術改造合作,解決原反吹閥內漏、密封付損壞、波紋管泄漏、閥門振動大等突出問題,并且在應用中取得了良好的效果,有力護航裝置安全穩定運行。反吹閥及備件的成功國產化,使企業擺脫了對進口產品的依賴,避免了關鍵設備和技術被國外“卡脖子”的情況,且供貨期大幅縮短,費用大幅降低,有力推動了煤化工關鍵設備及備件國產化工作,為企業創造了較好的經濟效益和運行效益。