劉文海，佘勃強(qiáng)

（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(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，位于飛灰輸送相關(guān)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(huán)保要求。在現(xiàn)有各項(xiàng)目的運(yùn)行過程中，該過濾器有時(shí)出現(xiàn)濾芯斷裂損壞現(xiàn)象，使泄放氣體帶灰，排放不達(dá)標(biāo)，污染大氣環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)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(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)提高煤氣化裝置的開車率和長周期運(yùn)行具有很大意義。

1 過濾器使用工況簡(jiǎn)介

過濾器是SHELL煤氣化裝置飛灰排放1 500單元中的重要設(shè)備，從氣化爐冷卻器出來的粗合成氣，經(jīng)過飛灰過濾器進(jìn)行氣固分離后將過濾下來的飛灰輸送至飛灰排放罐，經(jīng)降壓后再輸送至飛氣提/冷卻罐進(jìn)行氣提降溫，然后再輸送至中間飛灰貯罐進(jìn)行間歇式外排。在這個(gè)過程中的每個(gè)飛灰罐都配有一臺(tái)過濾器用于過濾掉泄放氣體中的飛灰，使排放氣體達(dá)到國家環(huán)保要求。過濾器工作時(shí)還采用高壓氮?dú)鈱?duì)濾芯進(jìn)行反吹再生，以保證過濾器濾芯恢復(fù)過濾效果，滿足過濾器的長周期連續(xù)運(yùn)作要求。目前，過濾器均采用燒結(jié)金屬濾芯，濾芯固定方式為管板懸掛式，過濾氣體流向?yàn)橄逻M(jìn)上出。

2 濾芯斷裂狀況

在多個(gè)SHELL煤氣化項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，尤其是開車初期，都出現(xiàn)過濾器濾芯斷裂現(xiàn)象，在對(duì)濾芯斷裂狀況進(jìn)行總結(jié)歸納后發(fā)現(xiàn)：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(xiàn)象。圖1是的過濾器濾芯斷裂后的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片[1]，這很具有代表性，濾芯斷裂后過濾器設(shè)備內(nèi)部管板上積灰，濾芯間灰餅架橋，并有個(gè)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(xiàn)裂紋但已經(jīng)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(jié)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(xiàn)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(jù)濾芯斷裂時(shí)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(yīng)力或彎曲應(yīng)力作用下被拉斷或折斷的。結(jié)合過濾器的實(shí)際工況，分析導(dǎo)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(duì)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(duì)罐體充壓是同時(shí)進(jìn)行的。高壓充壓氣體逆向通過泄壓過濾器進(jìn)入罐體，在充壓的同時(shí)，還對(duì)濾芯進(jìn)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(jìn)入過濾器，則此時(shí)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(dǎo)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(chǎn)生二次揚(yáng)灰塞實(shí)濾芯之間的局部空隙，并且使濾芯產(chǎn)生相互的反吹橫向力，此反吹橫向力在濾芯根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。濾芯在上述彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力聯(lián)合作用下就很容易在根部斷裂[2]。

2）泄壓排放時(shí)氣體泄放速度過快，氣體夾灰過多。在設(shè)計(jì)過濾器時(shí)是根據(jù)設(shè)備工藝文件給定的一個(gè)氣體排放流量值來確定過濾器的工藝配置和濾芯結(jié)構(gòu)，但是在實(shí)際操作過程中，泄放氣體的流速流量往往與設(shè)計(jì)值偏差甚大，進(jìn)入過濾器的排放氣體的流量大于設(shè)計(jì)值。大流量導(dǎo)致了氣體的高流速，高速氣流從罐體中卷揚(yáng)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(yuǎn)超過了過濾器的工藝設(shè)計(jì)值。卷揚(yáng)起的大量飛灰進(jìn)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(chǎn)生累積搭橋，然后濾餅搭橋被塞實(shí)擠緊，塞實(shí)的濾餅搭橋會(huì)對(duì)濾芯產(chǎn)生橫向撐力，濾芯就被撐彎進(jìn)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(huì)使積灰料位上漲至濾芯底部，甚至掩埋濾芯，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)際運(yùn)行中有時(shí)會(huì)由于氣化燃燒溫度或煤種及配煤的變化導(dǎo)致飛灰特性發(fā)生變化[3-5]，飛灰的粒度、黏度等因素變化也會(huì)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(shí)，灰餅不能順利地剝落，導(dǎo)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(huì)在濾芯表面因氣體冷卻而產(chǎn)生結(jié)露[1]，使飛灰在濾芯上形成非黏附濾餅，后續(xù)濾餅再繼續(xù)受潮，使濾餅的黏附力進(jìn)一步增強(qiáng)，反吹氣無法吹掉濾餅，也就導(dǎo)致了濾芯間飛灰架橋堵塞、濾芯斷裂。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)以上對(duì)濾芯斷裂原因分析，可針對(duì)性地采取如下的改進(jìn)措施：

在充壓反吹管線設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥來降低反吹壓差。在充壓時(shí)通過調(diào)節(jié)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(nèi)，可以用DCS根據(jù)充壓過程中罐體與高壓氣體管網(wǎng)的實(shí)時(shí)壓差來控制調(diào)節(jié)閥的開度。此法可以參照牛海杰等實(shí)施過的粉煤?jiǎn)卧^濾器設(shè)備的充壓改進(jìn)程序[6]，他們的做法是在充壓時(shí)可將此流量調(diào)節(jié)閥的初始開度設(shè)定為10%，然后隨著罐體壓力升高，與高壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓差的逐漸減小，不斷地緩慢增大該閥的開度。

采用加強(qiáng)型金屬膜濾芯。加強(qiáng)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(lǐng)域?qū)Ｗ⒀芯繎?yīng)用多年的基礎(chǔ)上，針對(duì)這種過濾器的實(shí)際工況而開發(fā)的一種燒結(jié)金屬膜濾芯，該濾芯在多個(gè)裝置設(shè)備中應(yīng)用效果良好。該濾芯采用梯度孔隙結(jié)構(gòu)的過濾材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在大顆粒金屬粉末基體管上噴涂納米級(jí)的超細(xì)顆粒粉末制備微濾膜，在保證過濾精度的同時(shí)提高了濾芯的透氣性能。同時(shí)，通過在濾芯結(jié)構(gòu)上增加根部加強(qiáng)環(huán)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?zé)Y(jié)工藝，使濾芯的拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度提高30%以上。圖3是寶德公司加強(qiáng)型金屬膜濾芯的微觀結(jié)構(gòu)。

圖3 濾芯微觀結(jié)構(gòu)

控制氣體泄放速率。對(duì)調(diào)壓氣體排放管線增加節(jié)流孔孔板，并對(duì)開孔面積進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以使得在不同實(shí)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(yáng)和夾帶的罐體中的飛灰。

嚴(yán)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(xué)成本和物理特性在設(shè)計(jì)工況參數(shù)范圍內(nèi)。

保證反吹氣溫度。自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制反吹氣預(yù)熱器出口溫度，增加反吹氣預(yù)熱器和過濾器反吹氣進(jìn)口間連接管道的伴熱保溫，保證進(jìn)入過濾器的反吹氣溫度不低于合成氣的露點(diǎn)溫度。

5 結(jié)論

對(duì)飛灰輸送泄壓過濾器的濾芯斷裂的原因進(jìn)行了分析并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，在生產(chǎn)實(shí)踐中這些措施的運(yùn)用效果良好，有的煤化工項(xiàng)目在改進(jìn)后有效減少和避免了濾芯斷裂現(xiàn)象，減少因設(shè)備故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)停車，提高了煤氣化裝置的開車率和長周期穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。