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煤气化锁斗高压过滤器滤芯断裂原因及改进措施

                 煤气化锁斗高压过滤器滤芯断裂原因及改进措施
                              佘勃强,吴引江,王翠翠,周济
        ( 西北有色金属研究院西安宝德粉末冶金有限责任公司,陕西西安710016)
    摘要: 为了减少和避免煤气化锁斗高压过滤器滤芯的断裂,降低设备故障率,提高煤气化装置的开车率和保证其长周期稳定运行,研究了多个项目现场中的滤芯断裂状况。结果表明: 滤芯的断裂状况大都相似,断裂部位大都在滤芯根部且往往伴随有滤芯管体的弯曲。综合分析了滤芯断裂的原因,提出了相应的改进措施和注意事项。
    关键词: 煤气化; 锁斗高压过滤器; 滤芯断裂; 改进
    中图分类号: TQ545 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 6772( 2014) 01 - 0063 - 04
    在SHELL,HT - L 等干煤粉气化技术中,对煤粉的输送采用干煤粉加压给料法,即用煤粉锁斗将常压煤粉储仓和高压给料仓连接起来,通过煤粉锁斗的进料—加压—放料—泄压—进料的往复循环过程,将煤粉连续不断地输送到高压给料仓[1 - 6]。锁斗高压过滤器为煤粉锁斗装置中的重要设备,位于煤粉锁斗上部充压及泄放气体管线上,主要作用是过滤泄放气体的煤粉,满足气体排放环保要求和保护下游设备不被磨损。在现有各项目的投产试车和运行过程中,该过滤器的滤芯经常断裂损坏,使泄放气体带灰并污染充压气体管线,导致其他充压设备损坏,造成煤粉输送系统瘫痪,整个煤气化装置停车。因此,分析锁斗高压过滤器滤芯断裂的原因,并制定相应的改进措施,对提高煤气化装置的开车率,保证其长时间运行意义重大。
    1· 过滤器使用工况
    SHELL,HT - L 等干煤粉气化技术中的煤粉给料流程和工艺参数基本类似[2 - 6]。以SHELL 为例,介绍煤粉锁斗及锁斗高压过滤器的工作流程和工况条件。
    图1 为SHELL 煤气化工艺中煤粉锁斗的工艺流程[7 - 11]。
    
    其具体工艺流程如下:
    1) 煤粉靠自身重力由常压煤粉储仓进入煤粉锁斗,达到高料位或充装计时程序结束后,切断进料阀门,将煤粉锁斗与煤粉储仓进行隔离。
    2) 打开12XV - 0125,高压气体通过锁斗高压过滤器对煤粉锁斗进行加压,待达到一定压力后,打开12XV -0128, 12XV - 0130 和12FV - 0102,继续加压,待煤粉锁斗的压力充至高压后,关闭12XV -0125, 12XV -0128, 12FV - 0102, 12XV - 0130,再打开12XV -0124 对锁斗内的高压气体进行部分泄放,通过压力调节阀12PV -0116 将煤粉锁斗的压力调到与高压给料仓相同,然后打开两容器之间的平衡阀12XV -0126 /12XV -0127,准备向高压仓给料。
    3) 当高压给料仓的料位低到需要加入另一批煤粉时,打开煤粉锁斗底部的给料阀门,由锁斗向高压给料仓放料。待煤粉全部进入高压给料仓( 煤粉锁斗为低料位) 后,关闭给料阀门。
    4) 将煤粉锁斗与高压给料仓隔离,打开泄压管线开关阀门,通过泄压管线对煤粉锁斗进行泄压。待煤粉锁斗的压力降为常压后,关闭泄压阀门,打开煤粉储仓下部的进料阀门,进行煤粉锁斗的再一次进料。
    由煤粉锁斗的工艺流程可知,锁斗高压过滤器的功能主要包括两方面: 一是实现锁斗充压; 二是在充压完成后的压力调节阶段对泄放气体进行过滤,防止放空气体中夹带煤粉以保护压力调节阀不被磨损,并使排放气体满足环保要求。
    目前,锁斗高压过滤器均采用烧结金属粉末烛式滤芯,滤芯过滤精度5 μm,滤芯固定方式为管板悬挂式,过滤气体流向为下进上出。
    2 ·滤芯断裂状况
    截止目前,多个干煤粉气化项目现场都出现过锁斗高压过滤器滤芯断裂现象,在对滤芯断裂状况进行分析后发现: 滤芯断裂状况大都相似,断裂部位大都在滤芯根部( 即烧结金属管体与管嘴法兰的连接部位) ,且往往伴随有滤芯管体的弯曲。图2为典型的滤芯断裂状况,图2d) 是锁斗高压过滤器打开后将滤芯取出,大部分滤芯已从根部完全断裂,管嘴法兰已从滤芯上脱落,残余的滤芯管体有一定程度的弯曲。图2c) 是完全断裂滤芯的残余管体部分,断口都在烧结金属管体上,有的断口比较毛糙,断面沿轴向参差不齐,有的断口比较平整,断口附近的管壁有外翻凸起现象。图2b) 是已出现裂纹、部分断裂的滤芯,裂纹出现在滤芯根部,滤芯管体已经弯曲,裂纹都出现在管体弯曲的相反方向。图2a) 是一支没有出现裂纹但已经弯曲的滤芯,滤芯管体已与管嘴法兰呈一定角度,略带S 形弯曲。
    
    3· 滤芯断裂原因
    依据滤芯的断裂部位和断口形貌,按照滤芯在管板悬挂安装的固定方式进行滤芯受力分析,可以判断滤芯是在拉应力或弯曲应力作用下被拉断或折断的。结合过滤器实际工况,分析具体原因如下:
    1) 反吹压差和气流冲击力大。在煤粉锁斗充压时,高压N2逆向通过锁斗高压过滤器,进入锁斗,在充压的同时,还对滤芯进行反吹,将附着在滤芯表面的煤粉吹掉。但是在充压的初始阶段,煤粉锁斗为常压,而充压气源的压力为5. 6 MPa,若此高压气体直接进入锁斗高压过滤器,则滤芯承受的瞬间反吹压差就接近5. 6 MPa。为降低瞬间反吹压差,有的煤气化项目在此设置了限流孔板,对高压气体进行减压,但经孔板减压后的瞬间压差也接近3 MPa。由于滤芯为烛式且在管板上悬挂安装,所以在反吹压差的作用下,滤芯一方面由里向外膨胀,另一方面轴向拔长产生拉伸应力。从滤芯的结构和尺寸出发,进行受力分析可知,滤芯根部区域的应力状态为单一轴向拉伸应力,应力幅值约为反吹压差的5 倍。假定瞬间反吹压差为3 MPa,则滤芯根部的拉伸应力将为15 MPa,而滤芯烧结金属管体以及管体与管嘴法兰连接焊缝区域的拉伸强度极限一般为18 MPa,此时滤芯根部已处于濒临断裂的状态。若瞬间反吹压差为5. 6 MPa,则在滤芯根部的拉伸应力已超过强度极限。另外,反吹压差大也导致通过滤芯的反吹气流过快,不仅将滤芯外表面的灰饼反吹过度,产生二次扬灰,塞实滤芯之间的局部空隙,并且使滤芯产生相互的反吹横向力,此反吹横向力在滤芯根部产生弯曲应力。滤芯在上述弯曲应力和拉伸应力联合作用下很容易在根部断裂。
    2) 调压时气体泄放速度过快、气体夹灰过多。过滤器的设计是根据设备工艺条件给定的一个气体排放流量值来确定过滤器的工艺配置和滤芯结构。但在实际操作中,泄放气体的流速、流量往往与设计值偏差较大,进入过滤器的排放气体的流量大于设计值。大流量导致气体的高流速,高速气流从煤粉锁斗中卷扬起大量煤粉并夹带在泄放气体中,使气体中煤粉含量远超过过滤器的工艺设计值。卷扬起的大量煤粉进入过滤器后被拦截在滤芯表面形成滤饼,此滤饼迅速增厚,在滤芯间产生累积搭桥,然后滤饼搭桥被塞实挤紧,塞实的滤饼搭桥会对滤芯产生横向撑力,滤芯就被撑弯进而从根部断裂[12]。
    3) 煤粉水分大。系统工艺设计上对煤粉水分的控制指标为不大于2%。若磨煤或煤粉输送单元的伴热保温未控制好,就会使煤粉水分增大、湿度变大[13 - 16]。湿度大的煤粉容易黏附在滤芯表面堵塞滤孔,并且产生黏结,形成不易剥离的滤饼,滤饼越积越厚以致在滤芯之间形成架桥,滤芯也可能被撑断或在反吹阶段断裂。
    4) 充压气体带油。系统工艺设计对充压气体的要求是干燥、无油、无尘,但在实际运行中往往无法达到。有的项目采用往复式压缩机,而往复式压缩机需要活塞缸进行油润滑,因此出压缩机的高压气体中带有一些小油滴[7, 11],这些小油滴随充压气体进入锁斗高压过滤器后附着在滤芯上,降低滤芯的透气性能,并使煤粉在滤芯表面黏结,形成不易剥离的滤饼,最终导致滤芯被撑断或折断。
    4 ·改进措施
    1) 在充压反吹管线设置流量调节阀降低反吹压差。在充压时通过调节气体流量,控制充压反吹压差,推荐将此压差控制在1 MPa 以内,可以用DCS根据充压过程中煤粉锁斗与高压气体管网的实时压差来控制调节阀的开度。牛海杰等[7]利用该方法有效防止了过滤器的损坏。具体做法是在充压时将流量调节阀的初始开度设定为10%,然后随着锁斗压力升高,高压氮气管网压差的逐渐减小,不断缓慢增大该阀的开度,当锁斗充压至3 MPa 时,开大流量调节阀的开度,由40%至全开。
    2) 采用加强型烧结金属膜滤芯。加强型金属膜滤芯是西安宝德粉末冶金有限责任公司根据锁斗高压过滤器的实际工况开发的一种烧结金属滤芯。该滤芯的过滤材料采用梯度孔隙结构设计,在大颗粒金属粉末基体管上喷涂纳米级超细颗粒粉末制备微滤膜,在保证过滤精度的同时提高了滤芯的透气性能。同时,通过在滤芯结构上增加根部加强环,增厚滤芯管壁以及在制作过程中采用大颗粒粉末基体管超高温烧结工艺,使滤芯的拉伸强度和抗弯强度提高30%以上。
    图3 和图4 是宝德公司加强型金属膜滤芯的微观结构和外形结构。
    
    3) 降低气体卸放速度。对调压气体排放管线增加节流孔孔板,并对开孔面积进行适当调整,降低气体流速以控制锁斗中的煤粉不被卷扬和夹带,控制进入过滤器的泄放气体流量,保证煤粉含量在过滤器的工艺设计值内。
    4) 严格控制煤粉水分。加强磨煤机操作管理和分析监控,定期检查煤粉输送管线及设备的伴热保温是否良好。
    5) 对充压气体进行过滤净化,保证气体干燥、无油、无尘。在压缩机后的高压气体管线中增设烧结金属精密过滤器,不仅可以滤掉气体中的小油滴,而且可以过滤掉管道中剥落的锈蚀微粒,提高充压反吹气体的品质。若无法增设精密过滤器,则应保证每天将气体缓冲罐打开导淋排油一次,以减少高压气体中的油分[7, 11]。
    5· 结论
    本文提出的过滤器滤芯断裂的改进措施已被部分煤气化项目采用,改进后设备运行良好,有些未出现过滤芯断裂现象,有效减少因设备故障而导致的系统停车,提高煤气化装置的开车率,保证其长周期稳定运行。
    在技术改进时要注意导致滤芯断裂的各个原因彼此交叉相互影响,需要具体分析、综合判断,从工艺、设备、操作等方面共同完善和改进。
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