干煤粉气化干法除灰系统应用优化

干煤粉气化干法除灰系统应用优化

李海宾

大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司 内蒙古 锡林郭勒盟 207300

摘 要：大唐多伦煤化工气化装置是国内首套应用褐煤的粉煤气流床气化，由于褐煤的特性，气化炉设计之初配套增加了旋风分离器。从原始开车以来，高温高压飞灰过滤器（S1501）滤芯与旋分分离器（S1511）的负荷分配及运行可靠性始终影响着装置的运行周期。 S1501滤芯断裂透灰和S1511磨蚀泄漏频发，导致装置频繁停车，既影响装置运行的经济性，又增加了装置运行的安全风险。经过不断的摸索，同时与国内供应商一同开展技术攻关，最终消除了旋风分离器这一隐患点，同时也满足了高灰分原料煤运行时对除灰的能力和精度的要求，改造后的装置满负荷A级连续运行运行周期达到230天以上。除灰单元的成功改造为干煤粉废锅流程气化装置或其它干法除灰的类似工艺装置提供了实践经验。

关键词：干煤粉煤气化；旋风分离器；高温高压过滤器；干法除灰；改造

前言：干煤粉气流床气化技术是当今世界上最洁净利用煤炭资源的先进技术之一，该技术主要分为废锅流程和激冷流程。两种技术对比，废锅流程环保、热效率高，但除灰设备可靠性及稳定性相比于激冷流程较低；激冷流程属于较为传统的工艺技术，相对成熟，设备运行稳定性可靠性高，但能耗较高，废水处理量较大。

大唐多伦煤化工采用粉煤加压高温气化（气流床），六烧嘴进料，液态排渣，废热锅炉流程。生产负荷调整范围宽、碳转化率高、热效率高、有效气（CO+H₂）含量高、烧嘴寿命长、气化炉内无耐火砖和转动部件、单炉生产能力大、环境友好、安全性高、煤种适应性广等特点，国内已经有多个煤化工企业引进该粉煤气化技术用于生产合成氨、甲醇、氢气、煤制油等。在实际生产应用中，该气化炉体现出了众多优点，经过各项目不断的摸索、优化攻关，逐步解决了该技术刚进入国内时存在的“水土不服”的问题，通过设备国产化、原料配比的优化，无论从运行经济性、运行长周期稳定性、以及安全环保方面，对比各种气化技术都体现出了该技术的优越性。

大唐多伦煤化工建有3套粉煤加压高温气化装置，自2010年开车运行至2017年初，单炉最长连续A级运行周期为108天，停车检修频繁，给企业稳定生产带来很大的困扰，其中因除灰单元导致停车影响装置连续运行的原因占比最大。为解决这一问题，对除灰单元进行了相应的改造优化，改造优化后运行效果良好，装置达到了“安稳常满优”的运行状态。

1.干法除灰工艺简介

除灰单元由两个系列串联组成，出气化炉合成气冷却器的粗合成气先经过两台并联的旋风分离器（S1511）把颗粒较大的飞灰经离心作用进行初步分离，设计灰量的53.68%要经过旋分除去，再经过高温高压过滤器（S1501）进一步除去剩余合成气中携带的灰，最终经过过滤后的合成气中灰含量约1-2mg/Nm³送至净化单元。S1511和S1501两个系列过滤下来的飞灰分别落入过滤器底部的收集罐（V1511/V1501），再经过飞灰排放罐（V1512/1502）、飞灰气提冷却罐（V1514/1504）、中间飞灰储罐（V1515/1505）和输灰仓泵（V1518/1508）等逐级减压、气提处理后将灰送往界区外。其中飞灰排放罐（V1512/1502）、飞灰气提冷却罐（V1514/1504）、中间飞灰储罐（V1515/1505）分别配套设有飞灰排放罐过滤器（S1512/S1502）、气提罐过滤器（S1513/S1503）、中间飞灰储罐过滤器（S1514/S1504），防止飞灰进入火炬系统造成堵塞带来安全隐患或排至大气造成环境污染。

2.运行中存在的问题

2.1 S1511除尘效率低、S1501透灰率高

原设计S1511和S1501两套设备的除尘比例为1.16，但在实际运行过程中，S1511除尘效率远低于设计值（见表1），平均分离效率在32%，造成S1501除尘负荷高于设计值，滤芯运行压差大，管板透灰影响下游设备正常运行，同时S1501滤芯使用寿命短，频繁更换。

表1 S1511/S1501实际除尘分离效率统计表

原设计旋分入口合成气流速为23.88m/s，经论证，入口流速过低，不利于气固分离，所以在实际运行中造成旋分分离效率偏低，额外增加了滤芯的负荷，甚至超过滤芯处理能力，导致频繁断裂漏灰。

S1501原设计使用的是直径60mm，长度1500mm的陶瓷滤芯，在实际使用过程中，S1501压差经常在40KPa左右（50KPa跳车），其设计除灰能力为总灰量的46.32%，在实际运行中最高担负了处理量的60%以上，装置运行中透灰频发，造成下游单元工况恶化，装置被迫停车的情况。

图1 S1501滤芯断裂图片 图2 S1501滤芯断裂后管板积灰图片

2.2 S1511筒体磨蚀、法兰泄漏

由于旋分内部合成气的高速流动，带来了管线震动及粗合成气冲刷等问题，S1511筒体内部耐火泥易脱落，导致S1511进出口管线法兰及本体法兰泄漏，设备本体冲刷偏磨磨蚀严重（见图3、图4所示），S1511最长连续使用110天，平均使用周期为70-90天，停车后维修时间长且维修难度大，设备筒体磨蚀减薄后安全性降低。曾出现过法兰或筒体磨穿合成气泄漏的情况，运行过程中有极大的安全风险，严重影响气化炉的长周期连续运行。

图3 S1511内部磨蚀图片 图4 S1511筒体磨穿图片

原旋分入口流速约23.88m/s，在此基础上如果继续提高旋分的分离效率，意味着要继续提高入口流速，通过对入口流通面积进行重新计算，最终将入口流速提至28.77m/s，改造后的分离效率达到了60%左右，但随着分离效率的提升，旋分本体的冲刷更加严重，通过更换不同的耐磨材料及优化内部耐磨材料的固定方式，效果仍不明显，该问题成为气化运行的重大隐患点。

2.3飞灰排放罐过滤器（S1512/S1502）、气提罐过滤器（S1513/S1503）滤芯断裂透灰

由于两系列除灰分配比例没有达到设计值，同时排会周期设置不合理，经常出现S1512/1502、S1513/1503过滤器滤芯断裂透灰事件（见图5、图6所示），导致火炬气带灰，污染堵塞下游公用装置火炬系统分液罐、水封罐，只能通过加大水量置换的方式缓解保证火炬系统运行，增加了废水处理量，也给火炬系统安全运行带来隐患。

图5 S1503滤芯断裂图片 图6 S1503滤芯断裂后管板积灰图片

3.改造优化措施

3.1 S1501改造及优化

关于S1501的优化包括设备硬件改造和运行程序优化两部分。该装置在实际运行中入炉煤粉的灰含量远高于设计数据，导致原1.5m滤芯在运行过程中频繁出现断裂，同时管板透灰现象严重，如对旋分分离器进行跨接改造后，该问题会更加严重。为此，必须提高滤芯的再生效果，增大其过滤面积才能确保设备运行的可靠性。

将直径60mm、长度1500mm的陶瓷滤芯改造为直径60mm、长度2050mm的金属滤芯，滤芯固定拉杆及反吹喷嘴同步配套改造。改造后S1501过滤面积由325m²增加至445 m²，过滤能力明显增加（过滤面积增加36.9%），且金属材质滤芯的韧性、抗弯能力、抗脆性断裂比陶瓷滤芯显著提升，既能满足气化炉的长周期运行要求，又能降低使用成本。

配套硬件的改造，同步对运行程序进行了优化。首先对滤芯收放灰及再生程序进行了优化。将原高温高压飞灰过滤器收放灰循环时间由5小时改为了3小时，增加罐体内部携带飞灰合成气的缓冲空间，降低新鲜合成气在进入罐体后对已沉降飞灰的二次夹带，从而对滤芯产生冲击。其次对滤芯的再生时间进行了调整，原1.5m滤芯在运行过程中投灰严重，被迫将滤芯反吹间隔时间调整到了最短，以确保再生，降低滤芯损坏的几率，但高频率的反吹也导致了反吹气压力的不足，影响滤芯的再生深度。在改为2.0m滤芯后，反吹间隔时间由由原来的9-15s调整为了现在11-22s（通过不同的运行阶段及运行压差调整对应的反吹频率），这样既有利于延长反吹阀的使用寿命，同时也确保了每次的反吹再生效果。

3.2 S1511历次改造优化

S1511先后经历了四次改造。第一次改造是将S1511入口分布器由原91米提升至94.67米，以增加入口直管段长度、平均分配两旋风分离器气量；第二次改造是将S1511破涡器的位置进行调整优化，由初始位置提高约1400mm。前两次改造实施后无效果，S1511除尘效率低和筒体磨蚀的问题均未解决。

第三次改造是重新进行的设计计算，对S1511入口流通面积进行缩小，将入口流速提至28.77m/s；取消原设备的破涡器增加导向锥；增加入口部分的筒体壁厚，厚度原30+4mm增加至76+4mm；改进内部耐磨材料，由原普通的耐磨材料改为RC AA-22S捣打料，耐磨衬里的固定方式改为龟甲网固定；设备管口法兰密封形式由RF密封改为MF榫槽面密封，增强法兰密封可靠性。第三次改造实施后S1511除尘分离效率明显提升，达到了设计要求，但依然存在设备内部偏磨磨蚀等情况，多次导致气化炉停车检修，长周期运行的根本问题没有解决。

鉴于以上三次的改造情况，在保证旋分分离效率的同时，入口气速已经超过了气固旋分分离的临界速度（27m/s），意味着在这样的状态下运行，装置磨蚀泄露的风险完全不可控，改造带来的重大安全隐患是不可接受的。基于此，必须重新评估旋分分离技术在该装置上应用的可行性。通过对2.0m金属烧结滤芯的性能进行评估，结合装置实际运行特点，制定了第四次的改造方案。

本次改造是在S1501扩能（滤芯加长为2050mm）改造的基础上进行的。首先确保S1501在原来的基础上增加了33%的除灰能力，相当于把旋分的负荷全部承接到了滤芯过滤器上。在保障系统整体除灰能力不变的基础上，对旋风分离器S-1511进行跨接。将进出S-1511的合成气管道断开，用跨线管道直接连接。改造后出气化炉合成气冷却器的粗合成气不经过S1511直接进入S1501，灰尘全部由S1501分离，彻底解决了S1511设备本体偏磨磨蚀问题，消除了了S1511设备本体法兰及进出口管线法兰等易泄漏密封点，从根本上解决了S1511运行过程中合成气泄漏带来的安全风险，同时也消除了S1511使用寿命周期对气化炉长运行周期的制约，节省了检修费用， U-1500单元合成气管线震动的安全隐患也随之消除。

表2 改造前后运行数据对比

通过以上数据对比，改造后高温高压飞灰过滤器的处理能力较设计值增加了一倍以上，对比改造前的实际处理能力增加了67%，同时单台气化炉排放水量降低了19.8%。在确保稳定运行的前提下，同时是实现了装置废水减排。

3.3 除灰系统配套改造优化

排灰系统在原有双系列运行模式下改为局部单系列，局部优化为一拖二系列，既保障了低压系统的排灰能力，又可实现低压过滤器故障的在线维修，确保了运行环保的可靠性。

为了更好的利用闲置设备，同时提高除灰单元的运行稳定性，S1511跨接改造时，同步配套做了以下改造：

1. S1512与S1502并联，取消V1512。将V1512至S1512管道断开，V1502至S1512配管连接，并增加阀门、盲板等。改造后V1502的泄压排放气可以同时经过S1512与S1502，增加了缓冲余量，避免了对小滤芯的冲击，降低单台过滤器运行负荷，延长使用寿命；同时又可以单独使用，单独隔离，实现在线检修。

2. S1513与S1503并联，取消V1514。将V1514至S1513管道断开，V1504至S1513配管连接，并增加阀门、盲板等。改造后V1504的气提排放气可以同时经过S1513与S1503，增加了缓冲余量，避免了对小滤芯的冲击，降低单台过滤器运行负荷，延长使用寿命；同时又可以单独使用，单独隔离，实现在线检修。

3. V1515与V1505并联。将V1504至V1515配管连接，并增加阀门、盲板等。改造后V1504气提冷却后的灰尘既可以进入V1505经V1508输送至界区外，也可以进入V1515经V1518输送至界区外。双系列送灰增加了备用保障，在一个系列出现堵塞时，不影响装置的运行负荷，同时也降低了清堵的安全风险。

4.改造优化后的效果

目前大唐大唐多伦煤化工3套干煤粉气化装置除灰单元均已完成上述改造，改造后再未出现过因除灰单元故障导致的装置停车检修，也彻底消除了合成气泄露的隐患。气化炉运行期间除灰单元运行稳定，达到了改造前的预期目标，实现了100%负荷，85%以上褐煤配比，连续运行时间达到了230天以上的突破。

4.1 改造后的优点

1. S1501滤芯的改造使滤芯的韧性增加，降低了滤芯断裂风险，使用寿命延长。

2. S1511的取消，彻底解决了设备偏磨磨蚀问题，节省了检修费用，同时消除了S1511进出口管线及设备本体合成气泄漏带来的安全风险。

3. V1512的取消，节省了一套灰锁斗充压气量，稳定了二氧化碳气管网压力，利于二氧化碳压缩机的运行。

4. S1512/S1502、S1513/S1503的并联改造，能够实现在线隔离检修，避免了滤芯断裂透灰，火炬系统带灰运行的风险。

5. 解决了制约气化炉长周期运行的又一关键因素。

4.2 改造后的缺点

1. S1501滤芯延长使得滤芯下部V1501接灰容积相应缩小，同时取消S1511使得S1501过滤的灰量增加了一倍多，如遇V1501堵灰等异常工况时，故障处理时间大幅缩短，需要制定详细的故障处理方案。

2. S1501单系列处理灰量的增多使得整个系列循环时间缩短，V1502充泄压频次、阀门动作频次增加，对设备及阀门的使用寿命带来考验，需要加大设备、阀门的日常维护检查。

5.结语

干法除灰是干煤粉废锅流程气化装置的重要单元，通过对该单元的改造及实践，解决了本单位气化炉长周期运行的制约因素，从根本上消除了装置运行的重大安全隐患，同时也起到了环保减排的效果。本文中改造内容也为粉煤废锅流程气化装置或其它干法除灰的类似工艺装置提供了工程设计的实践经验。

作者简介：

李海宾（1979-），男，汉，河北省张家口市，中级工程师，副总经理，工程硕士，2005年本科毕业于河北工业大学化工学院化工与工艺专业，2013年工程硕士毕业于中国石油大学（北京）化学工程专业，现从事煤制烯烃生产工作。