内置预分离复合式飞灰过滤器的开发与应用.pdf

烟 气 污 染 治 理 内置预分离复合式飞灰过滤器的开发与应用 * 陶继业 1 夏军仓 1 任永强 1 盛新 2 韩启元 2 1. 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司， 西安710032; 2. 中石化股份有限公司安庆分公司， 安徽 安庆200661 摘要 针对飞灰过滤器除尘压降高、 反吹清灰频繁、 过滤元件破损、 使用寿命短和大型化受到限制等问题， 开发了内置 旋风预分离复合式飞灰过滤器， 并在工业装置上进行了应用， 应用结果表明 过滤器压降明显降低、 旋风分离器压降满 足系统要求、 延长了陶瓷滤芯的使用寿命、 减少了因飞灰过滤器故障造成整个装置停车， 同时， 可带来直接经济效益约 1 709 万元 /a、 间接经济效益超过 5 000 万元。 关键词 煤气化; 预分离; 旋风分离器; 飞灰过滤器 DEVELOPMENT AND APPLICATION OF COMBINED FLY ASH FILTER WITH AN INNER PRE- SEPARATOR Tao Jiye1Xia Juncang1Ren Yongqiang1Sheng Xin2Han Qiyuan2 1. Huaneng Clean Energy Research Institute，Xi’ an，710032 China; 2. Anqing Branch，China Petroleum and Chemical Corporation;Anqing 200661， China AbstractAccording to the existing problems of fly ash filter for dry ash removing，a filter with inner cyclone is developed and applied successfully. The results show that the pressure drop of the filter reduces remarkably，the pressure drop of the cyclone can meet the requirements of the system，the life of the ceramic candles can be lengthened，and the scheme can reduce the plant shutdown because of the filter fault. Also，it bring direct economic benefit about 17. 09 million CNY per year and the total indirect economic benefit over 50 million CNY. Keywordscoal gasification;pre-separator;cyclone;fly ash filter * 中石化科研项目 408026 。 1问题的提出 干煤粉加压气化是目前第二代煤气化技术发展 的主流方向， 其工艺流程为“煤粉制备干粉进料 纯氧气化、 液态排渣废热回收 SGC 干法除灰 煤气洗涤” 。飞灰干法脱除是干煤粉加压气化工艺 的一个重要环节。飞灰过滤器的运行是否正常， 直接 影响整个装置是否能实现长周期稳定运行。飞灰过 滤器也成为仅次于气化炉的核心设备。 目前， 世界上运行的大部分干煤粉加压气化装置干 法除灰工序的过滤元件采用了高温烧结陶瓷滤芯， 它具 有耐高温、 耐腐蚀的特点， 过滤效率高， 可将出口粉尘浓 度控 制 在1 ～2 mg/m3， 过 滤 压 降 适 中， 一 般 为 10 ～ 20 kPa。但是， 在一些装置中， 由于采用高灰分原煤， 致 使粗合成气粉尘浓度高， 造成除尘压降高、 反吹清灰频 繁、 过滤元件输、 安装和设备成本都受到了限制。以投 煤量为2 000 t/d级的气化炉装置为例， 飞灰过滤器壳体 材料 采 用 SA387 Gr11. Cl2 304L， 筒体直径达到 了 6 500 mm， 总高度约20 500 mm， 设备净重约 300 t。 解决上述问题的思路之一是在飞灰过滤器前设 置旋风分离器， 对粗合成气进行预除尘， 降低过滤元 件表面滤饼增长速度， 从而减小除尘阻力， 延缓反吹 清灰时间， 达到延长过滤元件寿命的目的; 通过前置 预除尘降低粗煤气含尘浓度， 也可以选择更高的过滤 风速， 从而减小飞灰过滤器的尺寸。但是前置旋风分 离器需要配置一套飞灰锁斗系统、 气提 /冷却系统和 飞灰输送系统， 延长了工艺环节， 不仅增加了相应的 框架、 设备、 仪表、 阀门费用和运行不稳定因素， 同时， 56 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 由于旋风分离器分离了相对较大的颗粒， 使飞灰过滤 器对应的飞灰处置系统容易堵塞。 笔者以中石化安庆分公司 Shell 煤气化装置中的 飞灰过滤器为基础， 开发了一种内置旋风预分离复合 式飞灰过滤器， 并成功地进行了应用。 2复合式飞灰过滤器的开发 2. 1飞灰过滤器介绍 飞灰过滤器主要由外壳、 主管板、 定型管板、 陶瓷 过滤管、 文丘里管和反吹管等组成。主管板将过滤器 容器分成上部清洁气体区域和下部携尘气体区域， 外 壳底部 锥 体部 分用 于 锁 斗 系 统 运 行 时 暂 时 贮 灰。 1 152根过滤元件分成 24 组， 由定型管板组装成元件 组后， 对称悬吊在主管板上。文丘里管倒扣在管板 上， 引导反吹气流进行反吹清灰。如图 1 所示。 图 1飞灰过滤器结构 其工艺过程为 从合成气冷却器来的含尘合成气 从飞灰过滤器下部的合成气入口进入， 经气体分布器 后通过上升管送到过滤器大管板的下侧， 以保证合成 气与飞灰在过滤面上分布尽可能均匀， 同时， 气流与 飞灰的流向都向下， 避免了引起二次扬尘， 合成气通 过过滤元件后得到净化， 飞灰留在过滤元件表面形成 滤饼层， 随着过滤的进行， 滤饼层增厚， 过滤压降升 高， 需要对过滤元件进行定时反吹清灰。 2. 2内置旋风预分离器的设计 2. 2. 1设计参数 操作温度 340 ℃ ; 设计温度 380 ℃ ; 操作压力 3. 96 MPa; 设计压力 4. 4 MPa; 合成气流量 正常 /最大 88. 95 /93. 23 kg/s 飞灰流量 正常 /最大 1. 53 /3. 0 kg/s 合成气气相密度 17. 1 kg/m3; 飞灰密度 2 200 kg/m3; 粗合成气黏度 2. 98 10 － 5Pas。 飞灰粒度分布见表 1。 表 1飞灰粒度分布 粒度 /μm 质量分数 / 2075 ～ 95 1060 ～ 90 545 ～ 80 225 ～ 40 110 ～ 20 2. 2. 2设计要求 1 满足现有空间条件下的布置和支撑。 2 综合考虑旋风分离器的磨损、 压降等因素， 预 分离效率约为 50 。 3 为保证激冷气循环压缩机的出力， 旋风分离 器运行压降约为30 kPa， 最大压降不超过60 kPa。 4 设备应避免运行时内置旋风与分离器组件发 生喘振。 2. 2. 3技术方案 在飞灰过滤器内部布置旋风预分离器的可利用 空间为滤芯下端面以下至飞灰收集罐高料位之间的 空间， 在此空间中， 已经布置了飞灰过滤器的气体分 布器。根据现有条件， 利用粗合成气入口气体分布器 和气体上升管下端位置， 设置加多台并列的旋风分离 器， 粗合成气经过气体分布器分布进入旋风分离器除 尘， 旋风分离器的排气口与气体上升管对接。如图 2 所示。 2. 2. 4技术特点 内置预分离复合式飞灰过滤器具有如下工艺 特点 1 内置预分离复合式飞灰过滤器结合了旋风分 离器和 HPHT 陶瓷过滤器的优点， 具有除尘效率高、 清灰周期长， 有利于延长陶瓷滤芯和脉冲反吹特阀的 寿命， 内置预分离装置具备外置预分离系统的工艺 特点。 2 本技术中的预分离器置于设备内部， 为不承 压设备， 设备造价低; 相对于外置预分离除尘系统， 不 66 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 2内置旋风预分离复合飞灰过滤器结构 需要单独设置飞灰处理系统， 减少了相关设备、 阀门、 仪表等的投资， 也缩减了整个煤气化框架规模， 从而 大幅降低了框架的投资， 容易实施。 3 适应负荷性能好、 对煤种适应能力强， 内置旋 风与分离器使过滤元件表面的粉尘负荷， 提高了飞灰 过滤器的负荷调节能力。 4 控制系统相对简单， 原工艺控制系统不增加 新的控制点， 同外置旋风预分离系统相比， 本工艺控 制系统简单， 系统运行的可靠性高。 5 运行、 维护成本低。本工艺简单， 预分离除尘 系统运行中不需 要进行 控 制， 设 备 运 行 和 维 护 成 本低。 3应用状况 3. 1飞灰过滤器过滤压降降低， 反吹间隔延长 在不影响装置生产计划的情况下， 分别对设置内 置旋风预分离器前后的飞灰过滤器进行了考核。 设置内 置 旋 风 分 离 器 前， 气 化 装 置 进 氧 量 为 48 000 kg/h， 相当于 70 的负荷工况， 反吹时间间隔 为28 s， 过滤器压降为16. 66 kPa; 设置内置旋风预分 离器后， 气化装置进氧量为53 006 kg/h， 相当于 78 负 荷 工 况，反 吹 时 间 间 隔 为 45 s，过 滤 压 降 为8. 03 kPa。 采用内置预分离复合飞灰过滤器后， 过滤压降明 显降低， 反吹时间间隔延长。这是因为旋风分离器对 粗煤气进行预处理后， 降低了滤芯的粉尘负荷， 滤芯 表面滤饼层的生成速度减慢， 因而在相同或更长反吹 清灰频率下， 飞灰过滤器的过滤压降降低。 3. 2旋风分离器压降满足装置要求 旋风分离器为内置部件， 其分离压降不便于直接 测量， 但可利用现场已有压力测量点计算。 ΔP c P2－ P1－ ΔP f ΔP e ΔP e P′2－ P′1－ ΔP′f 式中 △Pc为旋风分离器压降;P′ 2、 P2为设置内置旋 风分离器前、 后飞灰过滤器后压力; P′1、 P1为设置内 置旋风分离器前、 后飞灰过滤器前压力; ΔP′f、 ΔPf复 合式飞灰过滤器过滤压降; ΔPe为飞灰过滤器前后压 力测点之间除旋风分离器和滤芯之外其他设备和管 道结构带来的压降。 经计算， 旋风分离器压降约为 25. 45 kPa， 满足设 计要求。 3. 3复合除尘效率提高 考察内置旋风分离器复合除尘效率可以通过记 录飞灰过滤器后续湿洗系统黑水中的含固量进行考 察。装置运行过程中每天取一次水样进行分析， 表 2 是记录设置内置旋风分离器前后湿洗系统各取 20 天 连续运行数据进行分析的结果。 表 2湿洗系统灰水含固量 mg/L 记录时间最大值最小值平均值 无旋风预分离2382089. 55 有旋风预分离57629. 95 由表 2 可以看出设置旋风预分离器后， 后续湿 洗系统灰水中的含固量明显降低， 复合除尘效率有所 提高。这是因为， 陶瓷过滤元件过滤作用主要是通过 表面的永久滤饼层和临时滤饼层完成， 为保证过滤器 能连续运行， 需要周期性地清除滤芯表面的临时滤饼 层， 每次清除临时滤饼层时， 增加了细微颗粒穿透的 机率， 设置内置旋风预分离器后， 飞灰过滤器清灰周 期延长， 清灰频率降低， 因而减少了细微颗粒的穿透。 此外， 随着滤芯表面气流中含尘浓度的降低， 过滤元 件表面形成滤饼层更加致密， 降低了细微粒子在滤饼 层中穿透的机率。 3. 4延长滤芯寿命 采用内置旋风预分离器进行预除尘， 可以延缓 陶瓷过滤器的滤芯失效时间。这是因为当过滤元 件飞灰负荷较高时， 需要选择较高的清灰频率和较 高的清灰气流压力， 高压脉冲气流的频繁动作可能 使陶瓷滤膜的损伤， 从而导致过滤的失效; 反之， 如 果反吹频率和反吹气流压力不能达到有效的清灰 76 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 效果， 将使过滤元件表面的残留滤饼层增厚， 过滤 原件的渗透率不断降低， 过滤压降不断升高， 也会 使过滤元件失效。 3. 5降低过滤元件损坏事故风险 采用内置预分离复合飞灰过滤器， 可以有效的 保护滤芯， 降低滤芯事故破损的风险。以安装内置 旋风预分离器后两次运行故障为例， 2008 年 5 月内 置预分离复合式飞灰过滤器投运后， 由于反吹控制 阀故障维修， 导致反吹系统停运近1 h， 期间差压未 超过20 kPa， 为反吹系统控制仪表处理赢得了宝贵 的时间， 减少因除尘系统故障引起的停车， 而类似 情况在安装内置旋风与分离器之前， 曾引起滤芯断 裂， 造成装置停车。2008 年 9 月， 曾出现明水带入 S1501， 由于内置旋风的前置分离保护， 明水再没有 与滤芯接 触， 滤芯在未作 处 理情 况 下开 工 后 运 行 良好。 4经济效益 4. 1直接经济效益 4. 1. 1减少气化装置开停车费 干法除灰系统的故障影响干煤粉积压气化装置 长周期、 满负荷运行的瓶颈之一。以安庆石化 Shell 煤气化装置为例， 该装置干法除灰系统仅在 2006 年 11 月份投产初期低负荷运行 8 个月期间， 就曾发生 过 3 次停工更换 6 组滤芯事件。国内其他 Shell 煤气 化装置也不同程度的出现过类似情况。干法除灰系 统故障对气化装置的整体经济效益造成了严重影响。 采用内置旋风预分离复合飞灰过滤器， 可以有效的降 低飞灰过滤器故障停车风险。根据测算， 仅煤气化工 序一次冷态开停车费用约为 73 万元， 考虑全工艺流 程一次冷态开停车费用约为 780 万元。 4. 1. 2节省超高压反吹氮气的费用 反吹气清灰间隔时间由28 s延长至45 s， 有效节 省了反吹清洁超高压氮气 8. 2 MPa 用量。按全年 运行时间 330 天计算， 总减少氮气量1 557. 86 万 m3， 氮气价格按 0. 5 元 /m3计， 每年可减少氮气运行成本 778. 9 万元。 4. 1. 3延长反吹控制特阀使用寿命的效益 反吹间隔的延长， 反吹频次的减少， 可有效延长 24 只反吹特阀使用寿命 设计寿命 10 万次 ， 预计可 延长寿命 1. 43 年， 平均每年节省费用 150 万元。 4. 2间接经济效益 粉煤气化装置中的内置预分离复合式飞灰过滤 除尘系统的开发应用， 与外置旋风除尘串陶瓷过滤除 尘的联合模式相比， 省去了外置旋风分离器和所分离 下来的飞灰锁斗、 气提 /冷却罐、 中间贮罐和飞灰发送 管等飞灰处理装置， 仅考虑该部分的设备、 阀门、 仪 表、 框架等直接投资费用， 就达到 5 000 万元左右。 5结论 1 内置预旋风分离器既可以解决前置旋风分离 器系统复杂、 投资高、 运行不稳定的问题， 又可以解决 单一使用飞灰过滤器时由于粗合成气粉尘浓度高， 造 成除尘压降高、 反吹清灰频繁、 过滤元件破损、 使用寿 命短等问题。 2 按每年避免由飞灰过滤器造成装置停车 1 次 计算， 应用于2 000 t/d级气化装置飞灰过滤， 其直接 经济效益约1 709 万元 /a; 总间接经济效益超过5 000 万元。 3 本技术成果不仅适合现有装置的改造， 在新 设计的飞灰过滤器时， 综合考虑飞灰过滤器和内置旋 风分离器的设计优化， 将会取得更好的技术性能和经 济效益。 参考文献 ［1 ］ 霍夫曼 A C， 斯 坦 因. 旋 风 分 离 器原 理、 设 计 和 工 程 应 用 ［M］ . 北京 化学工业出版社， 2004. ［2 ］ 岑可法， 倪明江， 严建华， 等. 气固分离理论及技术［M］ . 杭州 浙江大学出版社， 1999. ［3 ］ 胡鹏睿， 沈来宏， 向文国. 烛装陶瓷过滤器的清灰分析［J］ . 过 滤与分离， 2004 14 11- 13. ［4 ］ Chung Jin Do， Hwang Tae Won，Park So Jin. 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