(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

煤气化是实现煤炭综合利用和洁净煤技术的重要技术和主要手段，是发展现代煤化工、煤制油、燃料煤气等工业化生产的龙头[1]。Shell煤气化工艺是当今世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一，国内先后有24家单位累计引进32套Shell煤气化装置，但在陆续开车和后期运行中曾暴露出激冷气管线腐蚀、合成气冷却器十字吊架积灰、堵渣[2]、飞灰过滤器滤芯断裂，以及烧嘴和烧嘴罩损坏等一系列问题。毋庸置疑，飞灰过滤器是煤气化装置的关键设备，一旦核心元件滤芯发生断裂，将导致未经过滤的飞灰进入后续单元，造成洗涤系统、初步水处理系统结垢堵塞，甚至导致整个煤气化装置被迫停车。飞灰过滤器运行维护是壳牌粉煤气化装置安稳运行的重要前提。

1 HPHT飞灰过滤器

1.1 飞灰过滤过程

煤粉和氧气在气化炉中反应，产生的合成气进入飞灰过滤器进行干法除灰。含灰合成气从下侧进入飞灰过滤器，由上侧出口去湿洗单元进一步洗涤降温；而固态飞灰被阻挡在滤芯表面，经超高压氮气反吹后脱落、沉积在底部的飞灰收集器中，通过飞灰排放罐间歇排放。飞灰过滤器设计24组滤芯(也有厂家采用15组)，每组48根陶瓷滤芯，其上方均有文丘里和反吹管相对应；两次反吹时间间隔11s，反吹脉冲210ms。飞灰过滤器工作压力为3.96MPa(g)，工作温度为340℃，容积为225m3。飞灰过滤器结构见图1。

图1 飞灰过滤器结构

1.2 飞灰过滤原理

飞灰过滤过程中，滤芯表面会逐渐形成动态滤饼层和稳态滤饼层。打开反吹阀的瞬间，2倍于气化炉压力的超高压氮气进入文丘里管，同时产生脉冲导引气流吹向滤芯中心空腔。动态滤饼层脱离滤芯表面，使滤芯通过反吹得以再生，而稳态滤饼层附着在滤芯表面。飞灰过滤原理见图2。

图2 飞灰过滤原理

2 滤芯架桥及损坏机理

滤芯上端卡在管板上，下端由格栅支撑，因此两端剪切应力最小，中间剪切应力最大。当滤芯反吹正常时，飞灰形成的动态滤饼脱落；在反吹中断或者反吹不充分时，飞灰就会在滤芯之间积聚并产生“架桥”。飞灰填满相邻滤芯间隙的时间称之为架桥时间，架桥时间由飞灰负荷和滤芯特性决定。滤芯飞灰架桥后，如果再用高流量气体反吹，就会产生使滤芯弯曲的力，从而引起断裂。

3 滤芯损坏判断方法

(1)过滤器前后压差15PDI0002。15PDI0002用于指示飞灰过滤器进出口压差，对判断滤芯是否损坏的作用有限。15PDI0002压差高低，与灰负荷、反吹气压力、滤芯性能等有关。在多次滤芯损坏事故中，压差指示没有超过设定高报警值30kPa。而在一次事故中，压差瞬间超过报警值50kPa，但停工检查发现滤芯并未损坏[3]。

(2)过滤器出口固含量15QI0001。飞灰过滤器正常运行时，可以过滤合成气中带来的大部分飞灰，合成气中的固含量<5×10-6。然而，由于所分析介质的特殊性，使得固含量分析仪表15QI0001在实际运行中指示并不是十分准确，有时指示值已经超量程，但实际滤芯并未损坏。因此，固含量15QI0001指示仅供参考。

(3)反吹气压降15PI0101。反吹阀开关一次，就有超高压氮气通过文丘里管对该组滤芯进行反吹，超高压氮气缓冲罐压力就会有波动。正常反吹阀每动作一次，反吹气压降≥0.15MPa(g)。滤芯反吹一般采用时间模式，反吹压降趋势呈周期性锯齿形变化趋势。反吹气压降过小，可能造成反吹不充分；反吹气压降过大，可能造成超高压氮气过量；反吹气压降不变，则说明反吹阀未动作。反吹异常可能造成滤芯损坏。

(4)洗涤系统固含量。一旦滤芯损坏，大量飞灰则会进入合成气洗涤系统。洗涤塔水样混浊且固含量高，静置后取样瓶底部有大量沉淀物，这是滤芯是否损坏最有效且最直接的判断方法。滤芯损坏后洗涤塔水样见图3。

图3 洗涤塔水样

4 原因分析与应对策略

4.1 反吹阀动作异常

(1)原因分析：①反吹阀的布线错误或布线毁坏，将导致阀门无法接收到开关命令；②仪表气污染，导致颗粒进入电磁阀中，影响反吹阀正常动作；③仪表气中断或压力不足，导致反吹阀无驱动力或驱动力不够；④采用合成气进行反吹，伴热保温不足导致出现冷凝和酸腐蚀，造成反吹阀腐蚀；⑤阀杆损坏或气缸漏气，导致气缸无法带动阀体动作；⑥反吹阀自身维护不足，或到达使用寿命。

(2)应对策略：①通过反吹气压力15PI0101曲线，监控反吹阀是否动作及动作快慢；②仪表气由5.2MPa(g)氮气经15PV0020A/B减压至0.8MPa(g)提供，防止固态颗粒窜入仪表气系统；③监控仪表气压力15PI0103曲线，冬季要避免仪表气水分冷凝、结冰堵塞管线；④若采用合成气作为反吹气，必须加强伴热，避免露点腐蚀和酸腐蚀；⑤预存备品备件，并根据供货要求对阀门定期维护。

4.2 PLC反吹系统问题

(1)原因分析：①PLC故障停运；②PLC程序出错；③控制器死机；④空气开关起跳；⑤反吹间隔时间设置太长；⑥反吹气脉冲设定太短，不能保证需要的反吹清洁；⑦选用了差压模式。

(2)应对策略：①间隔时间应视灰量和飞灰性质变化及时调整，保证有余量防止“架桥”；②在换新煤或初始开车时，推荐采用保守的间隔时间；③增加反吹频率会提高清洁频率、减少滤饼厚度，但会增大反吹气消耗、缩短反吹阀寿命，反吹时间设置须综合统筹各种因素考量；④加强现场巡检和中控监控，并编制应急预案，做到及时响应和处理。

4.3 反吹气压力过高或过低

(1)原因分析：①30PV0013A阀门故障，造成滤芯反吹气压力不足；②飞灰过滤器反吹和气化炉反吹同时动作，超高压氮气消耗量大，造成滤芯反吹气压力不足；③反吹气压力设置过高或过低。

(2)应对策略：①技改单独布线，为飞灰过滤器提供超高压反吹氮气，新线的压力调节由新增30PV0013B阀门控制；②一旦30PV0013B阀门故障，可切旁路阀调节，或临时切回30PV0013A反吹旧线；③修改气化炉反吹顺控13KS0004/13KS0005，反吹阀打开前确认另一组顺控中反吹阀门关闭回讯，避免激冷口反吹和十字吊架反吹同时动作，拉低超高压氮气压力；④装置开车投煤烧嘴前反吹气用旧线，压力控制器30PIC0013A手动设置为2.0MPa(g)，避免反吹气压力过高而损坏滤芯；煤烧嘴投入后以及正常运行期间，反吹气用新线且压力控制器30PIC0013B投串级，压力为气化炉压力13PI0068的2倍，管板最高只能承受2.2倍气化炉压力。超高压氮气反吹系统流程见图4。

图4 氮气反吹流程

4.4 反吹气温度过低

(1)原因分析：①反吹气温度低于合成气露点温度，造成局部冷凝、滤饼固化；②反吹气温度低于NH4Cl露点，造成NH4Cl腐蚀。

(2)应对策略：①技改在靠近超高压反吹氮气缓冲罐(V1506)前增加预热器(E3055)，加热介质为中压蒸汽，反吹气温度不低于225℃(氯化铵凝华温度约200℃，反吹阀设计工作温度不超过250℃)；②加强反吹气管线伴热，确保管线温度满足工艺要求；③开车前打开反吹气放空导淋，进行置换升温。

4.5 过滤负荷大

(1)原因分析：①煤质不稳，实际灰分含量超标；②进气量过高，超过过滤器设计值；③部分煤粉未完全反应，飞灰中携带煤粉。

(2)应对策略：①合理配煤，确保煤质稳定、灰分达标；②进入飞灰过滤器的总气量是激冷量13FIC0008与合成气产量16FI0003之和，根据经验，24组滤芯的过滤器最大允许进气量不超过350 000Nm3/h，生产中须严密监控上述参数，避免进气量过大，损坏滤芯；③炉温不可控制过低，增加煤量反控制回路，增加煤烧嘴O/C比低低联锁，联锁值设定0.75，延时20s触发，避免大量煤粉未反应进入过滤器。

4.6 操作失误

(1)原因分析：①飞灰收集器料位过高，大飞灰堆积进入滤芯间隙造成“架桥”；②压差高时打开平衡阀，气流对滤芯造成冲击；③飞灰收集器锥部飞灰架桥，“上顶”消桥时滤芯遭受气流剧烈冲击。

(2)应对策略：①飞灰收集器在原有料位指示报警15LAL0001和15LQH0002的基础上，技改增加中间料位指示报警15LAH10102，生产中应避免15LAH0002高料位长时间报警；②技改增加联锁保护，当放料阀15XV0002/0003关闭时，不允许打开均压阀15XV0008/0009，防止因开阀顺序错误造成滤芯损坏，③规范消桥操作，只允许“下拉”消桥，操作压差约-100kPa，不允许超过安全联锁值-300kPa。

4.7 设备安装问题

(1)原因分析：①滤芯未垂直安装，或者滤芯间存在应力；②反吹管安装倾斜或螺栓脱落、法兰脱口；③文丘里管安装倾斜或固定不牢螺栓松动导致倾斜；④密封圈及密封件损坏。

(2)应对策略：①确保滤芯垂直安装，避免滤芯压应力过大；②严格按照技术手册要求进行设备安装，确保反吹管、文丘里管与滤芯的同心度；③反吹管、文丘里管螺栓点焊限位，防止运行中因剧烈振动导致螺栓松动；④停工检修时仔细检查密封圈和密封件，一旦损坏，及时更换和维修。

4.8 其他

(1)原因分析：①飞灰过滤器及收集器设备本体伴热温度偏低；②反吹气含油(曾有高达200mg/m3的例子)，造成油堵塞滤芯内部孔隙；③煤烧嘴、烧嘴罩或水冷壁泄漏，大量水蒸气进入合成气造成飞灰黏性增大；④陶瓷滤芯强度差，抗波动能力弱；⑤金属滤芯焊缝断裂。

(2)应对策略：①采用高压蒸汽伴热，确保温度在225℃以上；②确保空分装置供氮除灰、除油、干燥彻底，保证氮气干净不含杂质；③优化操作、加强维护，确保煤烧嘴、烧嘴罩及水冷壁状况良好；④国产金属滤芯的三点抗弯强度要远高于陶瓷滤芯，并表现出良好的韧性、刚度和通透性，采用耐腐蚀、高强度的金属滤芯代替陶瓷滤芯是切实可行的；⑤金属滤芯为Fe3Al合金，早期为两段式，长周期使用后焊缝处变得脆弱。整体成型金属滤芯压溃强度大约是两段式滤芯的2倍，整体成型金属滤芯及更长的2m金属滤芯应用前景十分广阔。使用前后的Fe3Al材质金属滤芯见图5。

图5 Fe3Al金属滤芯

5 结语

飞灰过滤器是shell煤气化的关键设备，滤芯损坏曾一度成为制约装置安稳运行的“瓶颈”问题。飞灰过滤器滤芯损坏的原因多种多样，本文提出判断故障的方法，对各种故障的原因进行了分析，并提出多项行之有效的应对策略。这些改进措施和解决方案，是对壳牌煤气化装置运行改进的探索和工程应用的总结，并且得到实践的检验，对其他壳牌煤气化工艺厂家均具有借鉴意义。

参考文献：

[1]唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 宋金荣，李海宾.王军.Shell粉煤气化炉堵渣处理与研究[J].化工时刊，2013，27(3)：27-30；

[3] 冯恩刚.高温高压过滤器滤芯的断裂分析[J].内蒙古石油化工，2011(20)：58-60.