SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤器S1501分析及解决措施

刘存熙

摘 要：SHELL煤气化装置是近年来国内所引进的先进高温高压煤气化装置。该装置中陶瓷滤棒由于长期处于高温高压高负荷运行状态下，滤棒本身的过滤性能可能会逐渐降低，当装置整体进入寿命周期末期时还会出现严重的滤棒断裂现象，导致外部合成气中的大量飞灰侵入并形成管道结垢，堵塞设备，造成合成气压缩机损坏。为了解决这一问题，应该为设备装置中设置S1501飞灰过滤器系统，相比于传统陶瓷滤芯，它采用了真空烧结而成的烧结金属滤芯，它的耐腐蚀性强，渗透性好，强度更高且易于清洗和反清洗，拥有较高的塑性不易断裂，而且过滤精度也相对较高。本文主要对它的结构构成、故障判断进行分析，最后提出设备故障问题解决措施。

关键词：SHELL煤气化工艺 高温高压 飞灰过滤器S1501

中图分类号：TQ54 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）11-0-02

在煤气化工艺过程中，原料煤被转化为由CH4、H2和CO所组成的合成气体，这一合成气体可以用作发电燃料或其它裂解产品进料。目前某些煤制油企业会采用SHELL粉煤气化技术，它以O2为主要气化介质来生产合成气。

一、SHELL煤气化工艺中高温高压飞灰过滤器的工作流程

在SHELL煤气化过程中就包含了除灰这一重要工艺，它主要通过合成气冷却器将合成气送至高温高压过滤器进行过滤除灰，保证在过滤后合成气的灰尘含量在2～3mg/Nm3，然后再将过滤后气体送至洗涤塔。在高温高压过滤器中还设置了反吹系统，它利用超高压合成气对滤芯进行长时间反吹，确保滤芯压降能够始终控制维持在0.03MPa范围内，而高温高压飞灰过滤器所过滤出的飞灰也将被收集于飞灰放料罐中。从技术角度讲，这部分被SHELL煤气化工艺所过滤产生的飞灰要再经过湿法洗涤或干法脱除才能确保灰尘含量达到生产要求，同时确保设备的下游压缩机部分不会产生灰尘积累现象影响设备装置常规化运行。在目前，采用干法脱除来过滤灰尘比较常见，它所采用的过滤器为S1501。该过滤器是否能够正常稳定运行对于SHELL气化装置整体运作相当重要[1]。

二、关于飞灰过滤器S1501

1.S1501飞灰过滤器的基本概述

上文所提到的S1501飞灰过滤器是SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤设备中的关键，它在设备中的技术地位相对较高，处于飞灰收集工序的顶端位置，S1501能够将气化炉中所生成合成气中的大部分粉尘全部过滤干净，保证合成气达到工业生产标准后再进入湿洗工序，通过最终洗涤形成激冷气。在此过程中，S1501基本过滤去除了合成气中大约99%以上的飞灰含量。

2.S1501的具体组成

S1501飞灰过滤器系统整体主要由3部分组成：过滤系统、控制系统以及执行设备。首先谈过滤系统，过滤系统由15组滤芯所共同组成，且每一组滤芯中都含有48根陶瓷滤芯，整个系统一共有720根。该系统能够在常规操作范围内完成日常维护工作，即使不清洗滤芯，其滤芯也能够至少工作1.6万h以上，基本达到3a/2.4万h水平。而如果选择清洗滤芯，清洗后的滤芯机械强度不会因为清洗而出现大幅度的强度衰减，依然可以正常使用。

其次是S1501的控制系统，它的控制系统主要通过PLC来实现功能应用，且其中也加入了反吹阀动作，同时按照预先设定模式来运行控制系统。在系统中，反吹阀运行模式还包括了时间运行与差压运行模式两种，从工艺层面来讲，它要基于系统的不同运行状况、不同模式来进行控制反吹，保证典型差压运行模式的反吹时间符合控制系统运行标准。举例来说，如果反吹阀运行模式下其压差为0～20kPa，它的运行间隔时间就为35s，如果压差在25kPa，它的间隔时间应该为25s，如果压差>30kPa，它的间隔时间则要控制在15s以内。

最后是S1501的执行设备，执行设备即反吹再生系统，由于系统中所有被过滤掉的飞灰会集聚于滤芯表面位置，当积累达到一定程度后滤芯本身会丧失过滤功能。为了保证滤芯能够在功能再生或长时间保持功能有效性，就要为其配备反吹再生执行设备。在SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤器中就设置了15组与滤芯相对应的反吹阀，且在每一组滤芯之上都额外设置了一个倒立的文丘里管，反吹阀出口位置要对准文丘里管入口，确保让文丘里管也能储存携带一定量的合成气，并最终将合成气吹入滤芯位置。如此一来，滤芯文丘里管表面的飞灰就会自动脱离，进而实现对滤芯过滤功能的有效恢复。根据过往实践经验总结得出，反吹阀执行设备的平均寿命可达到10万次动作，如果按照15s间隔时间来计算，反吹阀的每一次循环时间为4～5min，它的可持续运行时间可至少达到270d以上[2]。

三、S1501的故障判断与故障现象分析

1.故障判断

一般来说，S1501其飞灰过滤系统的故障一般体现在滤芯损坏方面，其滤芯的实际寿命及预期寿命相比具有较大落差，这是因为在设备的实际运行过程中，滤芯与滤芯之间是存在搭桥空隙的，这里最容易积累飞灰，时间长久飞灰积累越来越多并形成足以将S1501滤芯撑断的横向剪切力。当滤芯完全断裂以后，大量未经过滤的飞灰会直接进入文丘里管洗涤器包括湿洗塔，将这两大分支设备中的所有顶部喷淋孔堵死，形成填料状结垢，最终使SHELL煤气化装置完全无法正常运行而被迫停運。

这里可以通过反吹气压降来判断设备故障。当设备正常运行过程中，它的反吹气压降应该至少大于0.15MPa。另外还要根据反吹间隔时间、反吹降压趋势等等内容来判断设备的周期性锯齿形变化，考虑正常反吹与不充分反吹两种情况，同时做到对反吹压降变化的有效监控，按照滤芯变化来判断设备是否在实施有效反吹，如果发现故障要进行及时处理，如图1。

2.故障现象分析

要明确S1501在过滤系统方面的故障原因，例如比较常见的滤芯损坏，此时就必须停止设备运行，及时更换滤芯。但如果反吹阀出现故障则要根据具体状况进行具体分析，第一时间处理故障状况，如果是比较严重的反吹阀杆或阀芯脱落断裂，必须停止设备进行集中检修。从过往的设备运行实践经验来看，S1501出现故障主要会出现五方面故障现象。

首先是低料位不出现。这可能是因为S1501中锥部积灰过多，灰料位置已经涨到滤芯底部位置，导致滤芯被积灰掩埋，或者滤芯已经被撑断，最终导致系统被迫停止。

其次可能是SHELL煤气气化炉系统负荷与压力升降速率过快不规律。在设备运行开车阶段，系统是呈现负荷压力全上升状态的，而当系统运行停车以后，则会进行泄压吹扫。在此过程中过滤器可能会受到冲击影响，导致滤芯损坏。一般来说SHELL气化炉系统在升降压速率方面要进行严格范围控制，避免其出现上述问题。

第三是S1501反吹阀门出现故障，通常情况下设备反吹阀门是会出现内锈渣。温度压力过大等现象，它们会造成设备的应力，如果反吹氮气温度超过225℃，反吹阀就会直接出现故障。该故障必须在0.5h以内处理好，否则滤芯会直接损坏。

第四，當传统的陶瓷滤芯被改为烧结金属滤芯以后，它原有的使用寿命不但有所加强，而且烧结金属滤芯在进口并经过技术改造后其使用成本也大大降低。但是由于成本压缩与空间限制等客观原因，它将原本的24组滤芯改为15组，这大大降低了它的飞灰处理能力。

最后还可能出现高压反吹氮气量及压力严重不足的现象。该现象的发生主要是汽化炉中出现较大压降，它与反吹氮气形成冲突，氮气促使系统压力快速降低。实际上在气化炉正常使用过程中应该尽量避免用氮冲突，可以考虑错开反吹阀工作时间，确保滤芯能够始终反吹氮气。

四、S1501的故障解决措施

为了解决上述故障现象，需要基于SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤器及汽化炉对S1501进行问题修正和设备改造。具体来讲以下提出3点故障解决措施。

首先可以考虑适当合理缩短反吹频率，对S1501的反吹间隔时间进行修改调整。例如可以将原来的15s改为11s，不过不会对反吹时间模式下的压差时间与区间曲线进行调整，当然还要看实践状况来具体分析。当然，如果缩短反吹时间也要充分意识到设备反吹动作频率必然会加快，这会导致设备使用寿命缩短，因此必须在日常维护过程中加强检修力度，保证设备始终保持健康状态，特别是要做到定期更换反吹阀。

其次要做到保证反吹阀气量与压力都处于正常状态。因为S1501在气化炉反吹过程中会受到气量影响，所以需要对气化炉的吹扫程序进行修改，避免出现反吹阀反吹时间重叠。这里可采用30PV0013B线对反吹阀进行控制，而气化炉部分则由30PV0013A控制，如此改造能够保证S1501反吹气效率稳定提升。

第三要适当增加过滤器中的有效过滤面积，过滤面积增加的前提就是确保滤芯强度与长度。如果滤芯长度是1.5m，现要将其改造为2m长度，它的过滤面积就可以增加至少30%以上。这种滤芯有效过滤面积改变能够直接影响SHELL煤气化高温高压飞灰过滤器设备，解决系统处理负荷能力不足的问题[3]。

结语

除上述三点对策外，还可以为SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤器设备体系增设与预除灰设计，保证S1501能够在低于80%的负荷状态下运行，避免高负荷波动现象。也就是说要增加气化炉的配煤灰分含量，保证预除灰设备具有充分余量。本文所探讨的SHELL煤气化工艺高温高压飞灰过滤器问题与功能优化具有极大的建设性作用，可以提高企业生产效率，值得被广泛推广应用。

参考文献

[1]董亚军.Shell煤气化工艺高温高压飞灰过滤器S1501分析及解决措施[J].河北化工，2012，35（1）：18-21.

[2]李振.煤气化工艺研究[J].新技术新工艺，2015（7）：7-9.

[3]唐宏青.Shell煤气化工艺的评述和改进意见[J].煤化工，2005，33（6）：9-14.