金属多孔材料在壳牌煤气化技术中的应用

常志鹏，郭辉进，杨军军，刘冠颖

(1.河南能源化工集团有限公司，河南 郑州 450046 ； 2.安泰环境工程技术有限公司，北京 100081)

煤气化技术通过煤气化获得高温煤气，经过高温气体除尘和净化获得洁净合成气，其后续产品可以是甲醇、二甲醚、烯烃、氢、油或电等，这是一种低排放、高效率的洁净生产工艺。壳牌干粉加压气化技术在我国使用广泛，该技术将5～10 μm的粉煤颗粒在高温1 300～1 700 ℃下燃烧合成为含有H2和CO的粗合成气，除尘净化后的合成气既可用作生产化工产品的原料，又可用于制取运输燃油、城市煤气、合成天然气、制氢、发电等[1-2]。

在煤气化技术关键工艺装置中需要大量的多孔材料，如煤粉输送系统中的充气锥、通气管、通气板，高温高压飞灰过滤器中的滤芯等，它们是保证煤粉连续、稳定输送的关键，也是保证整个装置稳定运行、排放符合环保要求不可替代的关键元件[3]。

应用于煤气化技术的多孔材料主要有两大类：陶瓷多孔材料和金属多孔材料。由于多孔材料在使用过程中需要周期性的反吹振动，而陶瓷材料热脆性、抗热震性和抗压力冲击强度低，多孔元件的可靠性无法保证[4]。陶瓷多孔材料存在较低的可靠性和抗热震性，为彻底解决问题并扩展高温耐腐蚀性能，金属多孔材料从1990年开始在国内国际引起广泛研究。金属多孔材料使用寿命长，抗热震性高，导热性佳，同时具有较好的加工性、焊接性、再生性，能够实现在线连续反向脉冲清洁再生，与陶瓷材料相比，金属多孔材料在煤气化技术粉体流化输送和高温除尘等方面适应性和优越性更好。

1 金属多孔材料在煤粉输送系统的应用

1.1 煤粉输送系统流程

固体粉料的输送是粉煤气化工艺的核心技术之一，粉煤气化装置内粉料的输送主要是依据重力流的原理进行。Shell煤粉供料输送系统如图1所示，包括：粉煤储仓(V1201)、粉煤锁斗(V1204)和粉煤给料罐(V1205)[5]。粉煤从粉煤储仓进入粉煤锁斗，粉煤锁斗充满后，将其隔离并用氮气充压与煤粉给料罐平衡，打开与粉煤给料罐之间的连通阀，粉煤给料罐低料位时粉煤锁斗进行卸料。粉煤锁斗卸料完成后卸压接料，重复以上过程。整个放料工艺：进料—加压—放料—泄压—进料的循环过程。

图1 Shell煤气化煤粉输送系统流程示意图

为确保煤粉在设备间无障碍流动，相应在各仓底部配备了充气锥V1201、V1204和V1205。同时在V1201、V1204间管道上布置了管道充气器(X1200)，V1204、V1205间管道上布置了管道充气器(X1203)。为了加大V1204的充压速度，还配备了笛管X1202。为确保V1204泄压时排放的气体不超标，安装了泄压管过滤器(S1202)，过滤器内部含有特殊滤芯[6]。

1.2 通气锥与充气器

在Shell煤气化中，充气锥是装置安全稳定运行的关键部位之一，在工艺操作中担负着粉料储罐的加压、固体粉料的流化、除桥等任务[7]。

充气锥是采用不锈钢粉末压制成形并经高温烧结而成，其工作原理是通过自身均匀分布的微孔，利用低压或高压的气体通过充气锥破坏充气锥外表面的气体股流，并在充气锥内壁附近转变为均匀分布的气体，使煤粉在设备中处于流化状态，可以顺利的流动而不会发生架桥现象[6-7]。

管道充气器上部与通气锥相连，充气器的作用与充气锥相同。煤粉加压输送系统在充压时如果存在不当操作，会直接冲击到充气设备，损坏烧结金属，特别是在充压前期压差过大、流量过高。损坏后的充气锥碎片一旦进入后续系统，造成气化炉煤流量的波动及粉料输送系统故障，进而影响整个煤气化装置的操作，甚至造成装置停车。可行的应对措施：①对程控阀前后的手动阀门调小开度进行节流，在程控阀快速开启时降低高压气体的冲击力；②通过技改，更换新型充气器和充气锥，内层的丝网能够有效阻碍烧结金属碎片，避免设备损坏[8]。

1.3 充气笛管

充气笛管是像乐器笛子一样，孔由烧结金属多孔材料做成的膜片封堵，俗称笛管[9]。笛管是锁斗锥部与锁斗外部供气系统连接的高效设备[10]。

粉煤锁斗由于工艺设计不完善、充压气体不洁净以及充气管线孔板充压过快等各种原因导致粉煤加压过程中，充气笛管的实际压差明显高于设计的运行压差，导致充气笛管很容易损坏。为了避免充气笛管损坏，可采取限制升压速度，保持煤粉有良好的流动性和输送的稳定性等措施[11]。

1.4 粉煤锁斗过滤器滤芯

锁斗高压过滤器是粉煤锁斗装置中的重要设备，位于粉煤锁斗上部充压及泄放气体管线上，起到对泄放气体中的煤粉过滤的作用，使排放气体符合环保标准，同时防止放空气体中夹带煤粉以保护压力调节阀不被磨损[12]。

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。

由于反吹压差和气流冲击力大，气体泄放速度过快，气体夹灰多、煤粉水分大及充压气体带油等原因，锁斗高压过滤器滤芯出现断裂、堵塞等失效现象。通过采取在充压反吹管线设置流量调节阀降低反吹压差，严格控制煤粉水分和对充压气体进行过滤净化，保证气体无油、干燥等改进措施，可有效减少滤芯失效[12]。表1列出了煤粉输送系统各位号设备应用金属多孔材料技术特性。

表1 煤粉输送系统金属多孔材料技术特性表

2 金属多孔材料在除灰系统的应用

2.1 除灰系统流程

在Shell煤气化工艺中，煤经过高温、高压反应后，大量灰分以渣的形式直接排放至除渣工段，少量则以飞灰形式随合成气进入后系统，飞灰的存在对后系统的正常工作有很大的危害[13]。高温高压飞灰过滤器的应用可以有效消除合成气中的飞灰。

Shell煤气化除灰系统流程图如图2所示，含飞灰的合成气(飞灰含量约为18 g/Nm3)进入高温高压过滤器S1501后，飞灰被过滤后进入飞灰收集罐V1501，滤后合成气从过滤器的上部排出进入下个工序。飞灰收集罐V1501将收集的飞灰排到飞灰放料罐V1502，然后进入到飞灰汽提冷却罐V1504A/B中进行汽提，上部出来的气体去火炬烧掉，下部出来的飞灰进入中间飞灰储仓V1505，后定期排入飞灰储仓V1507，用槽车运走。

图2 除灰系统流程示意图

2.2 高温高压飞灰过滤器滤芯

飞灰过滤器由承压容器和内件两部分组成，过滤器外壳和飞灰收集罐构成承压容器，内件包括气体分布器、管板、滤芯、文丘里管、承压板等。过滤器滤芯分为24组，每组48支，并按三角间距布置安装在管板上，共1 152支。从合成气冷却器出来的富含灰尘的合成气由飞灰过滤器底部进气管进入过滤器，含尘气体从滤芯外部进入，飞灰颗粒被截留在滤芯外表面，形成滤饼，反吹气从滤芯内向外脉冲穿过滤芯，滤饼下落至飞灰收集罐。滤芯反吹按组完成，每组滤芯由一个单独的管线自反吹气体缓冲罐引至过滤器文丘里喷嘴，各组滤芯定期按顺序反吹[14]。

进入过滤净化单元的合成气含有大量的飞灰，温度为300～350 ℃，飞灰体积分数为25～30g/Nm3，粉尘粒度中位径3～5 μm，90%以上<20μm[15]。要求过滤后的煤气粉尘体积分数<20mg/Nm3，能够使下游机电设备不受损，且在排放指标控制范围内。

飞灰过滤器采用Fe3Al金属间化合物粉末滤芯，具有耐高温、耐腐蚀的性能，同时兼具传统金属滤芯的力学性能好、抗热变形性能强等性能。另外，非对称复合结构的Fe3Al滤芯通量更大、精度更高、反吹再生性能更优异，其技术特性见表2[16]。

2.3 除灰系统通气锥、充气器

高温高压过滤器过滤下来的飞灰在收集和放灰过程中，为了保证飞灰良好的流动性，相应在各仓底部配备了充气锥，在管道上布置了管道充气器。其技术特性表见表2。

表2 除灰系统应用金属多孔材料技术特性表

除灰系统是壳牌气化炉的重要组成部分。由于该系统设备多、管线长，常出现充气器破损、滤芯损坏等各种问题，这不仅影响装置的运行稳定性，而且会产生环保排放等问题。为了避免除灰系统中滤芯、通气锥、充气器等金属多孔元件出现失效，在运行时需注意：①高频率查看过滤器反吹压力，保证反吹压力不低于气化炉压力的1.7倍[13]。②飞灰收集罐一旦出现架桥现象，及时破桥。③高频率查看分析洗涤塔排放水浊度，一旦出现洗涤塔排放水浊度发生异常，应现场发现原因并处理。

3 煤气化技术用金属多孔材料发展趋势

随着煤化工对延长装置运行周期的要求日益增高，为进一步提高煤气化装置运行的稳定性与可靠性，提高装置连续运行时间，对其应用的金属多孔材料及元件提出了更高的性能要求。

3.1 提高疲劳强度

煤气化复杂恶劣的工况条件要求金属多孔材料在动态载荷下具备优良的抗疲劳性能。金属多孔材料的焊接热影响区属于薄弱区域，因此对大尺寸整体成形金属多孔元件的需求日益提升。

3.2 提升与实体连接件焊接强度

金属多孔元件操作条件苛刻，多数为有压力循环，且循环次数较多，输送的主体物料为粉料，不仅有腐蚀，还存在磨损，由于金属多孔材料与实体材料微观结构的差异，其焊接性能不容忽视。针对不同的多孔元件材料、厚度、孔隙特性采取不同的焊接方法和工艺，如氩弧焊、真空钎焊、等离子焊接、激光焊接等。

3.3 高渗透性

金属多孔元件直接与粉料接触，一旦出现压差高或不稳定，容易发生破损从而导致整个装置事故，为了保证金属多孔材料过滤精度的同时，又具有高的流体通过量，金属多孔元件尤其是过滤元件逐渐采用非对称复合结构，即“基体骨架层+表面过滤膜层”的结构，非对称复合滤芯不仅精度高、通量大，还具有良好的反吹再生效果。