煤气化充气笛管密封失效原因及改进措施

王翠翠，李 刚，董领峰，盛小洋，刘高建

（过滤与分离技术国家地方联合工程研究中心，西部宝德科技股份有限公司，陕西 西安 710201）

SHeLL、HT-L等干粉煤气化工艺过程中均使用粉煤加压工艺技术，采用粉煤锁斗系统进行煤粉的输送。在输送中，通过煤粉锁斗系统的进料—加压—放料—泄压一进料的往复循环过程，将干粉煤从常压煤粉仓输送到高压给料仓—粉煤给料罐—气化炉后燃烧。粉煤锁斗系统通常设有充气笛管，充气笛管装置经常出现密封失效现象，导致罐体无法正常加压，粉煤随气体倒灌进充压气体管线，造成输送系统瘫痪、整体气化装置停车。因此，综合地分析充气笛管装置密封失效的原因，并针对性的制定出改进措施，对提高煤气化工艺中粉煤和灰粉输送系统的长周期运行具有很大意义。

1 充气笛管使用工况简介

充气笛管安装在锁斗设备锥部内壁，根据锁斗的安装空间和进气量的需求通常设置4组或6组，充气笛管的功能一是要实现对锁斗的充压功能，在锁斗进煤充压阶段，通过分布在笛管上的烧结金属多孔圆片将气体管线送来的气体均匀送入罐内，完成充压，同时气体在锁斗罐内形成煤粉松动，实现载气对粉料的顺利输送；二是在充压完成后的压力调节阶段，罐内的含粉气体通过充气笛管形成紊流，使罐内持续进入的煤管上的烧结金属多孔圆片进行过滤，烧结金属多孔圆片将煤粉拦截，过滤后的干净气体进入管道循环。由于充气笛管的特殊作用，在工作时受到的是高压到低压的循环波动载荷，使用工况较为苛刻。

2 密封失效现状及危害

充气笛管若出现密封失效现象，管道中的高速气体在密封失效泄露处会不断冲刷，导致充气笛管的总管三通、分管法兰、连接螺栓等部件都出现不同程度的磨蚀，甚至高速气流冲刷设备内壁，设备壁厚不断减薄，给设备带来安全隐患。出现的密封失效造成充气笛管部件磨损现象如下图1所示。

图1 充气笛管部件磨蚀图

充气笛管的密封失效影响了系统正常运行，高压气体集中在密封失效处进入罐内，无法输送到布气笛管上使煤粉/灰粉等物料形成流态化，物料出现架桥，而且锁斗内部煤粉会倒灌进进气管道，堵塞管道，装置被迫停产。

3 密封失效原因分析

根据充气笛管在多个现场密封失效的不同情况，分析密封失效的原因主要有以下几个方面。

3.1 充气笛管结构设计不合理原因

充气笛管的结构设计主要分为三部分：一是气体总管，其一端设计有两个法兰，带颈对焊法兰与系统的气体管线连接，平板法兰与锁斗罐体管法兰连接，另一端设计有三通结构，在两侧开孔处加工出平面，作为与两路气体分管连接的密封面,中间放置密封平垫片；二是两侧气体分管，通过双头螺栓连接在气体总管上，分布安装在锁斗设备内壁的上下部位，通过管夹与螺钉固定在锥段内壁；三是均匀分布在气体分管上的金属烧结多孔圆片，使气体均匀通入锁斗锥段。具体结构和充压时的气体流向如图2所示。

图2 充气笛管结构和充压时的气体流向图

（1）充气笛管与壳体、充气笛管各部件之间的配合联接之处较多，相互限制。气体总管与锁斗罐锥体的法兰连接后，通过螺栓将上下两个气体分管固定在总管的三通上（图3），通过放置在总管三通密封面处的平垫片密封，最后用管夹将笛管分管固定在输送罐锥体部位（图1）。

图3 笛管气体分管与总管安装图

（2）连接两个分管法兰的螺栓悬空段长L＞200mm，受力力矩大，容易松动脱落。

（3）密封面结构设计为平面密封，对分管和总管安装后的垂直度要求高，因制造公差累积或安装原因达不到垂直度要求时，密封没有办法调整。同时该结构的密封垫片在安装过程中没有限位密封槽很容易滑动。

图4 管夹固定分管图

3.2 制造公差原因

充气笛管的气体分管与总管的垂直度公差要求≤3mm，而压力容器设计制造标准中对锁斗罐（D=2600mm）的进气接管法兰与壳体的锥体垂直度允许公差偏大，罐体锥部由于上下段直径不同，圆度公差也不同。以上两处公差的制造偏差，在分管安装后，分管与罐体锥段内壁形成夹角，分管法兰与总管三通间密封面会出现不同程度的间隙，分管法兰无法夹紧密封垫片，从而高压气体在密封间隙处高速冲刷，最终出现密封失效。

3.3 安装误差原因

两件笛管分管与总管安装时相互制约影响，需要在用管夹固定好分管后，通过双头螺栓连接两个分管法兰，安装时分管与总管间的平垫片可能出现偏移，也可能在安装过程中破损，导致运行时密封失效。

3.4 运行时脉冲气体震动的原因，导致密封失效

充气笛管在运行中压力在0.2MPag~5.6MPag波动，高压气体间歇输送时会引起笛管分管的脉冲式震动，一方面可能会使连接两个分管的螺栓产生松动；另一方面固定在罐体锥部的的管夹和螺钉可能会在脉冲气体震动下，产生松动甚至脱落，随后分管变形后密封失效（图5）。

图5 分管变形图

4 密封失效改进措施

国内目前已投产的大唐、宝丰等多家大型煤化工技术中，针对密封失效问题，采取了不同措施：安装后，将分管法兰与总管三通满焊，并将螺母与分管法兰点焊（图6）；加大螺栓直径来减小震动；取消分管法兰，将分管插入总管三通孔后焊接（图7）等。

图7 分管插入总管三通直接焊接图

虽然以上的措施可以有效地改善密封失效问题，但也给分管的更换工作增加了难度。由于分管上焊接的金属烧结多孔圆片属于微孔材料，运行中细小粉煤颗粒会进入烧结金属圆片的微孔，多孔圆片透气性能会下降，导致物料流态化减弱，同时笛管内外部压差增高，需要周期更换充气笛管。在更换备件时都要将焊缝切割后再更换焊接，施工难度大、劳动强度高。

充气笛管的密封失效问题，壳体和充气笛管的垂直度公差不匹配是解决该问题的关键。西部宝德科技股份有限公司近年来进一步优化改进了充气笛管的结构，充气笛管的两件分管不再相互制约，总管独立与两个气体分管连接，安装更方便；密封垫片采用金属垫片、螺栓的受力力矩缩短，都有效避免了布气笛管因锁斗罐体制造公差及高压气体的脉冲式震动而导致的密封失效，保证了充气笛管装置的正常运行。安装分管后，连接螺栓可以点焊，防止气体震动时松动。该结构已在投产的多个项目中应用，运行效果良好。

5 结语

充气笛管是目前干粉煤气化工艺中粉煤加压输送重要的设备，目前国内已开车运行上百条生产线，各现场运行中出现密封失效的现象较多，给设备带来严重的隐患和危害，给企业造成一定的经济损失。改进后的安全运行经验，给新生产线的设计提供了优化设计方案，同时在运行的生产线做长周期运行的技术改造时也可借鉴。