湿式电滤器在天然气乙炔装置的应用和改进

王峰

（1.四川大学化学工程学院，四川成都610065；2.中国石化集团四川维尼纶厂，重庆401254）

湿式电滤器在天然气乙炔装置的应用和改进

王峰1,2

（1.四川大学化学工程学院，四川成都610065；2.中国石化集团四川维尼纶厂，重庆401254）

介绍了湿式电滤器在天然气部分氧化制乙炔装置的应用过程中出现的问题，从工作原理着手分析其原因并从多方面提出改进措施，提高设备运行的稳定性。

某车间采用天然气部分氧化制乙炔工艺生产乙炔，湿式电滤器作为该工艺的重要设备，其主要功能是将在乙炔炉中发生部分氧化反应后生成的裂化气中的炭黑粉尘进行清除。这部分裂化气中炭黑含量约1.9g/m3，除尘后裂化气中的炭黑含量为3～5mg/m3，裂化气最后在冷却塔中经过再次洗涤和冷却后被送往下游装置[1]。裂化气中的炭黑粉尘如果不能有效除去，不仅会导致下游装置生产无法运行而且会对工艺管道、阀门和仪表、仪分等系统的采样管形成严重堵塞，危及整条生产线的长周期稳定运行，因此，湿式电滤器是天然气部分氧化制乙炔工艺中极其重要的设备。

1 湿式电滤器的工作原理

乙炔炉中经部分氧化反应后生成的混合气体一般称为裂化气，裂化气在乙炔炉内被三环淬火水进行淬火、冷却和洗涤后进入到冷却塔下段进行第一次洗涤和再次冷却，此时粒径大于100μm的颗粒基本上已经被清除掉。由于水的表面张力，粒径小于100μm的微粒已很难用水清洗掉。因此，湿式电滤器中除去炭黑颗粒的实际粒径范围一般在0.01～100μm。

整个除尘过程如图1所示[2]：电晕丝（称为丝极）通电后，其表面被一层薄薄的淡蓝色电子晕所包围，形成高速电子流，这些高速电子不断碰撞周围被雾化软水饱和后的气体分子和炭黑颗粒，气体分子被撞击后失去外围的电子而变成正电荷团。在强大的电场力作用下，这些正电荷团向电晕丝快速运动，运动过程中如与炭黑颗粒碰撞，那么炭黑颗粒将被吸附到电晕丝上形成阴极垢；而被电子碰撞后的炭黑则成为负电荷团，由于电晕丝周围的电场是非均匀电场，所以在电场力的作用下这些负电荷团就向沉淀极（称为板极）方向做加速运动，迅速移向沉淀电极，通常把炭黑颗粒与电晕丝放出的电子及空间负电荷团结合的过程称为“荷电”。荷电后的炭黑颗粒在非均匀电场中做变加速运动，其到达沉淀极的时间还要取决于裂化气的风速，只要其小于裂化气在极板内的停留时间即可达到除尘目的。定向移动的时间不仅和炭黑颗粒的质量、电荷有关系而且与二次电压也有关系，它随着二次电压的升高而缩短。带电炭黑颗粒在电场力作用下靠运动惯性粘附到沉淀极板上，并被极板上的正电荷中和。同时也有少量尘粒移向丝极，这是因为电晕区内正离子到电晕丝的距离很短、尘粒与正离子碰撞数目少所致，因而造成荷正电的尘粒被吸附在丝极上。电滤器采用连续喷雾水和间断冲水方式进行清灰，连续喷雾水使极板表面始终保持一层水膜，通过水膜在重力作用下流动从而带走粘附在极板上的炭黑颗粒，在电滤器顶部设置的间断冲水装置则能使电晕丝得到定期清理。

图1 电除尘器工作原理示意图

2 湿式电滤器的运行情况

2.1 运行情况

天然气部分氧化制乙炔工艺的反应机理相当复杂，在生成乙炔的同时也产生了大量副产物，其中1t乙炔副产炭黑约42kg，裂化气中炭黑含量为1.9g/m3。裂化气先经过乙炔炉三环淬火水和冷却塔底段炭黑水洗涤后炭黑含量为1.6g/m3，流量12400m3/h（100%负荷）的裂化气再经过湿式电滤器进行除尘。生产中要求必须将裂化气中的炭黑含量从1.9g/m3降到3～5mg/m3，此时的炭黑含量对下游的工艺运行才不会造成较大的负面影响。电滤器顶部采用工业软水作连续雾化冲洗水，底部冲洗水和间断冲洗水均采用工业循环水。绝缘子夹套用0.38MPa蒸汽作为加热蒸汽，保持绝缘子夹套内壁绝对干燥。电滤器每运行四天则停运间断冲洗一次，冲洗时间约为30min，在停运冲洗期间采用工业气体作为下部瓷瓶的吹扫气，以防止瓷瓶表面积尘后放电。

电滤器处理的裂化气组分和炭黑的物化性质分别如表1和表2所示。

表1 裂化气组分

表2 炭黑物性及处理情况

2.2 湿式电滤器的性能参数

湿式电滤器的结构示意图如图2所。

图2 湿式电滤器的结构示意图

湿式电滤器的性能参数如下表3所。

表3 湿式电滤器的性能参数

3 湿式电滤器运行中的问题及改进措施

3.1 工艺方面的问题及改进

3.1.1 电滤器进口管线积灰严重

在冷却塔底部洗涤后的裂化气进入电滤器时，由于裂化气中含水量已经饱和，使得炭黑颗粒碰撞后更易聚集成为大的尘粒，在重力作用下便沉积在水平管道中，随着运行时间的增长积灰会加剧，并影响到气流的正常流动，导致乙炔炉出口压力上升，影响乙炔炉长周期运行。

改进措施：在电滤器进口水平管上加装冲洗水装置，通过试验证明这股冲洗水水量控制在15m3/h时能有效冲洗管道中沉积的炭黑，消除了此前炭黑在此管道中沉积引起的非计划停车检修现象。过去，最多运行2个月管道就充满了大量的炭黑灰，而现在可持续运行6个月。

3.1.2 水封槽积灰严重

在运行过程中电滤器内部冲洗下来的炭黑随同冲洗水一起经由收集槽通过水封后排放到系统外，由于炭黑灰的比重较水轻，冲洗水量较小时无法完全带走炭黑，且在水封的出口弯头处会慢慢堆积，从而堵塞水封溢流口，这时，大量的炭黑和冲洗水的混合物就会在电滤器底部沉积下来，影响乙炔炉的系统压力和电滤器的正常运行。

改进措施：增设电滤器水封出口管线冲洗水、水封底部到冲洗水收集总管直排管线、水封底部直排阀，并对水封及出口管线进行定期冲洗排放；将电滤器底部冲洗水量控制在7～10m3/h，将喷嘴与底板的夹角调整到30～45°，保证其冲洗效果，改进后已经彻底消除了水封及出口管线的堵塞现象。

3.1.3 绝缘子夹套蒸汽故障

在运行过程中蒸汽总管压力波动或者蒸汽管网故障，会造成绝缘子夹套蒸汽受到影响，绝缘子箱内温度就可能低于设计值（正常温度为100℃）。裂化气中的水分会在绝缘子表面结露，会使瓷瓶受潮而放电破裂。检修后投运电滤器前没有提前将蒸汽投运也会出现同样问题。

改进措施：将绝缘子夹套温度引入DCS进行监控，设置低温报警信号，一旦发现温度降低，立即降低电压或停运电滤器，待正常后再行恢复。在检修过程中加热蒸汽一般情况下不能关闭，如果关闭则必须在进行电滤器空载试验前3h投运正常。日常运行过程中注意检查加热蒸汽及蒸汽疏水器的运行情况，保障绝缘子的安全运行。

3.1.4 极板表面水膜分布不均

由于运行时间过长，极板表面出现锈蚀、垂直度降低、污垢堆积和表面光洁度降低都会导致表面的水膜分布不均，除尘效率下降。而且由于间断冲洗水是由上自下进行冲洗，极板高度过高会使冲洗水对极板和电晕丝下端的冲洗效果明显降低，这样会使其下端积灰严重，同样会使除尘效率下降。

改进措施：在检修时彻底地清洗所有极板和电晕丝上的积垢，保持极板表面平整；另外，在极板底部安装由下而上的间断冲洗喷嘴，对极板底部和电晕丝底部进行自下而上的冲洗，保持极板、丝极的上部和下部都能得到清洗，减少积垢；而且在检修时要检测其锈蚀情况，对于因运行时间过久，锈蚀严重的极板进行及时更换，保证极板表面水膜分布的均匀性。

3.1.5 电滤器上部的连续冲洗水和间断冲洗水出现水滴状或线流状

由于顶部的连续冲洗水喷嘴脱落、喷嘴与水管连接处泄漏严重、水管锈蚀穿孔、间断冲洗水阀门未关严等都会导致连续冲洗水或间断冲洗水成线状或滴状流入除尘室，引起电场频繁闪络，甚至无法运行。

改进措施：将电滤器的连续冲洗水喷嘴、间断冲洗水喷嘴以及相连接的管道均改用不锈钢材质；在检修时必须做好腐蚀检查；牢固安装喷嘴；喷嘴安装后要进行喷洒试验检查喷洒效果；每次使用过间断冲洗水阀门后必须关严该阀门防止水流形成导电后放电。

3.1.6 喷嘴堵塞致使连续冲洗水量低

连续冲洗水量降低，会导致极板上的连续水膜难以形成，甚至部分极板表面或局部没有水膜的现象，使除尘效率下降。

改进措施：改善连续冲洗水水质，使用工业软水作连续冲洗水；而且在连续冲洗水总管上设置过滤器，进一步保证其水质清洁；定期对冲洗水总管、过滤器、喷嘴进行冲洗除垢。

3.2 本体设备内件方面的问题

3.2.1 电晕丝击断影响电滤器长周期运行

在制作电晕丝的过程中采取冷态强拉的方式进行拉直处理提升了其塑性而降低了韧性，从而降低了丝极的机械强度；或电晕丝松紧不均、个别电晕丝负荷过大、电晕线安装不到位而偏离极板中心、积灰过多，都会使电场频繁闪络，此时电晕丝易被击断。电晕丝击断后掉在两极板之间会形成两极间短路，导致电滤器无法运行[3]。

改进措施：保证丝极与板极的极间距，将电晕丝的直径从1.6mm增大至2.3mm来增加其强度，材质由NiCr改为Cr20Ni30。电晕丝在厂家卷成圆圈后在现场进行冷态拉直处理的方式，破坏了丝极的金相，缩短了丝极的使用寿命，而在厂家直接进行退火拉直处理并裁断成型后，运抵现场直接进行电晕丝组装的方式，能有效保证其机械性能和极丝垂直均匀性。

3.2.2 电晕丝的挂钩断脱

电晕线以“C”型挂钩作为连接部件悬挂在上导架上，由于挂钩的机械强度达不到、长期的锈蚀和电腐蚀以及间断冲洗时引水太猛都会导致挂钩断脱。一旦挂钩断脱，电晕丝同样会在两级间形成短路，导致电滤器无法运行。

改进措施：采用钩体与丝极直接相连接不通过保护导管的钩件，直接挂在导架扁钢对应孔上，这种方式取消了保护导管这一复杂的连接部件，大大降低了连接部件出现故障的机率，保证电滤器长周期运行[4]。

3.2.3 绝缘子瓷瓶裂损

由于绝缘子机械性能不过关，承受不了上下导架的拉力，会出现裂损；绝缘子温度控制不合理，温度偏低或剧烈变化，也会使绝缘子裂损，每次停运电滤器进行间断冲洗时吹扫气量过小，导致绝缘子表面积垢过多，形成一层保护层，从而使绝缘子金属连杆受潮放电而产生裂损。最终结果是电场接地，电滤器无法运行。

改进措施：做好绝缘子机械性能的检查；在电滤器停运冲洗时将吹扫气量提高到300m3/h，彻底消除电滤器在间断冲洗时绝缘子表面积垢的问题[5]。

3.2.4 供电控制方式及监控方式

电滤器的控制方式一般采用两种，分为高压恒压源和高压恒流源。采用恒压源的供电控制方式，放电停车机率大，除尘效率低，过去国内外一般都采用PLC系统及盘装仪表进行电滤器的监控，监控盘一般都远离操作人员的DCS操作台，每次操作都必需离开DCS操作台到电滤器的监控盘前才能对其进行检查操控，操作不便而且监控也不及时。

改进措施：在供电控制方式上选用高压恒流源控制。恒流源可以快速升、降电压，工作电压始终接近击穿，放电时不会很快断电，从而获得最优的除尘效率。在监控方式上将PLC控制方式改为DCS控制方式，不仅操作方便，而且还能对其设置过压、超氧、过流、放电等报警信号，能适时有效地对电滤器的运行情况进行全面监控，发现问题提前处理，防止事故的进一步扩大。

4 结语

结合湿式电滤器在天然气部分氧化制乙炔工艺中的应用情况，对其进行的工艺、电气等方面的改进措施均在生产实际中得到了验证，电滤器的长周期稳定运行情况得到了明显改善、设备故障率大大降低，不仅为天然气乙炔装置的长周期稳定运行打下了坚实的基础而且也大大减少了设备检维修费用的支出。

[1]夏顶，杨朝富.天然气制乙炔工艺简介[J].中国氯碱, 2005,(4):18-22.

[2]唐国山.工业电除尘器应用技术[M].北京:化学工业出版社，2006.

[3]何银虎.最新除尘设备安装运行调试、故障处理与检修维护及应用选型综合技术手册[M].长春:吉林电子出版社,2005.

[4]米钰林,谢小强,高建兵,等.一种湿式电除尘器的极丝连接方式[P].CN:202803411U,2013.

[5]米钰林,郑岩,王峰,等.一种湿式电除尘器高压瓷瓶的吹扫装置[P].CN:202933784U,2013.

Application and modification of electrofilter in a natural gas-based acetylene plant

WANG Feng1,2
(1.School of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2.Sinopec Sichuan Vinylon Works,Chongqing 401254,China)

This paper introduced the existed problems in the application of the wet electrofilter in the plant of partial oxidation of natural gas to acetylene,analyzed the reasons based on the working principle and put forward some modifying measures to improve the stability of the equipment.

electrofilter;principle;carbon black;modification;effect

电滤器；原理；炭黑；改进措施；成效

TQ028；TQ221.242

B

1001-9219(2016）02-71-04

2015-12-25;作者简介：王峰(1979-)，男，工程师，工学学士，电话023-68974615、15923111691，电邮21189548@qq.com。