某型燃气轮机发电机组Y型过滤器堵塞研究

摘要：某型燃气轮机发电机组燃烧焦炉煤气，煤气经净化处理后，机组的Y型过滤器仍3-5天堵塞，严重影响运行。通过检测分析Y型过滤器堵塞物的主要组成为钙、镁元素形成的盐类物质，分析堵塞物的形成原理，在原有净化工艺基础上制定了改进工艺。改进后，Y型过滤器的堵塞情况解决了，燃气轮机发电机组能够长期运行稳定。

关键词：燃气轮机发电机组;焦炉煤气;Y型过滤器;净化

1. 引言

焦炉煤气是焦化厂在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体， 是伴随煤炭炼焦过程产生的产品。焦炉煤气的主要成份为 H2 （ 55% ～ 59%），CH4（ 24% ～ 28%）， CO（ 5% ～ 8%） 以及少量其它成的气体物质， 其净比能约为16 700 ～ 18 000 kJ /m3（标准状况下） ， 是一种很好的气体燃料。燃气轮机发电机组能利用炼焦尾气发电，既可变废为宝，又节能环保。现大多数焦化厂已建立燃气轮机发电机组，但因焦炉煤气成分复杂，杂质成分多，尤其是焦油粉尘含量大，严重影响了燃气轮机发电机组的使用寿命，并增加了燃气增压机组的维护。为此，焦炉煤气在进入燃气轮机前都需要将焦炉煤气进行深度净化。

2. 项目情况介绍

某焦化企业采用某型燃气轮机发电机组建立自备电厂发电，该燃气轮机发电机组燃料系统进口处配有一Y型过滤器。该型燃机对于煤气的主要要求为：1）不含液态水;2）粉尘颗粒≤15μm为100%，≤10μm的颗粒大于99%，且质量含量小于20ppmm;3）焦油含量<2ppmm。另对于煤气中金属元素的含量要求也较为苛刻。

为了保证焦炉煤气能够满足该型燃气轮机发电机组燃用要求，设计了燃料净化系统。该净化系统的主要工艺流程是：

一级粗滤，通过一级净化设备的吸附及过滤，除去煤气中含有的大部分焦油、粉尘及其它大粒杂质。经煤气压缩冷却后，进一步脱除煤气中的水分杂质及有机物质;经二级净化设备深度吸附，进一步脱除煤气中的焦油、萘、H2S等杂质;三级为燃气净化成套装置具备三重分离效应，即：第一级重力沉降分离（预处理）、第二级内置式EII型高效旋风分离器（预处理20μm）及第三级高效气体过滤器（精处理5.0μm）。该设备针对含有粉尘及水等杂质的燃气工艺条件，处理效果较好，过滤效果好，容尘容油量高。最后经加热器加热，一般温升25℃-30℃ 以上确保煤气中不含液态水，进入燃气轮机。

该机组按此工艺投入运行后，燃机燃料系统的Y型过滤器经常堵塞，需停机清洗，严重影响机组的正常运行，给站厂带来极大的不便。

3. 现场取样分析

为了落实堵塞的原因，到现场取下Y型过滤器滤芯观察其内外部结构及颜色：滤芯为4层滤网及骨架，拦截的颗粒物非常细小，其内表面附着物颜色为棕色，轻轻敲击无颗粒物散落，用手摸内壁可带出脏东西，此物质用清水易洗干净，可以初步判定杂质基本不含油。

用配制的工业强碱溶液清洗滤芯，滤芯表面及内部可见明显的金属光泽。对工业强碱清洗溶液（称为NaOH溶液）和清洗后的废液（称为溶液（棕色））分别进行取样，送检测机构进行检测分析。将溶液（棕色）静置一段时间，用滤膜对溶液进行过滤分离。固体物质进行X射线衍射分析，分离后溶液（棕色）和强碱清洗溶液进行ICP检测分析。

固体颗粒物经X射线衍射分析主要是碳酸钙，有少量氢氧化钙及氢氧化镁，还有微量二氧化硅。由于分离出来的固体颗粒物量非常少，不能进行粒度分析。

強碱清洗溶液进行ICP检测分析

表1结果显示：清洗后废液和强碱溶液中主要含有Al、Ca、Mg、Si、Sr、Ti、Zn，对比清洗前后溶液可发现废液中主要增加了Ca、Mg、Sr（锶）三种金属元素。尤其是Ca、Mg元素增加较多。因强碱溶液本身主要是氢氧化钠， Na元素的含量非常高，超出ICP的检测范围，因此该报告不说明Na元素是否存在于堵塞物中。

根据上述两种检测结果，可以初步判定Y型过滤器堵塞杂质主要为含Ca、Mg元素的固体物质。

从物质的固、液、气三态分析，Ca、Mg元素在焦炉煤气中主要以固体粉尘或者液态离子存在（金属熔融蒸气的温度达几千度）。Ca、Mg以固态粉尘存在通常为碳酸钙、氢氧化镁，这些物质颗粒度一般在5～10微米，经过煤气精过滤器（其过滤精度5μm）能将其充分拦截;Ca、Mg以液态离子形式存在通常溶解在水中，而焦炉煤气中通常含饱和度非常高的水气，在增压、净化过程中能分离析出部分液态水（即排污液），大部分不会分离，这部分液态物经加热器加热后，原来溶解Ca、Mg的水变为气态进入煤气，Ca、Mg从液态物变为固态粉尘存在于煤气中。由于煤气量较大，加热器之后只有Y型过滤器没有其他过滤及拦截设备，所以后析出的Ca、Mg物质未经分离直接进入Y型过滤器，小颗粒的粉尘在此聚集造成Y型过滤器堵塞。

为证明上述观点，分别对一二三级净化器的排污液进行了取样化验，主要检测其中Ca、Mg两种元素，其含量都非常高（结果见表2），验证主要杂质是存在于水中。

4. 净化工艺改进

由于该电站位于河南，该地方水里含钙镁较高，在加热提高不饱和度的同时，原溶解于水里的钙镁元素均会析出。而在加热后的管路上只有Y型过滤器，该过滤器没有容尘量，小颗粒在此集聚极易堵塞。为了将加热形成的固体颗粒物，分离干净。在加热器后，增加一套精密过滤器。煤气由下端入口流进，经滤芯过滤后从上端出口流出，杂质被拦截在滤芯中，过滤精度为0.3～3微米，压差达到规定值，压差变送器报警，可切换直通球阀至另一侧过滤器继续工作，更换成套滤芯后可继续使用。过滤器初始压差0.01MPa，失效压差0.1MPa。该过滤器能有效地将焦炉煤气中的滴液、尘土、管垢和其它固体杂质滤出，以保护后续设备。过滤材料为进口不锈钢烧结毡，可多次清洗反复使用。过滤器为304不锈钢，耐腐蚀、抗冲刷、易于清洁;对3微米上的颗粒过滤效率99%以上;过滤器设计按国家压力容器GB150规范进行过滤器配有压差表及排污阀、放空阀。

净化工艺改进后，原Y型过滤器运行3-5天堵塞的情况解决了，Y型过滤器运行较长时间，均不见堵塞。为近一步落实净化工艺效果，对于煤气取样分析结果如下表3。

根据表3检测结果可以看出：

1） 从一级净化器至三级净化器Ca+ Mg的去除效率为46.4%;

2） 三级净化器至精过滤器Ca+ Mg的去除效率为71.9%;

3） 从一级净化器至三级净化器焦油+粉尘的去除效率为85.9%;

4） 三级净化器至精过滤器焦油+粉尘的去除效率为67.3%。

数据表明一至三级净化器能有效的去除煤气中的焦油、粉尘等粒径稍微大点的物质，而Ca+Mg等物质存在于液体和细小粉尘中，当气体加热后，液体气化，原来溶解在水里的Ca、Mg物质就会在水从液态变为气态的过程中从水里析出，以非常细小的固态粉尘存在于煤气中。而改进工艺新增的精过滤器的精度高达0.3-3微米，因此可以有效的拦截这些细小粉尘，解决Y型过滤器堵塞问题。

5. 结论

1） 经检测Y型过滤器堵塞物主要是钙、镁元素形成的物质。分析产生堵塞物的主要原因是煤气中存在不饱和水，在加热气化过程中，形成了细小的固态粉尘，在Y型过滤器处聚集，造成堵塞。

2） 改进工艺在加热器后，设置一精密过滤器，拦截因提高不饱和度产生的细小颗粒及粉尘，提高煤气品质，解决Y型过滤器堵塞问题。

参考文献

[1]杨建华，王永林，沈立嵩等，焦炉煤气净化[M]马鞍山.化学工业出版社，2005

[2]许世森，李春虎，郜时旺. 煤气净化技术[M] 化学工业出版社

[3] 高舰，刘建军，焦炉煤气发电技术分析[J]燃料与化工，2009

作者：魏冰霞，女，1984年1月出生，中南大学化学化工学院冶金物理化学性质研究生，株洲航发动科南方燃气轮机有限公司，邮编412002