压滤机在五环炉装置澄清系统中的应用研究

万国鹏

(河南龙宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称“龙宇煤化工”)二期40万t/a醋酸项目,采用两套五环炉装置提供合成气。五环炉装置是以干煤粉进料的气流床加压气化技术,合成气所携带的飞灰量不但较大,而且灰颗粒粒径较小,因而湿法除灰系统所形成的灰水中灰分含量比较高。由于灰水中所含灰的粒度较细,为了达到较好的絮凝沉降效果,需要在澄清槽处加入适量的絮凝剂,但絮凝剂的加入会造成灰浆的黏性增大,为了更好地分离灰浆,保证澄清系统稳定运行,龙宇煤化工通过对各分离设备进行考察研究后,最终选择压滤机作为澄清系统灰浆处理的分离设备。自压滤机在五环炉澄清系统中应用以来,出现了许多问题,影响了装置稳定运行。

1 五环炉装置澄清系统工艺流程

由于五环炉装置所使用的原料为煤粉(经磨煤机磨制成大部分粒径≤90μm),在气化炉内发生部分氧化还原反应,在生成粗合成气的同时,也产生大量粒径更细的飞灰,在湿洗系统中对其进行洗涤降温、除去飞灰,洗涤过的灰水送往闪蒸系统。熔融的液态渣顺着气化炉水冷壁流进渣池,同时伴随着一部分未反应的煤粉,大颗粒的渣通过渣锁斗系统排至捞渣机,由捞渣机捞出后通过长皮带送往渣场。在渣水中,残余的细渣及未反应的粉煤颗粒悬浮物由细渣浆排出泵送至澄清单元。来自闪蒸系统的灰水和来自除渣系统水力旋流器的渣沫及细渣浆一并进入澄清槽,由于飞灰粒径较细,不容易在澄清槽中沉降分离,必须加入絮凝剂,加速固体颗粒的聚集和沉降,溢流出的澄清水进入灰水槽。澄清水经高压灰水泵送往除渣系统,经低压灰水泵主要送往除渣系统、除氧器及水处理系统等。沉降下来的固含量约为10%的灰浆经澄清槽底流泵输送到灰浆贮槽,经压滤泵送到压滤机,利用压滤机把灰浆进行固液分离,分离后的滤饼(含水在40%以下)输送到下方车辆运往界外,液相中固体悬浮物含量小于1%,被收集的滤液进入滤液槽后,经滤液泵输送至澄清槽处理后回收利用,澄清系统流程见图1。

图1 澄清系统注:1—澄清槽;2—灰水槽;3—压滤机;4—滤液槽;5—灰浆贮槽;6—灰水泵;7—澄清槽底流泵;8——滤液泵;9—压滤泵;10—滤饼皮带

2 压滤机存在的问题及对策

2.1 压滤机的工作原理

压滤机是利用滤布两侧压力差,迫使物料中的绝大部分水分通过滤布流出机体外,而物料被阻隔在滤室内形成滤饼,以达到过滤的目的。在过滤过程中滤布两侧存在着较大的压力差,提高了过滤速度,同时降低了滤饼的含水率,由于采用了特制的滤布,使得滤液含固量更低,过滤效果比真空过滤机要好得多。

压滤机即使在处理像飞灰那样粒度较细、黏性较大、难过滤、难脱离的物料时,依然有良好的过滤效果,且易于作防腐处理。压滤机结构简单、操作方便、价格比其他过滤设备低,具有物料适应性好、应用范围广等优点,结构示意见图2。

图2 压滤机结构示意注:1—止推板;2—滤板;3—拉板小车;4—横梁;5—压紧板;6—连轮;7—油缸;8—液压站;9—电控箱;10—压力表

压滤机工作原理。工作前把滤布按照要求安装在滤板上,然后启动压滤机,驱动压紧板,将压紧板紧紧地压紧滤板。启动压滤泵,将物料通过进料口输入压滤机,物料通过滤板上的通道进入滤室,在进料泵压力的作用下,清澈的滤液透过滤布进入滤板上密布的圆点式滤面,再通过滤板上的通道进入出液口,汇集后由出液口流出,而滤饼被截留在滤室中,直至滤饼充满滤室,然后停止压滤泵,松开压紧板,再将滤板一块一块地拉往压紧板方向,卸掉滤室内的滤饼,再重新进入下一个工作循环,操作流程见图3。

图3 压滤机操作流程

2.2 压滤机选型技术要求

(1)两套五环炉装置所用煤质参数:所用原煤灰分Aad(空气干燥基)为18%～20%;气化炉所用煤粉煤质要求如下 :煤粉水分含量<2%;煤粉粒径≥90 μm,≤10%;≥5 μm,≥90%。

(2)目前,龙宇煤化工的两台五环炉装置满负荷运行,需要处理的两个系列澄清槽灰浆量共计100 m3/h左右,固含量约10%～16%;根据气化装置所使用的煤质情况,考虑到压滤机长周期运行后满足设备需要检修、维护的要求,决定选用两套500 m2压滤机确保满足五环炉装置生产需要。在人员操作方面,为了减少人员劳动强度,要求通过 PLC 控制实现自动进料、卸料等操作,减少人员手动参与。

(3)压滤机设备重要设计参数见表1。

表1 压滤机主要设备参数

2.3 压滤机在运行中出现的问题及处理措施

自2021年5月压滤机在五环炉澄清系统中运行以来,整体运行稳定,滤饼含水率在40%以内,周围环境卫生易于处理,满足两套五环炉装置灰浆处理的需要;滤液含固量较低,回收至澄清槽,对澄清系统处理负荷影响较小。但经过长周期运行后,还是出现了一些问题,影响其稳定运行。

2.3.1压滤泵内部磨损问题

由于进入压滤泵的灰浆中含有飞灰颗粒、质地坚硬且浓度较高,为了达到压滤机较好的过滤效果,使过滤后的滤饼含水率满足后续使用要求,就需要压滤泵出口压力达到0.6MPa以上;特别是在压滤机进料后期,压滤泵出口压力较高,而叶轮在高固含量的灰浆中高速旋转,进一步加剧了压滤泵内部的磨损。仅仅运行2个月,压滤泵就出现噪音、振动明显增大,压滤泵U形平衡管和蜗壳经常出现漏点,出口压力下降,流量无法满足生产要求。经过拆检发现,压滤泵蜗壳、叶轮磨损严重,蜗壳由12 mm磨损至不足1 mm,局部已磨透,整个叶轮几乎完全磨掉。

2.3.2解决措施

为了解决泵磨损问题,保证压滤泵能够长周期稳定供料,采取了以下措施。

(1)更换泵材。原压滤泵材质选择不对,之前压滤泵蜗壳为铸铁,叶轮为普通碳钢。从目前运行情况来看,铸铁耐磨程度远远不能适应此种物料,在很短的时间内,泵内过流部件就出现了磨坏无法运行的情况。为了保证压滤泵能够满足长周期运行,必须对其材质进行升级,把压滤泵的叶轮和泵壳全部更换为双相钢材质,增加其耐磨性,延长泵的运行周期,满足压滤机所需要的压力和流量。

(2)优化工艺操作流程。在滤饼能够满足要求的情况下,压力尽量控制低一些,减少其在高压下的运行时间。经过长时间操作,摸索出操作经验,从目前压滤机运行情况来看,压滤机进口压力在0.5 MPa时,所压出的滤饼水含量基本能够满足要求。所以,操作人员根据现场每次卸出的滤饼情况及时调整进料压力。

(3)在联锁设计上进一步做好优化调整。之前压滤机准备卸料时,打开压滤泵回流阀,关闭进料阀开始卸料,压滤泵保持正常运行,这样就增加了泵运行时间,势必增加泵的磨损。为了降低泵长时间运行对其带来的磨损,把压滤机卸料与压滤泵启停进行联锁控制,调整为当压滤机进料阀关闭时,现场压滤泵停止运行,然后下料顺控开始执行泄压、卸料程序;当压滤机压紧、打开进料阀后,程序启动压滤泵,压滤机开始进料工作。

2.4 皮带漏泥、托辊断裂的问题

压滤机置于高度为1 200 mm的输送皮带上,卸下来的滤饼通过输送皮带转移至贮存场地,由于皮带经常出现漏料、皮带下面支撑托辊断裂等问题,导致周围撒落的滤饼较多,若不及时清理,滤饼存积到一定高度或者掉进皮带非工作面,就会影响皮带运行,甚至使皮带负荷过高而停止运转,造成压滤机无法正常工作下料,澄清槽灰浆就不能及时正常处理,致使澄清系统灰水水质指标偏高,给装置生产造成影响。

2.4.1输送皮带漏滤饼的问题

原来输送皮带设计的长宽为11 035 mm×1 600 mm,皮带水平置于托辊之上,两侧增加护板,防止卸料时滤饼溅出,由于皮带护板与皮带间隙较宽,每次卸料时,大量的滤饼从间隙中冲出来,导致周围卫生较差,增加清理人员的劳动强度。

2.4.2输送皮带托辊断裂问题

由于压滤机距离皮带较远,为了缩短卸料时间,龙宇煤化工采用每次可拉3块滤饼的快开式压滤机,每块滤饼100 kg左右,相当于每次下料时大约300 kg的重物从1.2 m的空中落下,滤饼砸在皮带的瞬间,对皮带冲击较大,而原皮带托辊设计较细,长度为1 600 mm,直径为50 mm,下面皮带托辊数量也较少,共有10个,导致皮带支撑力不够,当整块滤饼掉落至皮带上面时,易造成皮带托辊断裂,同时周期性的下料对托辊轴承冲击力也比较大,轴承也经常因此而疲劳损坏;若托辊断裂后不及时更换,就会导致此处无支撑,皮带塌陷,进一步增大了皮带与护板的间隙,使漏泥量进一步增加。

2.4.3解决措施

鉴于压滤机下料时皮带漏泥量大,对周围环境卫生和人员劳动强度的影响,为避免皮带经常故障给压滤机运行造成严重后果,经过现场观察、查找原因,决定对现有输送皮带进行改造。

(1)原设计输送皮带为平面型,当压滤机下料时,滤饼受到皮带的反冲力使滤饼由大块破碎成小块,并沿皮带向四周崩出,由于速度较快且皮带为水平面,就会从护板与皮带间隙掉落于地面。为了避免皮带漏泥,现将皮带两侧增加向外倾斜30°坡度的侧托辊,对称布置,与水平支撑托辊为一组,使皮带有平面型改为U形,阻挡滤饼向四周扩散(见图4);并在前端增加胶皮条,缩短皮带与护板的间隙。改造后皮带无漏泥现象,改善了周围卫生,降低了人员清理掉落滤饼的额外工作量。

图4 皮带改造前后对比情况

(2)由于原皮带托辊数量少且直径较细,当滤饼落下来时抗冲击能力较弱,易于断裂;现将皮带下面增加支撑托辊组的数量,提高皮带单位长度内支撑点的数量,增强抗冲击能力;同时将φ50 mm的托辊更换为φ100 mm,增加托辊强度及受力接触面积,降低托辊单位面积的承载力与断裂的风险。改造后,托辊很少出现断裂和轴承损坏的现象,保证了皮带长周期、稳定运行,再无出现因皮带无法输送滤饼而影响压滤机运行的情况。

2.5 压滤机PLC卸料程序优化问题

原压滤机PLC卸料程序为压滤机泄压反吹后,执行退回程序时,翻板(主要用于接收正常运行时滤板泄漏的黑水,防止溅落在皮带及周围平台上)直接打开,而此时滤板之间物料通道内还存在大量未过滤的灰浆水,瞬间流到下面运行的皮带和周围平台上,造成滤饼贮存场内积存有大量黑水,使滤饼长时间侵泡在水中又变成了稀泥,增加了滤饼含水率,给滤饼使用单位造成一定的影响;撒在平台上的灰浆黏性大且湿滑,容易造成工作人员卸料操作时滑倒,特别是冬季,存在较大安全隐患。

为了排除以上不利因素,对其进行的整改措施如下:第一,积极和厂家沟通协调处理存在的问题,厂家安排专人负责修改、优化压滤机PLC卸料程序,使其更具操作性和实效性;现程序优化为:压滤机泄压反吹后,执行退回程序前,增加退回控水时间(时间设定根据现场实际存水量的大小),也就是滤板松开后,翻板继续保持关闭状态,收集滤板间物料通道内流下的灰浆和剩余的黑水,防止溅落到皮带和平台上;第二,优化工艺操作,增加压滤机泄压反吹时间,尽量将管线和进料通道内的存水通过回流管线进入滤液槽,防止滤板打开时溅落在皮带上,反吹时间根据现场回流管处流水量的大小而定。程序优化完成后,压滤机退回时皮带上漏水量较少,避免了贮泥场地内大量的积水,保证了滤饼使用效果。

2.6 滤布影响压滤机运行的问题

滤布作为压滤机运行中的核心部件,其使用效果的好坏决定了压滤机的过滤效率、使用周期和人员劳动强度等。滤布的选择至关重要,为了达到比较理想的过滤效果和速度,需根据物料的颗粒大小、密度、黏度、化学成分和过滤工艺条件(压力、温度)来进行选择。定期对滤布进行冲洗和周期性更换,来保证压滤机有较好的过滤效果和正常稳定运行。

压滤机在运行时经常出现因滤布堵、烂等问题,使压滤机过滤效率下降,出液口流黑水等影响装置生产;滤布使用时间短,经常更换滤布也增加了人员的劳动强度和检修费用,这也是影响压滤机稳定运行最常见的技术瓶颈。结合现场操作经验,总结得出滤布对其生产影响的问题及处理措施。

2.6.1滤布堵塞问题

正常情况下,龙宇煤化工2台压滤机处理2套五环炉装置澄清系统大约100 m3/h的灰浆水,随着运行时间延长,就会出现灰浆贮槽液位逐渐升高,加大压滤机负荷使其无法降低至正常液位,这就说明压滤机过滤效率逐渐降低,处理不完2套五环炉装置所产生的灰浆水。为了保证装置生产,被迫缩短过滤时间,结果使滤饼含水率增大。

经过研究分析滤饼和物料,发现滤布堵塞主要与所处理的物料有很大关系。具体原因如下:第一,由于运行经验不足,认为只要进料压力符合要求压滤机,就能稳定运行,忽略了灰浆中组分发生变化对压滤机的影响。当澄清槽水质发生变化,就会在澄清槽添加过量的絮凝剂来保证水质指标正常,絮凝剂随灰浆进入压滤机,由于絮凝剂分子量大、黏性较高,通过滤布过滤时,就会滞留在滤布孔隙中,久而久之,滤布出现堵塞;第二,操作人员对澄清槽水质关注度不够,由于灰水硬度较高,长时间使用也会出现滤布结垢的现象;第三,操作人员执行力不够,每次压滤机下料,滤饼出现较稀或者不成形时,也没有按照要求提高压力或延长压滤时间。在长时间不正常操作的运行下,以上原因最终造成滤布堵塞,使压滤机过滤效果下降。

为了减少滤布堵塞问题,延长压滤机滤布使用周期,龙宇煤化工主要采取以下措施。

(1)对澄清槽水质加强关注,加大水质分析频次,根据分析结果及时调整絮凝剂添加量,在保证水质指标的情况下,尽量降低絮凝剂添加量。

(2)要定期清洗、更换滤布,防止过量的絮凝剂黏附在滤布上,垢状物长期在滤布孔隙中积累,每月利用高压水枪冲洗滤布一次。

(3)稳定煤种,保证配比质量;确保煤种灰分变化小,加药稳定,保障压滤机进料物性波动不大。

(4)加强对压滤机日常操作和维护保养方面的管理,每次下料保证滤饼含水量和压滤压力正常,根据滤饼和压力情况及时调整下料时间。

2.6.2滤布破裂的问题及措施

压滤机运行一段时间后,发现滤布破裂的频次逐渐增加,导致出液口流黑水,使滤液水质变差;频繁更换增加人员的劳动强度,同时提高了生产成本。经过现场对滤布破裂的部位和形态进行排查,发现以下问题。

(1)滤布本身材质选型问题,由于处理灰浆量较大,为了保证压滤机处理负荷,选用通透性较好的滤布,而滤布的强度有所降低。

(2)由于来自闪蒸系统的物料水温较高,特别是五环炉装置运行到后期,灰水换热器出现换热效率下降,灰水水温最高接近70℃,使滤布耐热性与物料特性不匹配,降低了滤布的使用寿命。

(3)压滤泵出口压力过高,特别是当滤布长时间使用后,出现堵塞现象,高压差下易造成滤布出现撕烂的现象。

(4)澄清系统的澄清槽来水一部分来自除渣系统,而其渣水中含有呈现玻璃的小颗粒渣,这些小颗粒渣呈玻璃状,硬度较大且形状不规则,进入压滤机后,当卸料时未清理干净,压滤机再次压紧后,挤在压滤板中间,使滤布损坏。

针对以上问题,为避免滤布频繁出现撕烂的现象,采取了下列处理措施。

(1)选用过滤效率好、强度高、耐高温的滤布。

(2)保证灰水温度控制在正常范围内,每次检修都要对灰水换热器进行检查、清理,保证换热效果,降低灰水温度。

(3)定期冲洗、更换滤布,避免超期使用;在冲洗滤布时应仔细检查滤布是否有破损,进料孔、出液孔是否堵塞,以免造成压差高,导致滤布损坏。

(4)压滤机启动时,采取低压启动,不断增压进料,禁止超压进料。

(5)定期对排渣泵进口过滤器进行检查,保证滤网正常,防止因滤网损坏,造成渣水泵把小颗粒渣排至澄清槽的预混槽内。

(6)要求每班对预混槽导淋进行排放,排除沉积在预混槽底部大颗粒渣,降低澄清槽内颗粒状渣的含有量。

3 压滤机的日常操作和维护保养

为了更好地利用和管理压滤机,提高滤饼合格率,延长设备使用寿命,日常维护和保养压滤机是一个必不可少的环节。

(1)经常检查压滤机的各连接部件有无松动,并及时紧固调整。

(2)要经常清洗、更换压滤机的滤布,长时间不用时,应及时清理残余的灰浆,不能在板框上干结成块,以防止再次使用时漏料。经常清理水条和排水孔,保持畅通,防止堵塞。

(3)要经常更换压滤机的机油或液压油,对于转动部件要保持良好的润滑。

(4)做好运行记录,对设备的运转状况及所出现的问题记录备案,有故障应及时维修,禁止压滤机在故障状态下运行。

(5)进料压力必须控制在额定压力以下,根据滤饼形态及时调整压滤时间。

(6)及时清除拉板小车滑道上的堆积物,保持滑道干净,定期对拉板小车和轨道加润滑油,保证小车运动灵活。

4 结语

总结压滤机日常操作经验,研究压滤泵的磨损、皮带运行故障、滤布撕烂等设备常出现的问题,并制定出相应的处理措施,避免再次出现类似的问题,来延长压滤机的使用周期,确保压滤机在五环炉澄清系统中运行更加稳定和安全可靠;不仅解决了灰浆在五环炉澄清处理系统中难分离的问题,而且还为2套五环炉装置长周期、稳定运行奠定了基础。