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高温废气过滤设备保证了IGCC发电站的可靠操作和运转

Steffen Heidenreich（Pall Schumacher有限公司）和Carlo Wolters（Nuon Power Buggenum BV公司）对位于荷兰Buggenum的Nuon Power IGCC煤气化工厂陶瓷高温废气过滤单元的操作性能进行了长期的讨论和相关的报道。本文介绍了陶瓷过滤系统如何在整体煤气化联合循环（IGCC）工厂中发挥作用。

煤是现阶段用于发电的主要的一级能源之一，并且在可预见的将来仍是主要的能源。从上个世纪九十年代开始，陆续开发出了一系列先进的煤燃烧电力系统，这些系统不仅仅提高了燃烧效率，同时也在控制环境污染方面有了很大改善。这些高效率清洁的技术中的一个典型代表就是整体煤气化联合循环（IGCC）工艺。

1994年，在荷兰的Buggenum建成了世界最大的煤气化工厂，用于支持一个253MW的整体煤气化联合循环（IGCC）发电厂的运转，并于同年投入运行。在3年的试运行以后，从1998年1月开始，设备已经开始彻底投入商业发电运营。从2001年9月开始，设备归Nuon公司占有和操作。

废气清洁处理设备的关键部分是陶瓷高温废气过滤系统。下面的文章将对陶瓷过滤系统的长期性能进行讨论，并解释这套系统为什么能够在整体煤气化联合循环（IGCC）工厂中发挥关键作用。

整体煤气化联合循环（IGCC）工艺

Nuon整体煤气化联合循环（IGCC）发电设备采用由壳牌公司开发出的工艺。磨碎的煤粉在1500oC和28bar的压强下通过纯氧实现气化。合成气（以煤为原料制成的CO和H2的混合物）随后通过一个气体冷却装置进行清洁，气体中的热量同时转化成水蒸气。水蒸气可以应用于推动蒸汽涡轮机。较大的气体中的固体颗粒通过吸尘器搜集起来重新进行气化。较小的固体颗粒在接下来的陶瓷高温废气过滤系统中从混合气中除去。一些气体污染物，例如氯仿等在湿气清洁工艺中除去。在脱硫工艺后，气体已经饱和了水蒸气，然后加入气体涡轮机中进行燃烧。

高温废气过滤设备

陶瓷高温废气过滤设备由Pall Schumacher公司设计，生产和进一步开发，该公司与壳牌全球公司有着密切的合作。过滤装置配备了多于800个Dia-Schumalith陶瓷过滤芯。陶瓷过滤芯按组排列。过滤设备的操作温度在250～285oC之间，压力控制在26bar左右。

高温废气过滤设备的每一组过滤芯的上面都有一个文丘里管（一种流体流量测定装置），用于增强后座压力。文丘里管的设计通过一个回转脉冲增强了一组中所有过滤芯的同步清洁能力，可以减少所需的喷射脉冲阀门的数目。

陶瓷Dia-Schumalith过滤设备是由陶瓷和金刚砂粘合而成的。大孔的金刚砂晶格做为一个坚硬，稳定的结构用以做为薄膜的支撑，薄膜是真正起到过滤作用的部分。薄膜由多铝红柱石颗粒组成，厚度为100~200μm，孔径大约为10μm。

自从1994年投入使用以来，由于技术上的进展，Pall 且设定时间小于最小塑化时间Schumacher已经改变了所应用的过滤芯的类型。大多数重要的技术改造在1997年完成，当时，公司将Dia-Schumalith F-40过滤芯（由陶瓷纤维组成的薄膜）替换成Dia-Schumalith 过滤芯（由陶瓷颗粒组成的薄膜）。

技术改造的主要目的是改善了过滤的效率，因为薄膜孔径的尺寸从15μm减小到了10μm，同时由于使用了更光滑的表面和更薄的过滤芯壁（从15mm减小到10mm），使得过滤设备的清洁能力更好。由于Dia-Schumalith 的底部更长，剩余的压强降低也被也可进行曲折腐蚀实验显著的缩减了。

性能数据

对从1997年以来的操作性能数据做了如下总结，包括Nuon发电站的气化以及过滤运行时间。运行时间被定义为整体煤气化联合循环（IGCC）设备中的气化/合成气冷却/高温废气过滤等部分为了防止过热以及必需的维护工作所需的两次停车之间的时间。

第一次运行和第二次运行对应新的设备，该设备在之前的任何一次运行中都没有使用过，但是在第三次运行中，所有安装的设备都在前两次运行中使用过。对于第四次运行来说，主要的过滤设备已经在第一次运行中工作了超过10555小时。

第三次运行中开始的过滤设备阻抗相对比较高（0.7）是因为在第二次运行中使用过的重新安装的过滤设备，而在第三次运行之前的重新安装过程中没有进行清洗。同时，第四次运行的过滤设备的初始阻抗比较小（0.4）是由于在重新安装之前，83％的过滤设备都下进行了清洗，同时另外17％的过滤设备都是之前从未用过的新设备。

在第三次运行中，过滤设备的暴露时间超过了13700个小时，而在第四次运行时，大多数的过滤设备的暴露时间已经超过了25000小时。通过比较前三次运行，同时考虑每个月高温废气过滤设备能够工作的时间，可以发现平均增长率超过了21％，这个增长率可以代表高温废气过滤设备操作可靠性改善的效率。

一些特定的设备在Pall Schumacher的实验室里进行检测，这也是与Nuon发电站对已经使用过的过滤设备进行常规检查的协议的一部分。被检查的部分主要限于压强降低以及O形环的强度，另外还有暴露破坏性四点弯曲测试，TOF检测以及清洁工艺，和扫描隧道电子显微镜（SEM）检测。

通过各种不同测试的结果，我们可以得到以下的结论。即使在长时间的暴露在合成气的环境下，被检测的过滤设备的性能与新的未使用过的设备依然相差无几。

已经有清楚的证据可以证明薄膜的效率。扫描隧道电子显微镜（SEM）分析显示灰尘微粒被截留在膜的顶层，同时支撑的框架对灰尘不起截留作用。

各项同性的过滤性能

为了对高温废气过滤单元以及陶瓷过滤芯的性能酒店作出评价，Nuon发电站采用了一种特殊的性能参数“过滤阻抗系数”。这个系数是由相关的过滤设备的不同压强差，系统的压强和温度以及气体流动性质决定的一个无单位的数字。为了计算过特别是热处理可强化铝合金厚板滤阻抗系数，相应的系统数据需要从工艺中不同的检测点得到，并进行比较来得到有价值的数据。

对于新的陶瓷过滤芯来说，过滤阻抗系数为0.4。在操作过程中，过滤阻抗系数通常在0.6～0.8之间浮动。当过滤阻抗系数超过0.9达到一定时间时，可以作为停止生产继续进行的一个标准，必须进行相应的更换或清洗维护。

过滤阻抗系数同样依赖于使用的原料煤的类型以及合成气的体积。合成气体积的增加通常会导致过滤设备的ΔP的增加，但是不一定导致过滤阻抗系数的增加。这种联系显示了2002年5月10日～17日之间不同的压强，阻抗系数以及合成气体积的测量数据。

合成气体积的变化主要时由于Nuon发电站采用的是商业化的整体煤气化联合循环（IGCC）设备，因此为了满足顾客对于电力的需求，必须周期性地增加或减少气化的总量以及合成气的总量。在这些参数变化的过程中，高温废气的过滤阻抗系数的期望数值在0.6～0.8之间，即使在合成气的含量很高的情况下也是如此，例如接近100％的气体质量流量。

在高温废气过滤设备的运行期间，为了得到过滤阻抗系数而输入的数据需要每两分钟测量并计算一次。对于长期的过滤设备的性能而言，比较典型的情况是过滤阻抗系数在开始投入一次新的使用的前几个月之间迅速达到0.6～0.8之间，在达到这个数值之后开始趋于稳定。

对于高温废气过滤设备的长期操作来说，在合成气的容量达到满负荷的条件下，两个关键的参数，包括压强差以及过滤设备阻抗不超过上面给金属栏杆定的区间是非常重要的，因为这种满负荷的条件有可能在运行过程中的任何时候出现。

这种要求可以通过连接一个强有力的，设计精密的文丘里管后座力系统以及高性能的Dia-Schumalith过滤系统薄膜来达到。

在2001年，Nuon发电站开始对生物分子以及煤进行联合气化处理。生轻涂纸物分子的量在2003年达到总质量的30％。通过加料工艺的逐渐改变，高温废气过滤设备不需要进行测量就可

以稳定的运行。

结论

过滤设备在过去的7年中的运行非常成功，总工作时间超过35000小时，在清洁的气体一侧没有检测到任何灰尘，也没有陶瓷过滤芯发生堵塞。

陶瓷过滤芯的预期工作寿命很长。目前安装的过滤芯的工作时间已经超过了25000小时。因此，过滤芯的工作寿命以及明显的压强发展满足了Nuon发电站对于过滤设备两年无间断运行的要求。不再需要每年一次的过滤设备检查，因此整个过滤设备的实用性得到了大幅度的提高。根据Nuon发电站的报道，整体煤气化联合循环（IGCC）的工作能力已经从2000年的每年工作4500小时增加到2003年的6400小时。在2004活化液年，Nuon发电站预期设备的工作能力能够达到7000小时。在2003年的第一部分，总共的整体煤气化联合循环（IGCC）发电站可利用率达到了94％，意外的停车只有0.2％。在气化/合成气冷却/高温废气过滤设备连续运转的最长时间报告出现在第四次运行中，达到了2675小时，也就是连续运转时间超过了3个半月。

根据高温废气过滤设备的性能数据，Nuon发电站正在寻找新的方法来延长运行时间并准备在2005年将联合气化处理中的生物物质含量从占总质量的30％提高到50％。

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