[00699670]洁净煤重大装备自动振打除灰装置的研究与工业应用

任务来源与背景：研究任务来源于企业委托的技术开发，项目技术需求主要包括：2003年与湖北双环科技股份有限公司签订的《油改煤工程振打装置》供货合同及《自动振打除灰系统工程》技术协议，2004年与柳州化工股份有限公司签订的《合成氨改造工程敲击装置》供货合同，2005年与河南开祥化工有限公司签订的《气化关键设备敲击装置开发研究》技术开发(委托)合同，2009年与华能(天津)煤气化发电有限公司签订的《华能绿色煤电天津IGCC电站工程气化炉敲击除灰装置》设备采购合同。作为洁净煤技术重要代表之一的“煤气化技术”，主要是将固体燃料转化为气态产物后再加利用，以充分体现煤炭资源利用价值，提高煤炭资源综合利用率，减少用煤过程中的污染物排放。技术原理及性能指标：在煤气化工艺中，气化炉的激冷管、气体返回室和合成气冷却器的筒型膜式壁、蒸发器段等传热面极容易积灰，从而大大降低了传热效率和导致气化炉出口温度大幅升高；根据整个气化炉系统的安全性要求，当气化炉出口温度大于350℃时，整个系统将会自动停车停产。性能指标：1.通过对机械振打器在煤气化炉上敲击点的合理布置，激起积灰壁面最大的振动模态与声波的耦合，达到最佳除灰效果；2.机械振打器密封气体内泄漏量不大于5g/min；3.炉内气体通过自动振打除灰装置向外泄露量为0；4.机械振打器振打力的传递效率不小于90%；5.系统具有接受DCS指令或直接操作启动键功能，振打装置依设计程序进行动作；6.系统具有接受DCS指令或直接面板操作停止键时立即退出运行功能；7.系统可接受DCS指令或直接对任意一台机械振打器进行操作；8.具有操作面板上直接修改振打参变量功能，修改变量包括：8.1单台每次循环振打次数；8.2单台振打器二次振打间隔时间；8.3任意两台振打器之间振打间隔时间；8.4根据介质出口温度自动调节振打频率。9.现场控制柜要求：防水型，符合IP33标准；10.电气连接要求：防爆，符合ExdIIT5、T6标准；11.控制柜到气缸连接气管敷设长度要求：小于25m。技术创造性与先进性：①创造性1.建立了水冷壁及蒸发器等声-固耦合模型，对其进行了模态分析及谐响应分析以及在冲击载荷下的动力学响应，获得了声-固耦合系统的固有模态及共振响应，以及在冲击载荷下加速度、声压及应力响应的基本规律，为机械振打器布局和机械振打除灰性能分析提供了理论依据，对敲击点的位置布局进行了优化，提高了敲击除灰效率。2.振打执行机构的创新性设计，将振打执行部件大幅往复运动转化为活塞杆处承受撞击时的微小位移，大大降低了高温高压工况下危险气体动态密封的难度。3.特殊设计的密封沟槽与密封圈的多级密封组合以及氮气保护设施，提高了对危险气体外漏密封的可靠性，同时降低了往复密封过程中密封所造成的功率损耗。双向密封结构大大减少了气体内部泄露，减少了设备腐蚀、延长了设备的使用寿命，避免了密封气体对工作介质的污染。4.控制系统由中控室和根据物理距离分设的若干组现场电气控制柜组成，中控室控制现场控制柜，现场控制柜控制机械振打器的动力气源和控制信号，解决了集中控制存在气源管线敷设困难、安全防爆等技术问题。5.引用Von-Mises应力分析方法来探讨机械振打器微小往复位移密封件的失效问题，引入应变不变量来描述机械振打器密封材料的应变能密度函数，引入罚函数并拉格朗日乘子法(lagrange & penalty)解决计算中密封件与沟槽接触非线性的问题。6.提出机械振打器密封功率损耗的概念，作为评判机械振打器密封件性能的指标之一。7.对机械振打器冲击信号进行了频谱分析，获得了冲击信号的频域范围，为机械振打器冲击信号的选择奠定了理论基础，即包含耦合系统固有频率的冲击载荷可获得较好的除灰效果。②先进性：1.对高温高压工况下煤气化炉壁等换热面存在积灰处进行自动可控的振打除灰，去除积灰效果良好，能有效改善传热，填补了中国粉煤加汽化技术等类似复杂工况及严格密封要求条件下去除积灰的技术空白。2.该装置是国内外第一套实现了自动控制系统与机械振打系统集成设计制造的装备。3.机械振打器使用平均寿命达到2年以上，而同类产品寿命在1年以内，寿命提高100%以上。4.机械振打器密封气体内泄漏量小于5g/min，而同类产品平均值为15g/min，密封效率提高了200%。技术成熟度、适用范围和安全性：通过在相关企业的应用，成功解决了煤气化过程中由于积灰而影响传热的难题，并总结出了一套成熟的技术方案。