煤氣爐技術(shù)改造中利與弊的剖析

1、煤氣爐技術(shù)改造中利與弊的剖析作者/來源：李永恒1，劉福嶺2(1.造氣技術(shù)咨詢站，湖南 株洲 412007；2.河北科技大學(xué)唐山分院，河北 唐 日期：2007-1-19    在我國化肥行業(yè)中，用固定層煤氣發(fā)生爐(以下簡稱煤氣爐)生產(chǎn)合成氨原料氣已有71年歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，原來的煤氣爐在運行中暴露出許多缺點，阻礙了生產(chǎn)的發(fā)展。因此，迫使許多企業(yè)對其進行技術(shù)改造。在改造過程中，有些項目改造得很成功，為提高煤氣爐的氣化強度和降低煤耗做出了貢獻，有些技術(shù)改造項目走了許多彎路，甚至步入誤區(qū)，給企業(yè)造成巨大損失。筆者擬對歷年來煤氣爐的爐體技術(shù)改造進行評述，以期與

2、同行共同探討。 1  擴大爐膛直徑    擴大爐膛直徑的目的是為了增加爐膛截面積，提高煤氣爐的發(fā)氣量。然而，有些改造卻步入了誤區(qū)。煤氣爐在設(shè)計時，各個部位的尺寸是經(jīng)過計算和論證的，與之相應(yīng)配套的附屬設(shè)備，也是根據(jù)煤氣爐的主體尺寸設(shè)計的。僅通過爐膛直徑改大就達到預(yù)想的效果是很不科學(xué)的。因此，在爐膛擴徑工作中出現(xiàn)的盲目性具有深刻的教訓(xùn)。1.1  中型氮肥廠改造情況    中型氮肥廠煤氣爐在上世紀(jì)應(yīng)用的爐型有3種：1935年“南化”從美國引進的UGI型煤氣爐，其爐膛直徑為2743.2mm；1936年在“大化”由日本建造的

3、平其式煤氣爐，其爐膛直徑為2700mm。1958年“太化”等廠從前蘇聯(lián)引進的型煤氣爐，其爐膛直徑為3600 mm。    1958年，國內(nèi)一大批中型廠在新建時，大都是仿造UGI型煤氣爐進行設(shè)計，將爐膛直徑定為2745 mm。20世紀(jì)60年代以后新建廠的煤氣爐，有的仍然選擇UGI型2745 mm爐，而大部分廠選用的是國內(nèi)錦西化工機械廠制造的J28型煤氣爐，其爐膛直徑為3000mm。    爐膛擴徑改造主要是針對UGI型2745 mm爐型進行的改造。1960年5月“南化”首先將8#爐的爐徑由2743mm擴大到3000mm。改造方法是將夾套

4、上部擴大到3000mm，下部未擴大，仍然是2743 mm，形成漏斗形夾套，其他部位未改動。該爐改造后試用3年多，因爐況始終不正常，遂于1963年9月又改回原樣。1967年5月該廠再次將9#爐按上述方法改造，更換了原寶塔形爐箅，采用偏心多邊形爐箅。改造后僅使用2年因爐箅風(fēng)道堵塞嚴(yán)重，于1969年又改回寶塔形爐箅，并將爐箅最大直徑從1188 mm擴大到1336 mm，爐況運行基本正常。接著于1970年該廠又改造了3臺造氣爐。從運行中發(fā)現(xiàn)，雖然提高了生產(chǎn)能力，但是床層移動并不理想，這是因為爐膛上大下小的原因。1971年該廠將5#爐改造為3000 mm上下等徑的直筒爐，爐箅再次改動，將最大直徑改為13

5、93mm，高度由1290 mm增高到1340 mm。生產(chǎn)使用半年，情況很好。遂又改造了7臺煤氣爐，并再次將爐箅改進，最大直徑40mm，高1370mm。    “南化”爐膛擴徑改造成功后，許多企業(yè)紛紛仿效。后來一些設(shè)備制造廠就直接生產(chǎn)直徑為3000mm的煤氣爐。1991年原“資江氮肥廠”將J28型3000mm煤氣爐的爐膛直徑擴大到3300mm。1991年“原化”也將J28型3000mm爐的爐膛直徑擴大到3200mm，之后有部分中型氮肥廠仿效，將3000mm爐膛直徑改為3200mm和3300mm。    “大化”平其式煤氣爐的爐膛直徑，從

6、2700mm改大到3000mm。3600mm爐一直未擴徑。1.2  小型氮肥廠改造情況    小型氮肥廠煤氣爐型號比較復(fù)雜，而且更新比較快。在1958年初期設(shè)計時，因當(dāng)時生產(chǎn)規(guī)模都很小，煤氣爐直徑一般在10001600mm之間。在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了1800mm、1900mm和1980mm爐型。1980mm成為當(dāng)時的定型爐型。到20世紀(jì)80年代初期，有些廠將1980mm爐的爐膛直徑擴大到2260mm。此爐型很快在全國得到推廣，并成為當(dāng)時小型氮肥企業(yè)通用爐型，一些設(shè)備制造廠也直接生產(chǎn)2600mm爐型。    20世紀(jì)80年代

7、中期，爐膛直徑繼續(xù)擴大到2400mm，到90年代各企業(yè)又繼續(xù)將爐膛直徑擴大。因此，出現(xiàn)了2550mm爐、2600mm爐、2610mm爐、2650 mm爐、2680 mm爐。進入21世紀(jì)，2610 mm爐的爐膛下部直徑已擴大到2800mm，成為現(xiàn)在盲目推廣的2610mm2800mm的錐形爐。1.3  爐膛擴徑利弊評述    中小型氮肥廠各型號的煤氣爐，在原有的爐型基礎(chǔ)上將爐膛直徑擴大，增加了爐膛截面積，提高了煤氣爐的發(fā)氣量，不失為煤氣爐爐體改造的好方法，然而擴徑改造必須以保證煤氣爐工藝生產(chǎn)的要求和設(shè)備達到正常運行為原則，否則會直接影響正常生產(chǎn)。1.3.1&

8、#160; 傳動機構(gòu)負荷的增加    煤氣爐爐膛直徑擴大后，在增加產(chǎn)氣量的同時，耗煤量和爐渣生成量也必然增加。煤氣爐傳動機構(gòu)的負荷隨著爐膛內(nèi)的容積增大而增加，其排渣強度也同步增加。以小型氮肥廠1980mm爐為例，在正常的燃料層高度，爐內(nèi)燃料層總質(zhì)量為9.15 t，當(dāng)爐膛直徑擴大到2400mm和2600mm時，燃料層總質(zhì)量分別增加了46和72。當(dāng)爐膛直徑擴大到2800mm時，燃料層總質(zhì)量增加了122。煤氣爐傳動機構(gòu)負荷見表1。    爐膛擴大后，采用破渣力較強的爐箅時，除了爐箅本身的質(zhì)量增加之外，爐箅破渣強度也在增加(爐箅與夾套之間因破

9、大塊渣而產(chǎn)生的擠壓力)。顯然，這種無法計算的擠壓力，也必然增加了傳動機構(gòu)的負荷。因此，煤氣爐是在嚴(yán)重超負荷狀態(tài)下運行。    中型氮肥廠煤氣爐擴徑后，傳動機構(gòu)的負荷也同樣增加。2745mm爐改為3300mm爐后，傳動機構(gòu)總負荷增加了74。煤氣爐是在嚴(yán)重超負荷狀態(tài)下運行。這就是許多中小型氮肥廠爐膛擴大后，傳動機構(gòu)部件經(jīng)常損壞的原因。此外，傳動機構(gòu)負荷增加后，灰盤和大齒圈之間的磨損也加大，爐底檢修的頻率同樣增加。13.2  高徑比失調(diào)    由于煤氣爐擴大爐膛直徑是橫向發(fā)展，在原有的爐型上，只是擴大了爐膛而并未增加爐體高度，因此

10、，出現(xiàn)了高徑比失調(diào)的問題，直接影響到煤氣爐的吹風(fēng)強度和氣化強度。為了達到高吹風(fēng)強度，將煤氣爐燃料層總高度增加了5060，最終實現(xiàn)高氣化強度。筆者認為，在增加煤氣爐截面積的同時，必須增加爐體高度，才能使煤氣爐高徑比基本上達到要求。煤氣爐高徑比對照見表2。1.3.3  爐渣過渡區(qū)的消失    燃料在爐內(nèi)氣化后，生成的爐渣匯集在爐底。為使燃料層穩(wěn)定地向下移動，煤氣爐在總體設(shè)計時，在灰盤外沿與夾套鍋爐底部留有一定間隙。該間隙稱為爐渣過渡區(qū)，是確保爐內(nèi)碳平衡的重要手段之一。    煤氣爐在擴徑改造時，僅將爐膛直徑加大而灰盤直徑未動，因

11、此，爐渣過渡區(qū)隨著爐膛的擴大而逐漸減少，乃至消失。例如，將2745mm爐擴大到3300mm爐時，灰盤直徑仍然是3256mm，此時爐渣過渡區(qū)已成為負數(shù)(22mm)。理想的爐渣過渡區(qū)應(yīng)該在250400 mm之間，從表2可以看出，原設(shè)計中由于沒有擴大爐膛直徑，煤氣爐的爐渣過渡區(qū)均較大。    爐渣過渡區(qū)的消失，必然會影響到爐況的正常運行。因此，為了補救爐渣過渡區(qū)的消失，一些企業(yè)在煤氣爐兩側(cè)排渣口部位，增設(shè)防漏板和假灰盤。一種辦法是在排渣口上部，夾套鍋爐下部邊沿焊1塊弧形防漏板，其寬度在100mm左右(各廠不一)。另一種辦法是在灰箱內(nèi)沿灰盤外沿，焊1塊鋼板固定在灰箱上方，

12、也稱為假灰盤。然而這些措施只能是臨時性的，因防漏板是焊接的，容易變形和脫落，一旦損壞煤氣爐立即會出現(xiàn)漏炭、垮炭、滑炭現(xiàn)象。當(dāng)一側(cè)防漏板損壞時，就出現(xiàn)半邊爐，燃料層遭到嚴(yán)重破壞，爐內(nèi)的紅炭和還未燃燒的黑炭直接進入灰斗，無法實現(xiàn)碳平衡，最終結(jié)果是氣化強度降低，煤耗增加。    新建或擴建煤氣爐的企業(yè)應(yīng)該選擇灰盤加大的爐型，如某設(shè)備制造廠開發(fā)的新型2650mm爐型，將灰盤直徑從2820mm擴大到3200mm，爐渣過渡區(qū)達到275mm。2  灰盤結(jié)構(gòu)技術(shù)改造    灰盤是承接燃料層的設(shè)備，灰盤的結(jié)構(gòu)是否合理，直接影響到煤氣爐的排渣強

13、度、碳平衡及煤耗?；冶P結(jié)構(gòu)分為平面灰盤和凹面灰盤。2.1  平面灰盤    1980mm爐、2260mm爐、2400mm爐、2600mm爐、2650mm爐、3600mm爐、2610mm2800mm錐形爐的灰盤結(jié)構(gòu)均為平面結(jié)構(gòu)。平面灰盤的特點是：能使灰盤上的爐渣均衡穩(wěn)定地排入灰斗；在同等條件下，平面結(jié)構(gòu)灰盤的排渣強度要比凹面結(jié)構(gòu)灰盤的排渣強度大得多。因此，灰盤的轉(zhuǎn)動速度只需慢速運行，就能達到凹面結(jié)構(gòu)灰盤快速運行的效果，不僅減少了傳動機構(gòu)的磨損，而且延長了傳動機構(gòu)部件和夾套鍋爐底部的使用壽命。長期生產(chǎn)應(yīng)用實踐表明，平面結(jié)構(gòu)灰盤優(yōu)于凹面結(jié)構(gòu)灰盤。2.2

14、0; 凹面灰盤    2745mm爐、3000mm爐、3200mm爐、3300mm爐的灰盤均為凹面結(jié)構(gòu)。凹面的深度直接影響到排渣強度，凹面越深排渣強度越小。凹面過深時，不僅爐渣難以排出，還可能改變爐渣運動方向。有的爐型排渣口高度過低，灰盤凹面又深，只要有二三塊渣堵在排灰口，爐渣就無法排出。此時在排渣口處會產(chǎn)生反作用力，使灰渣在灰盤凹面形成擠壓現(xiàn)象，灰渣擠壓后部分細渣通過爐箅層間的間隙進入中心管，增加了爐下帶出物。各種爐型的凹面灰盤的深度各不相同。J28型煤氣爐灰盤凹面深度為60mm，(即灰盤從平面處成環(huán)形狀向下凹的尺寸)；UGI型煤氣爐的灰盤凹面深度為92160m

15、m。目前有些廠已將凹面灰盤改為平面灰盤。2.3  灰盤直徑設(shè)計    灰盤直徑是否恰當(dāng)直接影響煤氣爐的工況正常與否?；冶P直徑設(shè)計計算公式如下。    ABC×2    式中，A為灰盤的直徑；B為爐膛的直徑；C為排渣口的高度；2為2個排渣口。    例如，原設(shè)計的980mm煤氣爐排渣口高度為420mm。代入公式計算：    1980420×22820mm    目前廣泛應(yīng)用的2400mm爐

16、、2600mm爐和新改進的2610mm2800mm錐形爐的灰盤直徑均為2820mm。例如，中型氮肥廠2743.2mm煤氣爐的排渣口高度是256mm，代入公式計算：2743.2256×23256mm。后來擴徑的3000mm爐、3200mm爐、3300mm爐的灰盤直徑均為3256mm。3  增加爐體高度    由于受到廠房的限制，按常規(guī)將爐體加高是難以做到的。經(jīng)筆者調(diào)查得知，目前小型氮肥廠針對廠房已經(jīng)定型的煤氣爐爐體加高，通常采用以下幾種方案。3.1  加高爐體上部    有條件的企業(yè)，在不影響吊煤系統(tǒng)正常工

17、作的情況下，可將夾套鍋爐以上部位的簡體加高300500mm。3.2  改造爐體上部出氣口的方位    原設(shè)計煤氣爐上部出氣口設(shè)置在筒體上部的側(cè)面。改造方法是將上部出氣口改到筒體的頂部，改造后可以增加簡體的有效高度(實際上筒體總高度并未增加)，為提高燃料層高度創(chuàng)造了條件。改造方案有以下3種形式。    (1)將出氣管全部改到煤氣爐頂部水平面上，見圖1。然后將出氣管向旋風(fēng)除塵器一側(cè)彎曲。根據(jù)各廠現(xiàn)場實際情況，采用90°或大于90°的彎頭，與旋風(fēng)除塵器連接。出氣管下部插入爐內(nèi)的長度約為200mm。管徑的大小根據(jù)

18、爐型規(guī)格加以選擇，一般是管內(nèi)襯耐火材料之后，2400 mm爐和2600mm爐管徑保持在800mm以上，3000mm爐管徑保持在10001200mm。該方案的優(yōu)點是減少了吹風(fēng)和上吹制氣時的帶出物，但阻力略有增高。    (2)將出氣管改在筒體側(cè)面上部與平面相交的中間部位，見圖2，其余與第1種方案相同。該方案與第1種方案相比，所增加的筒體高度相對略低。這是因為出氣管有12的管徑是在簡體上。該方案的阻力小，爐下帶出物略多。    (3)將出氣口改在煤氣爐頂部水平面上，從3個方位出氣，用3根分管匯入1根總出氣管與旋風(fēng)除塵器相連接，見圖3。圖3

19、(B)有3根分出氣管，圖3(A)上部3根分管匯成總管，3根分管截面積之和等于總管截面積。    該方案的優(yōu)點是帶出物少，阻力也不高。當(dāng)下吹制氣時，蒸汽從3根分管出來進入爐膛，在爐膛內(nèi)分布得更加均勻。應(yīng)用實踐表明，第3方案優(yōu)點相對較多，效果較好。此外，在不影響自動加焦機的使用時，可以將3根分管設(shè)計成橢圓形。3.3  加高夾套鍋爐    有的企業(yè)采用加高夾套鍋爐的方法來達到增高爐體的目的。原980mm爐夾套鍋爐在爐內(nèi)的高度是1845mm，通過逐年的改進，目前有些廠將夾套加高到2 3002500mm。由于夾套論述較繁雜，筆者另文詳

20、述。3.4  降低底樓地面    爐體加高后，有的企業(yè)因受廠房限制，無法將爐體向上伸延，于是就采取向下伸延的辦法。由于向下伸延必然使?fàn)t底同時下移，灰斗下移后離地面較近，裝灰渣的斗車進不去，遂將底樓的地面向下挖，挖出的高度與爐體加高的高度相等，以確保下灰工作正常進行。4  爐型的評述4.1  直筒形煤氣爐    我國固定層煤氣爐不論是在化肥行業(yè)，還是工業(yè)煤氣行業(yè)，不論采取的是何種生產(chǎn)方法，也不論爐膛直徑的大小(從1000mm至少3600mm爐)，其爐膛形狀均為直筒形。長期應(yīng)用實踐表明，直筒形煤氣爐對維持爐內(nèi)

21、的物料平衡和燃料層平穩(wěn)的床層移動起著非常重要的作用。在我國，目前還沒有其他爐型可以替代。因此，直筒爐型還將長期使用下去。4.2  漏斗形煤氣爐    前已述及，由“南化”多次試驗表明，漏斗型煤氣爐存在許多缺點，不能使?fàn)t況穩(wěn)定，嚴(yán)重影響企業(yè)的效益，以致最后又被迫改回直筒形煤氣爐。4.3  錐形煤氣爐    該爐型是近年改造的爐型，于2004年10月投入運行。由于時間較短，許多問題還未暴露出來，所以筆者不宜作過多的評述。只能從運行中已暴露出的問題和煤氣爐內(nèi)的物料平衡、熱量平衡、氣化強度等方面作些膚淺的論述。4.3.1&

22、#160; 物料平衡問題    固定床氣化技術(shù)應(yīng)屬于移動床范疇。加入爐膛的燃料，隨著灰盤的轉(zhuǎn)動和氣化后燃料的減少，燃料層均勻地向下移動。加入爐內(nèi)燃料的數(shù)量，應(yīng)該等于燃料氣化消耗量和爐渣生成后排出量以及帶出物的量。這樣才能達到爐內(nèi)物料平衡。    由于錐形爐的爐膛直徑下大上小，以2610mm2800mm錐形爐為例，爐下部截面積為6.16m2，爐上部截面為5.35m2，爐上部截面積比爐下減少15。在床層在向下運動的過程中，就會出現(xiàn)爐下部氣化消耗的燃料量和氣化后生成的爐渣量比爐上部大的情況。因此消耗的總料量(包括帶出的量)必須及時由上部進行

23、補充，才能達到物料平衡。由于截面積的差異，所補充的量往往達不到所消耗的總量。因此，床層運動中就會產(chǎn)生燃料斷層和破裂現(xiàn)象1，由于爐內(nèi)燃料層無法達到平衡，必然影響爐內(nèi)工況的正常運行。4.3.2  熱量平衡問題    眾所周知，間歇式移動床氣化反應(yīng)分為放熱和吸熱兩項熱量的平衡問題。根據(jù)對原980mm爐和2745mm爐計算論證，假設(shè)吹風(fēng)后儲存在爐內(nèi)的顯熱為100，則用于氣化反應(yīng)吸收的熱量為33.5，上吹煤氣(包括未分解的蒸汽)帶走的熱量為28.4，下吹煤氣(包括未分解的蒸汽)帶走的熱量為15.9，夾套鍋爐吸收的熱量為22.2。   

24、 原1980 mm爐的夾套鍋爐換熱面積為10m2，而2610mm2800mm錐形爐的夾套鍋爐換熱面積增加到21m2，顯然夾套鍋爐的吸熱量增加了110。然而吹風(fēng)放熱和氣化吸熱以及上、下吹煤氣帶走熱量卻沒有大幅度的增加。    再從煤氣爐的氣化強度來分析(見表3)，由于2610mm2800mm錐形爐的氣化強度很低，因此，夾套鍋爐吸熱量過多，導(dǎo)致煤氣爐內(nèi)的熱平衡失常。曾有對2610mm2800mm錐形爐的報道認為：夾套鍋爐換熱面積的增加使其蒸發(fā)量也增加，蒸汽產(chǎn)量增加后可以使造氣達到蒸汽自給。這種說法筆者不敢茍同。道理很簡單，煤氣爐是生產(chǎn)煤氣，而不是生產(chǎn)蒸汽，用高價優(yōu)質(zhì)塊

25、煤燒蒸汽是得不償失的。4.33  煤氣爐氣化強度    據(jù)稱，2610mm2800mm錐形爐比直筒爐發(fā)氣量增加20。然而從氣化強度的對比來看(見表3)，筆者認為錐形爐遠不及直筒爐的氣化強度，非旦比不上塊煤的氣化強度，連碳化煤球和煤棒的氣化強度也比不上。4.3.4  爐下帶出物問題    據(jù)文獻介紹，2610mm2800mm錐形爐在運行時爐下帶出物特別多，是直筒爐的10倍20倍。帶出物中含碳量也高達40左右，帶出物中最大煤徑為20mm。帶出物多的原因，除了文獻1中的論述以外，筆者認為還存在以下原因。    (1)該爐型由于爐膛下部增大，煤氣爐的排渣強度增大，在強行排渣過程中，排渣口部位出現(xiàn)反作用力。這種反作用力可以將爐箅附近部分未燃燒完全的煤塊和細灰擠壓到爐箅層間縫隙中，然后從中間風(fēng)箱(中心管)隨下吹煤氣的氣流帶入下行除塵器中。    (2