煤气炉技改中利弊情况剖析

1、煤气炉技改中利弊情况剖析作者/来源：李永恒 日期：2007-2-250  前言    在我国化肥行业中，用固定层煤气发生炉(以下简称煤气炉)生产合成氨原料气已有71年历史了。随着科学技术的进步与发展，原来的煤气炉在运行中暴露出许多缺点，阻碍了生产的发展。因此，迫使许多企业对其进行技术改造。在改造过程中有些项目改造得很成功，为提高煤气炉的气化强度和降低煤耗做出了贡献。但是，也有的技术改造项目走了许多弯路，步入误区，给企业造成了巨大损失。笔者在本文中重占对历年来对煤气炉炉体的技术改造进行论述，与同行们进行探讨。1  扩大炉膛直径 

2、0;  扩大炉膛直径的目的是为了增加炉膛截面积，提高煤气炉的发气量。这是大家所期望的。但是，有些改造是步入了误区。因为煤气炉在设计时，各部位的尺寸是经过全面计算和科学论证的。同时相应配套的附属设备，也是根据煤气炉的主体尺寸来设计的。因此，仅将炉膛直径改大，就想达到预想的效果，那是很不科学的。因此，在炉膛扩径工作中出现了盲目性，有深刻的教训。1.1  中氮厂改造情况    中氮肥煤气炉在10世纪应用的炉型有3种：一利是1936、5年“南化”从美国引进的UGI型煤气炉，其炉膛直径为2743.2mm(英制9英尺)。另一种是1936年在“大化”由日本国

3、建造的平其式煤气炉，其炉膛直径为2700mm。还有一种炉型是1958年“太化”等厂，从前苏联引进的型煤气炉，其炉膛直径为3600mm。    1958年“川化”、“北化”、“衢化”等一大批中型厂在新建时，大都是仿造UGI型煤气炉进行设计的，将炉膛直径定为2745mm。60年代以后新建厂的煤气炉，有的仍然选择UGI型2745mm炉，大部分厂选用我国锦西化工机械厂制造的J28型煤气炉，其炉膛直径定为3000mm。    在炉膛扩径改造中，主要对2745mm炉型进行改造。1960年5月“南化”首先将该厂8#炉进行扩径改造，由2743mm扩大

4、到3000mm。改造方法是将夹套上部改大到3000mm。下部未扩大，仍然是2743 mm，形成漏斗形夹套，其它部位未改动。试用3年多因炉况一直不正常，被迫于1963年9月又改回原样。后来又于1967年5月该厂再次将9#炉按上述方法改造，此次更换了原宝塔型炉箅，采用偏心多边型炉箅。应用2年因炉箅风道堵塞严重，于1969年又改回宝塔型炉箅，并将炉箅最大直径从1188mm改大为1336mm，情况有所好转，炉况基本正常，接着于1970年又改了3台炉。从运行中发现，虽然提高了一些生产能力，但是床层移动并不理想，是因为炉膛上大下小的原因。所以又于1971年将5#炉改为3000mm上下等径的直筒炉，炉箅再次

5、改动，将最大直径改为1393mm，高度由1290mm改高到1340mm。应用半年情况很好，接着又改了7台炉，并再次将炉箅改进，最大直径1440mm，高1370mm。    “南化”炉膛扩径改造成功后，许多企业仿效改造。后来一些设备制造厂就直接生产直径为3600mm的煤气炉了。    1990年原“资氮”又将J-28型3000mm煤气炉的炉膛直径扩大到3300mm。1991年“原化”也将J-28型3000mm炉的炉膛直径扩大到3200mm，至后有少部份中氮厂仿效，将部分3000mm炉的炉膛直径改为3200mm和3300mm。 

6、   “大化”平其式煤气炉的炉膛直径，也从2700mm改大到3000mm。3600mm炉一直未扩径，有人曾经想把它扩大到4000mm炉，但未实施。1.2  小氮厂改造情况    小氮肥厂煤气炉型号比较复杂，而且更新比较快。在1958年初期设计时，因当时生产规模都很小，煤气炉直径都偏小，一般在10001600mm之间，进入60年代出现了1800、1900、1980mm炉型。大部分厂都以1980mm炉成为当时的定型炉型。到80年代初有些厂将1980mm炉的炉膛直径扩大到2260mm。此炉型很快在全国得到推广，并成为当时小氮肥企业通用炉型，

7、一些设备制造厂也直接生产2600mm炉型。    80年代中期又继续将炉膛直径扩大到2400mm，到了90年代各企业又纷纷将炉膛直径扩大。因此，出现了2550、2600、2610、2650、2680mm炉。进入21世纪又将2610mm炉的炉膛下部直径扩大到2800mm，成为现在盲目推广的26102800mm的锥形炉。1.3  炉膛扩径评述    中小型氮肥厂各型号的煤气炉，在原有的炉型基础上，将炉膛直径扩大，增加了截面积，提高了发气量，是为企业创造效益的好方法，已成共识。但是，在扩径改造过程中，必须本着保证煤气炉工艺生产的要

8、求和设备达到正常运行的原则，否则会直接影响正常生产。1.3.1  传动机构负荷的增加    煤气炉炉膛直径扩大后，在增加产气量的同时，耗煤量和炉渣生成量必然增加。煤气炉传动机构的负荷随着炉膛内的容积增大而增加，其排渣强度也同步增加。以小氮厂1980 mm炉为例，如在正常的燃料层高度，炉内燃料层总重量为：9.15t(见表1)。当炉膛直径扩大到2400mm和2600mm时，燃料层总重量分别增加了46和72。当炉膛直径扩大到2800mm时，燃料层总重量增加了222。    另外炉膛扩大后，采用破渣力较强的炉箅时，除了炉箅本身的重量

9、在增加之外，炉箅破渣强度(炉箅与夹套之间因破大块渣而产生的挤压力)这种无法计算的挤压力，也必然增加了传动机构的负荷。因此，煤气炉是在严重超负荷下运行。    中氮厂煤气炉扩径后，也同样使传动机构负荷增加许多。2745 mm炉改为3300 mm炉后，传动机构总负荷增加了74。也是在严重超负荷下运行。    所以许多中小型厂炉膛扩大后，传动机构部件经常损坏就是这个原因。另外，由于传动机构负荷增加后，灰盘和大齿圈磨损也大，落炉底检修的频率也大增加。1.3.2  高径比失调    由于煤气炉扩大炉膛直径

10、是横向发展，在原有的炉型上，只扩大炉膛而未增加炉体高度。因此，出现了高径比失调。直接影响到煤气炉的吹风强度和气化强度。因为从20世纪末全国中小型氮肥厂，煤气炉为了适应高吹风强度，将燃料层总高度增加了5060，最终实现高气化强度。所以必须在增加煤气炉截面积的同时，也要增加炉体高度(后面专题论述)，使煤气炉高径比基本上达到要求(高径比详情见表2)。1.3.3  炉渣过渡区的消失    燃料在炉内气化后，生成的炉渣汇集在炉底，了为使燃料层稳定的向下移动。煤气炉在总体设计时，在灰盘外沿与夹套锅底部留有一定间隙，该间隙称为炉渣过渡区，它也是确保炉碳平衡重要手段之一

11、。    各种炉型在扩径时，都是只将炉膛直径加大，灰盘直径未增加。因此，出现炉渣过渡区随着炉膛的扩大而逐渐减少，乃至消失。例如：将2745mm炉扩大到3300mm炉时，灰盘直径仍然是3256mm，那么炉渣过渡区成为负数了(22mm)。理想的炉渣过渡区应该在250400mm之间，从表2中可以看出，没有扩大炉膛直径的原设计煤气炉的炉渣过渡区均较大。    炉渣过渡区的消失，必然会影响到炉况的正常运行。因此，为了补救炉渣过渡区的消失，一些企业在煤气炉两侧排渣口部位，增设防漏板和假灰盘。一种是在排渣口上部，夹套锅炉下部边沿焊一块弧形防漏板，其

12、宽度在100mm左右(各厂不一)。另外一种是在灰箱内，在灰盘外沿，焊一块钢板固定在灰箱上方，也称为假灰盘。这些措施都是临时性的，因防漏板是焊接的，容易变形和脱落，一旦损坏炉况立即失常。煤气炉就出现漏碳、垮碳、滑碳，当一侧防漏板损坏时，就出现半边炉，燃料层遭到严重破坏，炉内的红碳和还未燃着的黑碳，直接进入灰斗，也就无法实现碳平衡了，最终气化强度猛降，煤耗猛升。    新建或扩建煤气炉的企业应该选择灰盘加大的炉型，如某设备制造厂，开发的新型2650mm炉型，将灰盘直径从2820mm，扩大到3200mm，炉渣过渡区达到275mm。2  灰盘结构的技术改造

13、60;   灰盘是承接燃料层的设备，灰盘的结构是否合理，它直接影响到煤气炉的排渣强度和碳平衡及煤耗的高低。灰盘结构有两种，一种是平面灰盘，另一种是凹面灰盘。2.1  平面灰盘    1980、2260、2400、2600、2650、3600mm炉及2610mm2800mm锥形炉的灰盘结构均为平面结构。该灰盘的特点是：能使灰盘上的炉渣匀衡稳定的排入灰斗，另外在同等条件下，平面结构灰盘的排渣强度要比凹面结构灰盘的排渣强度大得多。由于平面灰盘排渣强度大，灰盘的转动速度只要慢速运行，就能达到凹面结构灰盘快速运行的效果。另外，还减少传动机构的磨

14、损，延长了传动机构部件和夹套锅炉底部的使用寿命。因此，从长期实践表明，平面结构灰盘要优于凹面结构灰盘。2.2  凹面灰盘    2745、3000、3200、3300 mm炉的灰盘均为凹面结构，凹面的深度多少，是直接影响排渣强度的关键，凹面越深排渣强度越小。严重时炉渣很难排出，有时它还会改变炉渣运动方向，有的炉型排渣口高度过低，灰盘凹面又深，炉内稍有些不太大的大块渣(100150 mm)，只有两三块堵在排灰口处，炉渣就排不出，在排渣口处会产生反作用力，这种反作用力会使灰渣在灰盘凹面处形成挤压现象，灰渣挤压后部份细渣通过炉箅层间的间隙进入中心管。增加了炉下

15、带出物。凹面灰盘的深度多少，各种炉型不一样，J-28型煤气炉灰盘凹面深度为60mm，(即灰盘从平面处成环状形向下凹下去的尺寸)；UGI型煤气炉的灰盘凹面深度在92160mm之间。目前有些厂已将凹面灰盘改为平面灰盘了。2.3  灰盘直径设计    灰盘直径是否恰当，它直接影响煤气炉的工况正常与否。灰盘直径设计时，它有个计算公式：    A=B+C×2    式中：A灰盘的直径；    B炉膛的直径；    C排渣口的高度；

16、60;   2两个排渣口。    例如：原设计的1980mm煤气炉排渣口高度为420mm。    代入公式计算：1980+420×22820(mm)    目前广为应用的2400、2600 mm炉和新改进的26102800mm锥形炉的灰盘直径均为2820mm。    例如：中氮厂的2743.2mm煤气炉的排渣口高度是256mm。(原设计都是英制单位，换算时会有些误差)。    代入公式计算：2743.2+256

17、15;2=3256(mm)    后来扩径的3000mm炉、3200mm炉、3300mm炉的灰盘直径均为3256mm。3  增加炉体高度    要想提高煤气炉的气化强度，只扩大炉膛直径是不行的，必须增加炉体高度。由于受到厂房的限制，按常规将炉体加高是很难做到的。笔者经调查得知，目前在小氮厂对老系统已经定型的厂房，煤气炉炉体加高，采用以下几种方案：3.1  炉体上部加高    有条件的企业，在不影响吊煤系统正常工作的情况下，将夹套锅炉以上部位筒体加高300500mm。3.2 

18、改造炉体上部出气口的方位    原来设计时煤气炉上部出气口方位是在筒体上部的侧面(有的厂出气口是在左侧，有的厂出气口是右侧)。改造方法是将上部出气口改到筒体的顶部出气，改造后可以增加筒体的有效高度(实际上筒体总高度未增加)，为提高燃料层高度创造了条件。改造方案有以下3种形式。    (1)将出气管全部改到煤气炉顶部水平(见图1)，然后出气管向旋风除尘器一侧弯曲，根据各厂现场实际情况，采用90°或大于90°的弯头，与旋风除尘器联接。出气管下部插入炉内部分的长度在200 mm左右，管径大小与炉型规格加以选择，一般是管内

19、衬耐火材料之后，2400mm炉和2600mm炉管径保持在800mm以上。3000mm炉保持在10001200mm。该方案的优点是减少吹风和上吹制气时的带出物。但是阻力略有些高。    (2)将出气管改在筒体侧面上部与平面相交中间部位(见图2)。其余与以上相同。该方案与第一种方案相比，所增加的筒体高度略为低一些，因为出气管有二分之一的管径是在筒体上。该方案的阻力小些，带出物略多些。    (3)也是将出气口改在煤气炉顶部水平上出气，但是该方案是采取在水平面上从3个方位出气，3根分管汇入1根总出气管与旋风除器相联接(见图3)。图3中，B图

20、图中东、南、北为3根分散出气管，A图上部3根分散管汇成总管，3根分管截面积之和应该基本等于总管截面积。    该方案的优点是：带出物少，阻力也不高，当下吹制气时，蒸汽从3根分管出来进入炉膛，蒸汽在炉膛分布要均匀一些。以上3个方案对比，笔者认为：从实践应用表明，第3方案优点多些，效果好些。另外，在不影响使用自动加焦机时，可以将3根分管设计成椭园形。3.3  夹套锅炉加高    有的企业采用加高夹套锅炉来达到增高炉体的目的，原来1980mm炉夹套锅炉在炉内的高度是1845 mm，通过逐年的改进，目前有些厂将夹套加高到230025

21、00 mm(由于夹套论述较多，笔者另文详述)。3.4  降低底楼地面    炉体加高后，有的企业因3楼厂房受限，无法将炉体向上伸延，就采取了向下伸延。向下伸延必然使炉底同时下移，那么灰斗因下移后离地面较近，装灰渣的斗车进不去，就采取将底楼的地面向下挖，挖山的高度与炉体加高的高度相等。这样就能确保下灰工作正常进行。4  炉型的评述    煤气炉的炉型从1935年以来，在化肥行业出现过三种炉型。即：直筒形、漏斗形、锥形。这是从炉膛的形状加以区别的。4.1  直筒形煤气炉    我

22、国固定层煤气炉不论是化肥行业，还是工业煤气行业，也不论是间歇气化方法，还是连续性气化方法：也不论是加压气化，还是常压气化；也不论炉膛直径大小(从1000mm至3600mm炉)其炉膛形状均为直筒形。长期应用表明，直筒形煤气炉的优点是很多的，它对炉内的物料平衡和燃烧层平稳的床层移动有着非常重要的因素。在我国煤气工业百余年的历史长河中，还没有任何其它炉型可以替代。因此，笔者认为直筒炉型还会长期使用下去。 4.2  漏斗形煤气炉    前面已经谈到，从“南化”多次试验表明，漏斗形煤气炉存在许多缺点，不能使炉况稳定，严重的影响到企业的效益，所以最后被迫又改回直筒形

23、煤气炉。4.3  锥形煤气炉    该炉型是近年改造的炉型(只能说改造，不能说发明，因为没有发明证书)，该炉型于2004年10月投入运行，还不到2年，许多问题还未暴露出来，所以笔者不好作过多的评述。只能从运行中已暴露的问题和煤气炉内的物料平衡、热量平衡、气化强度等方面作些肤浅的论述与同行们共同探讨。4.3.1  物料平衡问题    固定床气化技术，严格来的讲应该是属于移动床范畴。加入炉膛的燃料，随着灰盘的转动和经气化后燃料的减少，使燃料层均匀的向下移动，加入炉内燃料的数量，应该基本等于燃料气化消耗量和炉渣生成后排出

24、量及带出物的量。这样才能达到炉内物料平衡。    对直筒炉型来说，因炉膛上下是等径的，所以床层在向下移动时，燃料层能够均衡稳定的移动，使气化炉的工况能够正常运行。    然而锥形炉，由于下大上小，床层移动情况就不一样了。就26102800 mm锥形炉而言，炉下的截面积为6.16m2，炉上的截面积为5.35m2，炉上截面积比炉下截面积少了15。那么床层在向下运动时，就会出现炉下部位因气化消耗的燃料量和气化后生成的炉渣量也大。所以消耗的总料量(包括带出的量)必须及时的由上部进行补充，才能达到物料平衡。由于截面积的差异，所补充的量往往达不到

25、所消耗的总量。因此，床层运动中就会产生燃料层断层和破裂现象(详情见小氮肥2006年第4期上有红日公司吕彦龙工程师的论述)。当燃料层造成破坏后，显然使炉内燃料层无法达到平衡，必然会影响到炉内工况的正常运行。 4.3.2  热量平衡问题    众所周知，间歇式移动床气化，分为放热和吸热两大项热量的平衡问题。根据老一辈专家对原1980 mm炉和2745mm炉计算论证，假设吹风后储存在炉内的显热为100的话，则用于气化反应吸收的热量仅为33.5，上吹煤气(包括未分解的蒸汽)带走的热量为28.4，下吹煤气(包括未分解的蒸汽)带走的热量为15.9，夹套锅炉吸收的热量

26、为22.2。    原来1980mm炉夹套锅炉换热面积为10m2，而26102800mm锥形炉的夹套锅炉换热面积增加到21 m2，显然夹套锅炉的吸热量增加了110。然而吹风放热和气化吸热及上、下吹煤气带走热量没有大幅度的增加。再从煤气炉的气化强度来分析(见表3)，26102800mm锥形炉的气化强度很低。因此，夹套锅炉吸热量过多，导致煤气炉内的热平衡失常。曾有人在宣传26102800mm锥形炉时说：夹套锅炉换热面积增加了，其蒸发量也增加了，蒸汽产量增加后可以使造气达到蒸汽自给。这种说法笔者不敢苟同。道理很简单，煤气炉是生产煤气的，不是生产蒸汽的，用高价优质块煤烧蒸

27、汽是得不偿失的。4.3.3  煤气炉气化强度    26102800mm锥形炉在宣传资料上号称，比直筒炉增加发气量20。然而从气化强度上对比来看(见表3)，远不及直筒炉的气化强度，非但比不上块煤的气化强度，连碳化煤球和煤棒的气化强度也比不上。所谓增加20的发气量依据从何而来。4.3.4  炉下带出物问题    据吕彦龙工程师介绍26102800mm锥形炉在运行时发现炉下带出物特多，最多时每天有1.4t，是直筒炉的1020倍。带出物中含碳量也高达40左右，带出物中最大煤径20mm。带出物多的原因，除了同意吕彦龙工程师

28、评论之外，笔者认为还有以下的原因。    (1)该炉型由于炉膛下部增大后，煤气炉的排渣强度增大，在强行排渣过程中，排渣口部位出现反作用力，这种反作用力可以将炉箅附近部分未燃烧完全的煤块和细灰，挤压到炉箅层间缝隙中，然后从中间风箱(中心管)随下吹煤气的气流带入下行除尘器中。    (2)该炉型所用炉箅的层间缝隙过大，防止带出物的折边过短所致。    (3)带出物中未经燃烧的煤块存在，说明该炉型的气化层在下移时有失常现象。    (4)带出物中含碳量过高的原因，说明燃料在气化层内

29、未完全燃烧和气化，它与气化层温度低或气化剂分布不均有关。4.3.5  防流板的问题    从2610mm炉至2800mm炉的灰盘直径一直未增大，都是延用1980mm炉的灰盘，其直径为2820mm，随着炉膛的扩大和炉渣过渡区的减少，致使煤气炉无法正常运行，特别是将炉膛下部扩大到2800mm以后，只要灰盘转动，立即就流碳，因此必须增设防流板。    防流板有两种形式，一种是在排渣口上部，夹套锅炉的下部焊一块弧形钢板，宽度在100mm，长度在1000mm左右(各厂不一)。另外一种是在灰箱上部，即排渣口的灰盘之外，焊一块钢板，高度低于灰盘10mm，防流板与灰盘的间隙在12mm左右，宽度为100mm，长度与灰箱宽度相等，该防流板又称为假灰盘。    防流板是在未增加灰盘直径的情况下，被迫增加的一种临时措施。一旦防流板变形或脱落，立即会出现流碳。特别是夹套锅炉下部的防流板，如果炉下温度