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热烈庆祝兴亚炉箅改版成功!
     邳州市兴亚炉箅有限公司,由我国著名炉箅设计专家秦兴亚高工于2001年创办,本公司主要从事造气技术研究和炉箅及煤气系统设备的研制生产。主要产品有∮1600-∮3600系列炉箅、自动加煤机、滚动底盘总成、水夹套、锥形水夹套、炉底、灰仓、油压炉口、灰盘、齿圈、炉条机总成及配件、鼓风箱、灰渣箱、灰犁、热管废锅、热管空气预热器、热管水加热器等。               [更多]
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水冷壁效应对煤耗的影响及解决办法
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  水冷壁效应对煤耗的影响及解决办法

林清福 

山东临沂皓宇热力设备有限公司  邮编:276017

关键词:冷壁效应、结疤挂炉、蒸汽分解率、水冷壁、油冷壁、气化强度、温度差、热传递、介质。

  要 :介绍了水夹套对煤耗的影响,原料煤热能去向,提出了夹套锅炉内壁适宜温度,以及夹套内壁提温后的实际节能效果。

固定床间歇式造气炉的水夹套,经历了十余次改进,但都是形状的改变,解决的主要是寿命、气量和安全问题,导热介质没有改变,夹套的内表面温度也就没有改变或改变不大,水冷壁效应带来的诸多弊端一直未能彻底解决。例如:

①水夹套吸热量大。每平方米吸收的热量在2.31万大卡左右/小时,以φ2600造气炉为例,夹套的内表面积20㎡,单炉日产蒸汽约18吨,消耗原料煤2吨以上,单炉年消耗700余吨。

②气化强度低。由于夹套内水的平均温度只有110左右,炉膛外环区30%的面积将受到不同程度的影响,15%的面积处在低温区,气化强度下降10-14%。

③灰渣中的可燃物含量高。炉膛外环的低温区,是造成残炭的主要部位,综合各厂家提供和文章介绍的数据,灰渣残炭量一般在15-20%,即占入炉煤总量的3-5%,单炉年损耗800余吨。

④蒸汽分解率低。由于炉膛外环15%的面积为低温区,随着制气时间的延长,蒸汽分解率逐渐下降,(下吹制气平均只有35%)未被分解的蒸汽增多,带走的热量随之增多。半水煤气有效成份也随之下降。煤气中CO2每增加1%,吨氨单耗将上升17kg  

⑤水冷壁效应还会造成煤气中的氧含量增高,氧含量每增加0.1%,变换岗位吨氨多耗蒸汽236kg,单炉年损失30余万元。

设置水夹套的目的主要是防止炉内结疤挂炉不能顺利下灰,影响生产稳定,产蒸汽是副业,夹套内用水作降温介质,是降低炉壁温度,防止结疤挂炉的方法之一,而不是唯一,用水作导热介质有很多优势,操作弹性大,简便易行。缺点就是上面提到的五个方面。

那么夹套内表面温度到底多少才能既保证炉壁不结疤挂炉,又尽量减少冷壁效应带来的副作用呢?这里作浅显分析:在实际生产中,炉膛内的温度是吹风升温、制气降温两个交替的不断变化的过程,吹风升温时,由于炉膛中心基础温度高,升温就快,炉膛外环区基础温度低,升温就慢,制气降温过程的温度变化与之相反。外环区降的快,炉膛中心降的慢。详细的温度分布情况目前还没有准确说法,只能从夹套介质温度、原料煤的燃点、灰熔点和灰渣中的返焦数量等几个基本数据,推测一个大概轮廓。夹套内表面温度是由夹套介质温度和内壁钢板热阻值决定的,以水为介质时大约为200,以导热油为介质时大约为430,这里取的是设计计算所用的钢板热阻值,应该是准确的。

由于炉膛内的温度始终高于夹套介质温度,夹套始终是向外导热的。原料煤的燃点一般在400℃左右,灰熔点在1250,入炉煤质量较好,矸石和煤沫很少的厂家,在工艺合理、操作稳定的情况下,灰渣中的返焦量并不很多,更没有生炭。这就说明,水夹套内表面温度尽管只有200,但紧靠夹套内壁的煤还是能基本燃尽的,其温度应该在400℃以上,在吹风时间过长或蒸汽过少等异常情况下,水夹套还有结疤挂壁的现象发生,这就证明,夹套内表面温度有时也能达到1250℃以上。

由此便可推测炉膛外环区的温度:吹风后应在900℃左右,制气后应在450℃左右。这一点,从水夹套的蒸汽产量上也能印证,在一个吹风、制气循环过程中,吹风升温的时间只占27%左右,但是水夹套的蒸汽产量却占了至少60%;而制气降温时间占了73%,而蒸汽产量最多占40%;水夹套的内板里、外温差大(温度差是热传递的唯一条件,没有温度差就没有热传递现象),就多产蒸汽;温差小,就少产蒸汽;吹风时间越长,夹套的蒸汽产量就越多,吹风时间短,夹套的蒸汽产量就少;水夹套的内表面积越大,蒸汽产量就越多,面积越小,蒸汽产量就越少;蒸汽产量高,原料煤消耗就高,蒸汽产量低,原料煤消耗就低;这是非常明显的道理。炉膛内的气化反应是个复杂过程,很难表述清楚,这里所说的只是氧化层的大概情况,干燥层、干馏层、还原层和灰渣层的情况又不一样了,干燥层的平面温差就小的多,越往下平面温差就越大,而灰渣层和炉膛上部空层又基本没有温差了。由此可知:夹套内表面温度不可提的过高,否则很容易发生结疤挂炉现象,影响生产稳定。我个人意见,应以400℃~600℃为宜。即确保高负荷生产条件下不结疤挂炉,又尽量减轻了冷壁效应带来的副作用。

煤的气化过程是一个热能转换和平衡过程,把热能最大限度的转换成我们理想的物质,是我们追求的目标。固定床气化法的热能转换是如何进行的呢?原料煤在炉膛内与氧气反应,放出热量,炉内温度升高,大量的吹风气将热量带到余热锅炉,用于生产蒸汽(或放空),这部分热能转换是我们不希望的,解决的方法有两个:一是用纯氧或富氧制气,以减少吹风气量,近而减少热量外移。二是把吹风气的热量有效回收利用。由吹风气移走的热量占入炉煤总能量的比重很大。原料煤热能转换的第二个去向是:与蒸汽气化制气的用热,这是我们希望的和主要的过程。

热能的第三去向是:炉体夹套吸收的热量,水夹套每平方米每小时吸收的热量平均为2.31万大卡左右,¢2650造气炉,加高500㎜水夹套,日产蒸汽约18吨,折合原料煤2.3吨,占入炉煤总量的4%。热能的第四个去向是:上下行煤气和未分解的蒸汽带出的显热,这部分热量也占很大比例,从废热锅炉的产汽量就能大体算出来。第五个热能去向是:设备、管道的热辐射损失,要用加强保温来解决。第六个热能去向是有效气体成分转化率。既潜热损失。第七个热能去向是未燃尽的原料煤随灰渣排出和灰渣带出的显热。以上七个热能去向,只有第二个制气是我们希望的,其余都应该限制或避免。这就是固定床造气炉节能改造的大原则。

提高夹套内壁温度,限制(或杜绝)夹套吸热量,炉膛内平面温差势必变小;氧化层势必变厚,炉内显热储存量势必增加;气化强度提高,蒸汽分解率提高,气体有效成分提高,灰渣残炭量下降。这是毫无疑问的必然的变化趋势。

各热能去向所占比重,是很复杂的热能计算。笔者还未查到有关数字,各厂家可做个大体推测,如:由水夹套导出的热量占入炉煤总热量的4﹪,就是非常可靠的。4﹪表面看数字不大,若细分析这七个热能去向所占比重和性质,4﹪对制气的影响就非常可观了。根据李永恒高工引用的数据:“吹风后,炉内显热储存量按100%计,其中,气化反应吸收热量为33.5%,上吹煤气(包括未分解的蒸汽)带走的显热为28.4%,下吹煤气(包括未分解的蒸汽)带走的显热为15.9%,夹套锅炉吸热量为22.2%。”由此可见,夹套锅炉对煤耗的影响是很大的,解决的办法就是在确保不结疤挂炉的前提下,尽量提高夹套介质温度。笔者在山东一家合成氨厂改造了四台油冷壁造气炉,夹套内壁温度提高到430℃,自069月投运至今,已连续运行六个多月。无论负荷轻重、煤质优劣、风压波动,从未发生过跑炉温、结疤挂壁、流生炭等故障,其发气量、气体成份、灰渣返焦率都明显优于水夹套造气炉,而且操作空间大、提温快、安全可靠。

实际分析、测量的数据如下:

1.炉体夹套蒸汽产量:油炉产1.2Mpa蒸汽300/h,水炉产0.08Mpa蒸汽680/h,少产380㎏,单炉年节煤量为:0.38×24×330÷6502吨。

2.残炭量:该公司每班12小时,每班下灰4次,每次下灰按1400㎏计算。先从灰渣中捡出渣()块:油炉共捡渣块473㎏,水炉共捡290㎏,再从灰渣中捡出返焦:油炉共捡出3.4㎏,水炉共捡出30.5㎏(以上为三次平均值),除去疤块和返焦的细灰掺匀后,取样分析可燃物:油炉为:14.6,水炉为:20.4%。综合可燃物如下:油炉9.9%,水炉17.9%,两者相比,油炉下降了8个百分点,单炉年节煤:296吨。

3.发气量:(测量方法:正常生产时,分别停炉三个循环,测量气柜下降幅度,计算出发气量)。油炉停6分钟,气柜下降1.98m,经计算,其发气量为7524m?/h;水炉停6分钟,气柜下降了1.73m,其发气量为:6574m?/h,油炉比水炉多产气950m?/h,多产14.4%。

4.吨煤发气量:油炉12小时加煤36斗,水炉12小时加煤34斗,每斗平均重量为0.895吨,由此而知,油炉每小时用煤2.685吨,水炉每小时用煤2.536吨,吨煤发气量为:油炉7524÷2.6852802m3,水炉6574÷2.5362592m3,油炉比水炉吨煤多产气210m3,多产8.1%。

5.气体成份(8次分析平均值)(空缺部分未分析)

 

油冷壁炉(%)

水夹套炉(%)

CO2

CO

O2

CO2

CO

O2

上吹

6.4

30.42

 

7.2

28.75

 

下吹

3.8

34.9

 

5.0

33

 

吹风气

 

 

0.38

 

 

0.4

夹套锅炉的内壁温度由不足200℃,提高到430℃,至少在以下四个方面产生明显经济效益:

1.由夹套导出的热量减少50﹪以上,单炉年节原料煤350吨;

2.炉内显热储存量显著增加,气化强度提高1014

3.炉膛外环低温区面积明显变小,灰渣可燃物下降8个百分点,单炉年节煤260吨。

4.炉膛温度高,提温快,蒸汽分解率提高,未分解的蒸汽减少,带走的热量相应减少,煤气中的有效成分增加。COCO2分别上升和下降1.5个百分点,单炉年节约原料煤400多吨。

大家关心的两个问题:

.安全运行:

安全问题由以下七个方面予以保障:

①炉体夹套设计为三层,一、二层之间设加强板若干道,最外侧设密封板,整体强度和密封性比水夹套高出三倍还多。

②夹套内的介质为常压封闭状态,上部设膨胀槽,与大气相通,根除了超压爆炸的条件。

③夹套进、出口管路上,各设可靠性很强的测温管一支,可随时观察介质温度变化情况。

④介质循环管路、阀门和泵,均选用耐高温、密封性好的产品,保证常年运行在无泄漏状态。

⑤高位膨胀槽设液位计,可随时观察液位变化。

⑥高温泵一开一备,交替使用,确保常年稳定运行。⑦遇到停电, 情况,与水夹套炉一样做安全处理即可,注意封闭好炉底各进风口,介质就不会超温。炉底通风口密封不好的厂家,可备用手摇或汽(柴)油泵(每台炉流量10m?/h即可),视介质温度,用低位油槽的凉油,置换夹套内的高温油即可。

.投资与效益

    投资:老炉改造,去掉原水夹套和低压汽包,更换成新炉体夹套和调温器,并配置相应的附件,单炉投资在26万元左右。新建造气炉:每台比水夹套炉多19万元左右,但发气量高10%以上,故总投资比水夹套炉要低。 

效益:以φ2650造气炉为例:每年运行330天,发气量提高10﹪以上,单炉年节约原料煤1000余吨。两个月便可收回全部投资。

结束语:造气炉的节能降耗是个系统工程,需要从系统查找问题所在,并逐步有效解决,才能有好的效益。今天的造气炉,经历了半个世纪的历程,进行过大大小小上百次改进,哪一次没有效果?哪一次又能有多大效果呢?所以说,原料煤的内在质量、加工质量、稳定的炉况、合理的操作指标永远是造气炉节能降耗的关键!任何装置优化改造,都是为优化操作指标、稳定炉况、减少热损失提供条件和保障。装置改造的前提必须具备理论依据,符合节能原理,才能有实际效果,找不到理论依据的改造还是不干为好。 

 

 

 

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