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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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深析造气灰渣中“返焦”与 “返炭”的概念区分及形成机理
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                  深析造气灰渣中“返焦”与 “返炭”的概念区分及形成机理
 
                                                     
                                                          田守国            全
 
                                  
 
 
    关键词:怎样辨别返焦率、返炭量、“疤”与“渣”这些绝然不同的概念;
    摘   要:返焦与返炭的区别在于;块煤在炉内受热的温度高低和在高温条件下持续时间长短。灰渣状况是气化过程的最终结果,从气化的结果能分析炉内的气化条件,分析出形成的原因;气化层内平面温差大、偏火偏灰是炉型扩大后影响正常生产的“顽症 ”。 
“技术进步是节能降耗的根本途径”,一个企业的节能降耗工作状况如何,在很大程度上也体现了技术进步的状态如何。在造气生产工序,煤气发生炉的灰渣质量如何,是炉内气化条件优、劣的最终体现。在原料煤高价位的今天,一个生产厂家出渣质量的优、劣也决定了这个厂家的经济效益。
    当今,基本上每一个企业的内部生产考评中,都有造气“灰渣返焦率”这一项考核。然而,在一些地方这一方面还存有一些模糊认识。比如,有的厂家一直将造气灰渣的质量用“灰渣返炭率”来评定。这一称谓也并非完全错误,因为煤气发生炉确实有排出“炭”来的时候,而这只能是炉内工况极不正常的条件下才会出现,是非常不希望出现的。要搞好造气的管理和正确考核,必需先搞清“返焦”与“返炭”的不同点,才能更细致、更准确的去分析问题。
    1.“返焦”与“返炭”的根本区别:
    返焦是煤气发生炉正常操作运行中的必然产物,为什么这样讲哪?因为固态出渣的UGI固定床间歇式煤气发生炉,整体配套的设计条件,就决定了排渣中必然有一定量的未完全气化,但已经焦化的焦块称之“返焦” ,灰渣中返焦的量要求尽可能降低。
    “返焦”在煤气发生炉内由两条途径产生:
    一是块煤在煤气发生炉内,经过了干馏过程而焦化,并经氧化层高温气化而残留的焦块。
    二是主要的一个方面也是在现有配置条件下无法完全解决的问题;就是煤气发生炉炉体下半部分,设置了水槽式夹套锅炉所致。因夹套锅炉的壁冷效应,使煤气发生炉内贴近夹套锅炉的边缘区范围内,气化温度远低于外环区、内环区、中心区(注:炉内四个环区划分;中心区、内环区、外环区、边缘区),一部分炭块因夹套内壁换热,而形不成高温条件,气化速度慢气化不完,因而产生一部分已经焦化的返焦。当然,夹套锅炉这一导热机构在该炉型上是必不可少的。
    “返炭”是未经过气化的块煤从排渣口排出或流出,是煤气发生炉内气化条件极不正常条件下的产物,是炉内结疤、局部结疤、炉膛内平面温差过大、偏火偏灰、局部区域塌炭流生、局部区域出现风洞、死火等因素造成的,是尽可能杜绝出现的。返炭的产生说明炉内气化条件恶化、各层区层次紊乱。实际上“返炭”指的是入炉的煤块虽然加入炉内又被排出,但其没有经过完全的干馏过程根本未焦化,其表面仍然是保持了原有的光泽性和光滑性。有时即使炭块表面颜色略有变为白褐色,但因其还没有焦化也应归类于“返炭”。
    2.“疤”与“渣”的根本区别:
    “疤”与“渣”这两个字代表了两种截然不同的气化条件,从物理形状看;灰渣中的疤块其表面及截面呈熔岩状,结构质密无孔,比重大于渣块的一倍以上。疤的产生一是炉温因吹风效率过大、蒸汽用量偏少等原因,炉内失去热平衡,使气化层内温度超过煤的灰熔点T3温度,使煤炭熔化、凝结形成坚硬疤块。二是当今煤气炉扩径改造后时常出现的局部结疤而产生的疤块,“疤块”与“返炭”均是炉况极不正常条件下的产物。因此,正常生产中是很不希望出现的。
    “渣”是煤气炉正常运行中的产物,而且希望成渣率达到高限为好。渣是正常气化过程中多粒型煤或块煤在不断气化中,其表面的碳分子被转入气相,剩余的灰份在高温作用下仍然具有一定的粘性和塑性,因此灰份不断的边剥离边粘结而形成渣块,成渣的数量即“成渣率”。
    成渣率是可调的,它取决于气化层温度高低,灰份成渣环境的温度高则成渣率高。但是,温度达到原料的T3温度就会使原料熔化使炉况恶化,而气化层温度控制在原料的T2与T3之间是最佳温度,但因目前温度检测技术没达到相应水平,所以该温度值是不容易摸准的,因此目前的气化层温度一般都在原料的T2温度上。
    而如果灰份的成渣环境温度低;则成渣率低、细灰量大、返焦率高。当然,成渣率高低也受原料不同的化学活性和灰份的原素组成有关。
    3.返焦率高的条件状态分析:
    前文提到煤气发生炉排出的灰渣中,夹带一定量的返焦是正常的。为什么这么讲哪?其原因:
一是该气化装置设有夹套锅炉产生壁冷效应。
二是入炉煤粒度不能达到均匀,块煤气化速度不一致。
三是入炉煤由多个矿点混合,特性混杂,煤的灰熔点和化学活性不同,气化速度不一致。
四是由炉箅决定的气化剂分布均匀性问题。
五是工艺条件和操作控制条件问题。这些因素的存在,决定了不能将灰渣中的可燃成份,降低到象新型气化法的出渣含碳量那样低。也就是说煤气发生炉出渣返焦率,只是一个量多和量少的问题。
    煤气炉灰渣的成渣率高低和返焦率高低,除了与煤的化学活性和煤中所含灰份的成份有一定关系外,还与炉内的气化温度和持续经受高温气化的时间长短有关。因此,高负荷、高气化层温度是提高成渣率和降低返焦率的首要条件。另外,煤气炉的三个高径比(煤气炉、水夹套、炭层)达到合理,有效气化空间增加,原料煤在炉内有充足的干燥、干馏、气化时间,而且有然高温气化条件,在此条件下成渣率必然提高,返焦率必降低。
    目前,关于灰渣状况的问题称谓术语较多。例如:返焦率、返炭量、残炭量、灰渣可燃物含量等。以上称谓只有二项确切,一是物理分析法的“返焦率”,二是化学分析法的“灰渣含碳”的百分含量。而“灰渣可燃物”一般是指蒸汽锅炉排渣的含碳量。
    通过观察分析灰渣形态变化,分析返焦形成的反应机理,就能基本断定壁冷效应的影响程度;当工艺条件、原料条件和操作控制都处于理想状态,炉况处于稳定状态的条件下。灰渣成渣率高、细灰很少、细渣量大的条件下,仍有少量粒度比较大的返焦,粒径15~30mm,数量少于15%,细小焦粒特别少,这种条件下气化区产生的返焦极少,灰渣中的返焦95%以上是边缘区产生的,主要还是壁冷效应的体现。这种出渣状态也说明煤气发生炉内工况优良,负荷已经进入极限状态。  
    而灰渣中细小粒度的返焦量大,则属于掌握、控制、管理方面有一定问题。灰渣中带出的细小焦粒,使原料转化利用率受到很大影响,这部分焦粒难以回收再入炉气化利用。而且这部分可燃物的量有时往往大于可回拣焦块的量,很多厂家因此而造成严重的原料浪费。
    即使再二次入蒸汽锅炉利用,虽然替代一部分燃料煤,但也是将一部分原料煤降值为燃料煤利用了,对综合成本影响很大,能源降值利用不符合循环经济理念。而这一个问题同样也是可以通过人为控制来降低的。更确切地说细小焦粒是可以让它少量出现或不出现的。小粒度返焦量大在不少厂家存在,这一现象是原料煤转化利用率低的主要原因之一。
    无烟块煤经干馏层后产生了质的改变,由“煤”转化为“焦”,返焦是块煤经干馏层加温后失去挥发份,在气化层又经表层氧化放热反应,同时经高温煅烧后而残留的焦块。由块煤转化为返焦后,由于其表面光滑度高的胶质层因干馏而失去,焦块也由油黑色变为灰褐色,其表面变的粗糟。外形也失去棱角,呈圆形、卵形或枕形。由于失去了挥发份和水分比重变小,表面气化产生的气孔清晰可辨。返焦因其表面粗糟而产生较大的流动涩性,滑动能力差,自然堆积状态下边缘产生的安息角大于块煤。
    在煤气炉正常运行的条件下,因为块煤经干馏焦化后其表面涩性增大,使气化层内物料的流动性弱化,有利于气化层位置稳定,偏灰垮炭的几率降低。(一般情况下炉内物料的流动性强、弱可分为以下四个级别,即:块煤>返焦>细灰渣>渣块、疤块)。
    4.返炭量高的条件状态分析:
    前文中提出,返焦率高低除了受气化设备的特点和原料理、化特性影响所致以外,还与操作控制条件有关。然而,相比之下返焦率不论高低,起码也说明炉况处于基本正常的状态,是可调的,而且是可以扭转的。而“返炭”含量高,则是炉内工况极不正常、临界恶化或者已经恶化的征兆或结果。
“返炭”指的是在灰渣中混杂的,未得到完全干馏或根本未得到干馏、未完全焦化,表面仍呈黑色。表面胶质层未完全失去光泽度,棱角等外观没有改变的煤块。
返炭产生的其主要原因;
    一是高强度气化条件下,由于火层位置控制不当使火层散乱,局部结疤,炉内火层分布不均匀,煤气发生炉处于偏运行状态,床层下降速度不一至,两灰仓一侧排疤块,另一侧因灰层排净而流炭。
    二是炉内结疤;疤块间隙中形成风洞,煤块漏至灰盘上而被排出。
    三是设备缺陷致;破渣、排灰机构设计配置不合理,致使炉内易出现偏火偏灰,致使出现返炭。
    四是炉箅破渣能力差,出渣粒径过大,排出渣块时其背部低温区松散的燃炭随之塌陷。
    五是煤气发生炉处于低负荷气化条;低温条件下,成渣率低、返焦率高,灰渣层稳定性差,流动性强,防流措施稍有欠缺就易出现塌炭流生。
    六是操作控制水平低,操作不当,灰渣层排净,火层落底。
    另外,在低温条件下,炉内新陈代谢速度过慢,局部区域易出现过火,形成低温大渣块,有渣块的区域下降更慢,而无渣块的区域因低温灰渣松散下降快而形成偏灰偏火。
    总之,返炭量高起源于工艺条件不合理、灰渣积聚过多使火层位置漂移,形成热量分布不均衡、局部结疤、层区紊乱、偏火偏灰或设备缺陷。有时也会因为操作过程中,对一些问题处理不及时或处理方法不当,又使问题加重,致使床层中下部局部形成空穴而造成垮塌。在工况不正常状态下,由于不同粒度的燃炭进入床层底部,使灰渣层的运动涩性降低,返炭的存在对灰渣层稳定性的影响很大,使灰渣层的流动性增强,塌炭流生的几率大幅度的增加,垮塌的几率特别高。(炉内物料的流动性强、弱在不正常时分为六个级别:块煤>返炭>细炭>细灰>渣块>疤块)
    5. 返焦的利用:
    正常条件下,块煤在气化过程中是从煤块表面开始,边气化、灰分边剥离、边在高温作用下成渣,煤块粒度逐渐减小,直至气化完全而成渣。然而,因夹套锅炉壁冷效应的作用,还有正常气化的区域内有一部分粒度过大的块煤,加之气化速度和代谢速度等因素的影响,总会有部分焦块未气化完就排出炉外。然而,残留焦块的含炭量未减少,而且经高温后块煤所含的挥发分、焦油、硫份及其它烃类物质已基本不存在,因此,返焦的品位高于入炉块煤。
从这一方面讲,少量掺烧返焦时,没有必要改变原有的操作规律和工艺条件,如果大量掺烧焦类原料气化时,因焦类原料无干馏过程,火层位置上移速度就会加快。焦类原料的气化特点就体现出来,工艺条件就应该相应改变。
    一般情况下返焦的化学分析结果(注:发热值为应用基单位:KJ/kg)
分析项目
水     分
含 碳 量
灰分含量
挥 发 分
发 热 值
分析结果
1.05%
76.10%
21.51%
2.18%
24539
    6.综合分析:
    前述分析了 “返焦”与“返炭”的根本区别,还有各自产生的条件区别,以及对煤气炉内工况造成的不同影响。可见返焦与返炭的性质与形成条件截然不同,前者是炉内工况处于工艺条件和操作条件基本正常,但未得到优化的状态中。
    而后者则是炉内工况处于层区错乱,偏火偏灰,甚至已经开始由恶化的临界线发展或已经恶化。这两个问题是不同程度的直接关系到原料的转化利用率的首要问题,而要解决这两问题却必须要采取截然不同的相应措施。
    解决返焦率高的问题;
    一是要抓好煤气发生炉工艺指标的合理确定。
    二是要确定适合本系统,内、外部客观条件又科学合理的操作方法。
    三是要抓好工艺条件的合理控制和稳定操作条件。
    四是抓好入炉原料煤的粒度控制、筛选,根据特性合理搭配。
    五是要建立即科学合理、又严格细致的规章制度,以此规范操作,从而优化工艺条件,稳定炉况,降低煤气发生炉出渣返焦率、降低消耗。
解决偏火偏灰、返炭量多的问题,首先要实事求是的深入分析本系统技术装备、工艺条件、操作方法等内、外部客观存在的实际问题。再分门别类找出重点,抓住关键性问题对症下药,并且还要采取软件和硬件两方面的技术改造同时进行。
    煤气发生炉采用的炉箅,不论什么内、外部条件的企业,都有根据现有条件专门选择并要求专门设计的必要。因受外部条件的影响和煤气发生炉床层分布特点的影响,煤气发生炉床层内各环区阻力不一致,加之原料结构、加煤方式、风机性能、系统阻力等方面的问题,不同厂家有其不同特点,甚至一个厂家煤气发生炉各自也有不同特点。
    因此,早就有“一厂一情,一炉一况”之说。所以必须要通过选择适合于本厂实际情况的炉箅,来适合不同的阻力特征。因为不同的加煤方式、不同的煤质、不同的物理特性和化学特性、不同的风机性能,使床层内阻力特点各有特征区别,一种性能定型的炉箅是不能包容万象的。  
    煤气发生炉破渣、防流工作必须要做好,一是要注重控制出渣粒度,二是要做好防流、阻流、延流工作。“内挡”、“下阻”、“外延”等防流措施各有利弊,要在众多措施方法之中选择适合于本系统配套条件的方法和措施。
    煤气发生炉的操作中,应当避免长时期在大风量超负荷状态条件下运行,或长时期的小风量低负荷条件下运行。对出灰机构的维护方面,要在合理匹配炉箅的同时,还需要保证灰犁和分布在四周的破渣条整齐完好,保证环周破渣和出灰的均匀性。排灰速度的控制要绝对防止炉条机转速调节幅度过大,应昌导并积极应用笔者提出的“新‘四稳操作法’”。
    出渣粒度是可调的,出渣粒度的大小对工艺条件的影响却很大。出渣粒度块径在200—300mm,与块径在150mm以内的两种出渣状态,对返炭量的影响是有天壤之别的。
    出现结块结疤时,在疤块的下面空气不能穿过,所以大量的空气只能在疤块的边缘通过,造成疤块边缘放热反应较其它区域强,所以这一区域温度超过其它区域,该区域生成的渣很容易成为熔化状态,并且粘结在原有的疤块上,于是疤块越结越大,大粒度疤块在离开气化层时,背部一直托着一个低温团,低温团内的块煤因所处位置范围内温度偏低,因此表面光滑,流动性强。有时疤块位置也会顺着灰盘转动的方向移动,这主要是由于大渣块在炉箅最大层与破渣筋条上方或之间滑动不易破碎,故渣块被推挤绕灰道转动,而渣块上面的背部总是存在着低温区。
    因疤块移动慢,灰盘旋转将疤块下面的灰渣移走,因而疤块下部形成空穴,局部形成悬料。疤块落入下部悬空的灰仓范围内,而引起床层内程度不同的垮塌,燃炭或生炭随之落入灰仓,垮塌面随疤块一起转到排灰口,大疤块排出易造成大面积垮塌,流红炭甚至流生炭便难以收拾了。
    在出渣口产生的即时垮塌流出的是燃炭(也称下“红炭”);而在灰仓范围内出现的床层垮塌,垮塌面转到出渣口时流出的是己熄灭的生炭。因此,疤块如不尽快破碎排除就会越来越大。要做到尽快破除掉疤块,并且控制排渣粒度不过大而均匀,在炉箅设计和破渣筋条配套技术上,要慎重考虑严肃对待,力求配套合理。
    如果设计的破渣条件达到了要求,出渣粒度调整合理了。大渣块在破渣区被破碎至100mm左右,气化效果就不同了。渣块破裂后因其下部灰道内有灰渣埔垫,不会立即落到灰盘上,渣块开裂后其缝隙间便有了通风、通汽条件。因此,疤块开裂后背部原料煤得以快速气化而形成新的灰渣层。有了此过程,炉况波动得到很大程度的控制,其结果当然与出渣粒度过大的条件下截然不同。在煤气发生炉生产中,炉内无渣块时,空气分布由炉箅布风的特点所控制,风量均匀分布,流速均衡。而有疤块时,疤块缝隙内气化剂流量就大于正常区域。
    7.结束语:
煤    气发生炉灰渣中“返焦”与“返炭”率高,是严重影响原料转化利用率的两大顽症,是降低煤耗和稳定炉况的重要阻碍。必需要下大力气整治,消除设备缺陷、提高工艺水平,才能使煤气发生炉运行的状态达到稳定。有了坚实的基础,并且在此基础上优化工艺和操作,才能谈得上进一步降低消耗。煤气发生炉工艺条件和操作条件的确定和控制,是一项极为复杂的工作。首先要搞清原理,应当清楚的理解“返焦”与“返炭”的不同概念,将更便于识别情况、便于分析原因,更利于“对症下药”。
 
 
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