固定层煤气炉技术改造
本文由 马后炮化工论坛 转载自互联网煤气炉改造的目的和意义
近年来，由于国际市场石油价格居高不下，国内工业的快速发展，使国内煤化工行业升温，进而带动了固定层煤气炉的发展。煤化工的新建工程、改扩建工程、旧系统改造及单炉大中修，都需要把对原有的固定层煤气炉进行技术改造放在重要位置。
在对煤气炉的改造中，部分化肥企业正在把原有的ф2.65m煤气炉改为ф2.8m煤气炉，部分中氮企业正在把原有的ф3.0m的煤气炉改为ф2.65m，部分新建的煤化工企业选择了ф3.6m煤气炉，部分大型新建工程选择了ф2.65m煤气炉，有的企业把煤气炉改成下大上小，有的企业改成下小上大……
究竟应该怎样来选择煤气炉？对固定层煤气炉如何改造才是正确的？确实到了理性研究和分析的时候了。
首先，固定层煤气炉面对日益激烈的市场竞争，面对优质煤日益短缺的煤炭市场，面对ф3.6m、ф3.2m、ф3.0m、ф2.65m、ф2.4m等各种炉型的固有缺点，必须要进行技术改造。不改造，在国际石油价位恢复正常，国外化工产品涌入国内市场，国内煤化工企业优质煤炭供不应求，被迫采用劣质原料煤时，原来的固定层煤气炉是没有出路的。
其次，对煤气炉技术改造的目的和方向必须明确。
第一，把原有煤气炉技术方面存在的问题搞清楚。避免盲目技改，花费了人力、物力、财力见不到效果。特别要注意防止把自身的“病牙”留着，“好牙”拔掉。
第二，要客观评价较好的炉型，避免“一好遮百丑”，用一分为二的方法取其精华，去其糟粕，才能达到技改的目的。
第三，要因地制宜，因厂制宜，防止简单地照抄照搬。各企业的地域环境不同，工艺流程有差别，企业生产经营状况不同，对煤气炉的技术改造也不尽相同。如：山西煤炭基地和江南少煤地区；单醇流程与联醇流程，如果不切实际地照抄照搬，肯定会出问题。
第四，要有前瞻性。要分析原料市场中长期变化趋势，分析本企业产品结构发展趋势，让煤气炉的技术改造符合大趋势的要求。如：有的企业目前以焦炭和块煤为原料，但几年后，必须要改变原料路线。或者几年后，企业产品结构由化肥为主改变成“以化养肥”。
上述这些不同情况，对煤气炉的技术改造要求是不一样的。下面针对几种典型的情况，谈煤气炉具体的技术改造方法。
2 煤气炉技改思路
2.1 各种煤气炉存在的主要问题
ф3.6m煤气炉是前苏联于1958年引入我国的。由于原设计是以冶金焦为原料，历史上经过焦改煤，山西优质块煤改地方劣质块煤。在此过程中，虽然少部分进行改造，但生产中仍然存在问题。如：烧小块煤难以稳定，烧型煤特别是烧煤棒不适应。
对上述情况的措施是改造排灰系统。前苏联设计灰犁是可调的，丝杠和灰犁从灰斗上方斜插到灰盘，必然形成一个死角。此死角正是烧小块煤的天敌。因为灰犁把灰渣排出后，灰犁后面渣少，块煤偏多，小块煤的“安息角”只有28°左右，而ф3.6m煤气炉的排渣角设计为38°，这个角度对灰渣来说，不会造成自动滑落，而对灰犁后小块煤来说，很容易形成自动溜炭，进而造成煤气炉无法稳定生产。
2.2 入炉风速的控制
ф3.6m煤气炉原设计是烧冶金焦的，中心管处吹风时一次风速原设计达到10m/s。一次风进入炉箅气室，首先对炉箅上部通风道进行冲击，此处炭层最薄 ，在使用劣质煤和型煤的情况下，很容易吹翻。如果提高炭层，又造成吹风阻力大，限制了一次风量。因此，ф3.6m煤气炉中心管和炉箅气室、通风道要进行技术改造，否则不能适应烧劣质煤和型煤。
同样，ф2.6m、ф3.0m、ф3.2m煤气炉，在烧劣质煤和型煤时，也要控制入炉箅风速。经测算，如果吹风强度达至5000m3/(h·m2)，ф2.6m煤气炉入炉箅风速达到14.78m/s，ф3.0M煤气炉入炉箅风速达到21.6m/s，ф3.2M煤气炉入炉箅风速达到24.69m/s。在煤气炉烧劣质煤和型煤时，既要有足够的吹风强度，又要有合适的炭层高度，二者缺一不可。在这种情况下最合适的入炉箅风速应该不大于7m/s。这样，就对煤气炉的风管、中央灰箱、炉箅气室，炉箅通风道等设计提出了新的要求。这也正是我们对煤气炉要进行技术改造的重要内容。
必须说明的是，解决了上述问题，适应了烧劣质煤和型煤，同样优化了烧优质煤的工艺指标，这种技术改造整体提升了固定层煤气炉的性能。
2.3 吹风气出炭层的流速和流向
在考虑入炉箅一次风流速的同时，还必须解决吹风气出炭层的流速和流向。
在以往的煤气炉设计中，由于以冶金焦为原料，因而毋须考虑出炭层的气流速度。特别是在吹风时，冶金焦的含粉率很低，并且热稳定性极佳，吹风气出炭层流速无关紧要。但是，以劣质煤或型煤为原料，就必须考虑吹风气出炭层的流速和流向。
一次风入炉后，随着气流温度的骤然升高，体积成倍膨胀，气流速度必然加快。吹风气流速达到3.5 m/s，对于优质中块煤焦已经属于临界流速，此时很容易吹翻。
劣质煤和型煤造气，因为其机械强度，热稳定性都比较差，造成床层孔隙的均匀性也比较差，因此，吹风时更容易吹翻。控制出炭层吹风气的流速就特别重要。经测定，劣质煤为原料吹风气出炭层的临界流速为2.8 m/s。在设计煤气炉时，既要保证吹风强度，又要控制出炭层吹风气流速≤2.8 m/s，同时尽量减少吹风带出物，就成了煤气炉性能优劣的关键问题之一。
气体流速主要取决于流量和流通截面积。在煤气炉生产中，用减少一次风流量来降低吹风气流速是不可取的，这样等于降低了煤气炉的生产能力。我们只有在流通截面积上想办法。把煤气炉做成倒锥形，即：下部直径小，上部直径大，这样可有效降低吹风气出炭层流速。以ф2.65m煤气炉为例，说明如下。
如果吹风强度达到5000m3/h，则一次流风量为26600m3/h。出炭层气流速度为3.44m/s，煤气炉技术改造后，下部仍为ф2.65m，中部变为ф2.8m，上部变为ф3.0m，则风量不变的情况下，出炭层气流速度由3.44 m/s降为2.58 m/s。很明显，这样改变后，对烧劣质煤或型煤是非常有利的。如果仍然烧优质煤，则风量可以进一步提高。
前苏联工程技术人员在设计ф3.6m煤气炉时，基于上述思路，使煤气炉底部为ф3.5m，中部为ф3.6m，上部为ф3.67m。
吹风气流速问题解决后，还要考虑吹风气流向。由于吹风气中夹带着炭层中的灰、粉尘、颗粒，甚至小块原料，这些带出物偏多，则使煤耗升高，同时使炭层局部迅速减薄，直至吹翻。减少吹风气中带出物，不但能降低消耗，还能稳定煤气炉工艺生产。风量一定的情况下，要使吹风气中带出物落在炉顶不带走，只有采用使吹风气折流，通过改变气流方向，使带出物由于惯性作用，动能变势能，沉降到炉顶炭层表面。这就要求炉顶与出气口形成一个折流角度，并且出气口要适当低于炉顶。
我国目前各种炉型的炉顶设计基本有两种，一种为平顶，一种为穹顶。相对而言，平顶比穹顶更有利于吹风带出物的沉降。主要原因是穹面结构不利于气流形成折流。因此，带出物偏多，不易使吹风稳定。经走访，在全国大部分企业，穹顶结构普遍低于平顶结构煤气炉的气化强度。
近年来，有的企业把上气道开在炉顶，实践证明，这种改造对提高炉膛高度有利，对减少带出物是不利的。如果在改造时，使上气道插入炉膛300～500mm，则带出物会大幅度减少，进而稳定吹风。
2.4煤气炉的排渣破渣问题
另一重要的问题是排渣破渣。劣质煤含灰量大，并且灰熔点偏低，客观要求煤气炉破渣排渣强度要高，否则，无法高负荷生产。煤气炉破渣、排渣是系统问题，不是单靠炉箅可以完成的。它还要求与炉箅相配合的其他部位设计合理。如：排灰口，灰犁，灰盘，夹套，破渣板等。特别是排灰口和灰盘的配套设计，往往被忽略，或者是在煤气炉的改造中，破坏了原来合理的设计，形成新的不合理。排灰口高点与灰斗中排灰边缘形成一个夹角，简称“排渣角”。目前国内几种重要的固定层煤气炉“排渣角”都大于灰渣“安息角”。造成煤气炉溜炭，返焦率升高，这种情况大多数是人为造成的。如：原UGI煤气炉炉膛直径为ф2.74m，以后逐步扩大至ф3.00m、ф3.20m、ф3.30m，扩径的同时，灰盘直径并没有增加，虽然有的厂家在灰斗安装了挡灰板，仍然造成“排渣角”大于灰渣“安息角”。经测定，煤气炉正常炉渣的“安息角”，在运动状态下为35°，在静止状态下为45°。众所周知，炉内排灰口处的灰渣在正常生产中是处于运动状态的，因此，“排渣角”应该等于或小于“安息角”，生产中才不致于造成排灰失控，进而溜炭。一般情况下，如果炉底和灰盘直径没有加大，排灰口高度≥280mm时，ф3.0m、ф3.20m、ф3.30m煤气炉的排渣角都在50°以上，最大的甚至在70°以上，这是造成煤气炉流生、溜炭、垮炭的重要原因之一。
2.5游动气化层操作法
原ф2.6m煤气炉是由ф2.2m扩径而来的，先扩径到ф2.4m，又扩径到ф2.61m。灰盘没有扩大，“排渣角”已经大于50°。为了防止溜炭，破渣条设计成下宽上窄的梯形，在与炉箅形成强化破渣的同时，实际相当于减少了排渣角。当破渣条磨损到一定程度，煤气炉就出现流碳现象。解决这一问题的根本方法，必须还ф2.65m煤气炉一个配套的炉底盘和灰盘，使之恢复正常的排渣角。在煤气炉生产中，烧劣质煤与烧正常煤区别很大，劣质煤的灰分含量高，同时灰熔点偏低。在煤气炉操作中，必须采取特殊的办法，才能有效控制。由于劣质煤灰熔点偏低，因此对气化层温度控制低了，气化效率差，煤气炉不产气；气化层温度高了，容易结疤，造成炉况恶化。近年来，经过反复试验摸索，烧劣质煤也可以高产低耗。除控制好入炉一次风流速和出炭层一次风气流状态以外，还要适当提高气化层温度，并防止结块。这样使气化层上吹时向上游动，下吹时向下游动，形成一个较大的游动区间。从而避免气化层局部温度集中过热，而造成结疤结块。这种“游动气化层”操作法，虽然解决了劣质煤的强化制气问题，却同时带来了炉下温度升高的问题。正常情况下，炉箅温度在200～300℃，而用“游动气化层”操作，炉箅温度达到200～380℃。在这种情况下，原来的煤气炉是不能长周期运行的。主要薄弱环节是炉裙或叫“灰仓”的部位强度下降，使用周期变短。
因此，要烧好劣质煤，必须用“游动气化层”操作法提高气化强度，炉下温度必须提高。这种情况下给煤气炉的技术改造提出了新了课题，即：煤气炉炉裙（灰仓）、炉箅、滑道等处必须能承受400℃的高温，并且运行周期长。经过反复攻关，目前这一问题已经成功解决。经过技术改造的煤气炉，在烧劣质煤的情况下，炉上温度不超过350℃，炉下温度可以达到300～400℃，完全满足了形势发展的要求。
综上所述，随着形势的发展和科学技术的进步，煤气炉的技术改造进入一个崭新的阶段。我们只有用系统论的观点去分析和研究问题，才能避免在技术改造中走弯路。
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