摘要：氮肥企業(yè)固定床造氣爐低壓水夾套的操作壓力低、飽和蒸汽溫度低，其水冷壁效應問題突出。成功應用提溫后的中壓直筒水夾套技術(shù)，克服了低溫水夾套的不足，減弱了水冷壁效應，是節(jié)能、節(jié)碳方面成果的創(chuàng)新應用。

關(guān)鍵詞：冷壁效應;結(jié)疤掛爐;蒸汽分解率;節(jié)碳;效益

一、綜述

常壓固定床造氣爐當初設(shè)置水夾套的目的，一是降低爐壁處碳渣層的溫度，防止高溫結(jié)渣掛爐，二是回收熱量副產(chǎn)蒸汽。設(shè)置水夾套有利生產(chǎn)的同時也帶來了弊端，即產(chǎn)生了水冷壁效應：用價格較高的白煤產(chǎn)了蒸汽，同時降低了吹風效率和制氣的蒸汽分解率，增加了爐渣殘?zhí)?。即使回收熱量副產(chǎn)蒸汽減輕了這一弊，但等于原料煤作為鍋爐燃料煤使用，降低了經(jīng)濟效益，我們應該拿煤矸石、煙煤、廢氣廢渣等低成本能源來產(chǎn)生蒸汽，夾套中產(chǎn)生蒸汽浪費的都是“精肉”，十分可惜。

固定床造氣爐歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，為了找到解決水夾套冷壁效應的具體方法，各廠家、研究單位在夾套上做了不少文章，先后出現(xiàn)了不少結(jié)構(gòu)形式的夾套，如直筒水夾套、錐形水夾套、導油夾套、直筒中壓水夾套等，近年以采用提溫方法解決夾套水冷壁問題得到越來越多技術(shù)人員的認可，當前比較成熟的已經(jīng)進入工業(yè)化推廣階段的是提溫后的中壓直筒水夾套，此種技術(shù)的應用對增產(chǎn)、節(jié)能、減碳方面做了很多有益的貢獻。

我公司針對造氣系統(tǒng)的具體情況，為了克服低壓低溫水夾套的不足，解決固定床造氣爐夾套水冷壁效應，我們于2013年初對造氣爐實施應用中壓水夾套新技術(shù)，節(jié)能效果顯著。

二、項目改造內(nèi)容

1、技術(shù)背景

解決水冷壁最有效的方法就是對夾套是提溫。而中壓水夾套就是靠采用提高夾套內(nèi)蒸汽壓力的方法來提高夾套內(nèi)壁溫度，減輕了水夾套的冷壁效應，提高了蒸汽利用的品位等級。例如壓力0.25MPa時飽和溫度127.41℃，壓力1.0MPa時飽和溫度179.89℃，壓力1.27MPa時飽和溫度190.54℃，壓力3.82MPa時飽和溫度247.64℃。

采用中壓水夾套的煤氣爐可降低熱量傳導。因中壓水夾套工作壓力比較高，所產(chǎn)的飽和蒸汽的溫度亦隨著提高。這就縮小了爐內(nèi)燃料層與水冷壁的溫差，使傳熱效果大大降低，從而減少了爐內(nèi)燃料層的熱量損失，提高煤氣爐的熱效率，增強了燃料熱量的有效利用。

2、實施方案

1#----8#爐為A系統(tǒng)，9#----15#爐為B系統(tǒng)，16#----22#爐為C系統(tǒng)，東廠1#---11#爐為D系統(tǒng);總體思路：先對C 系統(tǒng)改造，再對B、D系統(tǒng)進行改造，最后改A系統(tǒng)：中壓汽包：每兩臺或三臺造氣爐共用一臺中壓汽包，聯(lián)合廢鍋均采用原低壓流程且保留低壓聯(lián)合廢鍋汽包。

第一階段：2013年元月在供氣車間3#造氣擴建中對C系統(tǒng)16#--22#造氣爐實施了中壓技術(shù)改造。實施后效果顯著。

第二階段：2014年1月---2015年2月利用單爐大修期間分別對A、B、D 系統(tǒng)進行改造。

投資情況：A系統(tǒng)技改投資+B系統(tǒng)技改投資+D系統(tǒng)技改投資+C系統(tǒng)技改投資 =367.2萬元 （在此不詳述）

改造前，常壓夾套汽包壓力為0.1-0.2Mp，夾套溫度為115℃，蒸汽回收至聯(lián)合過熱器過熱后進入緩沖罐供造氣爐使用，下灰殘?zhí)柯蕿?3%左右，單爐產(chǎn)氣量為7600m3左右。溫度和壓力都比較低無法讓靠近夾套部分的氣化層邊緣區(qū)充分加熱，導致原料煤燃燒不充分，碳的發(fā)熱量無法提高，降低了單體造氣爐發(fā)熱量，從而導致原料煤消耗偏高、原料氣供應緊張。

經(jīng)過低壓改中壓后，汽包壓力由原來的0.1-0.2Mp提升到1.27Mp，夾套溫度也由原來的115℃提升到195℃—198℃，提高了副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)，單爐殘?zhí)柯式禐?0%左右，降低2—3%，副產(chǎn)蒸汽直接并入低壓蒸汽管網(wǎng)。在入爐風量不變的情況下，單爐蒸汽手輪配比比原來大2圈左右，單爐發(fā)氣量增加了400m3左右，達到8000m3左右，大大提高了煤氣爐內(nèi)氣化層邊緣區(qū)溫度，提高炭的反應效率，使得殘?zhí)柯式档土?—3%，加速蒸汽分解率，減少吹風時間，延長制氣時間，達到節(jié)煤降耗的效果。

3、技術(shù)創(chuàng)新點

1）結(jié)構(gòu)上

在現(xiàn)有的水槽式夾套的基礎(chǔ)上保留內(nèi)套、去掉外套，在內(nèi)套的外壁面增設(shè)上下環(huán)管及減溫冷管，利用管內(nèi)蒸發(fā)能承受較高壓力的特點，產(chǎn)出較高壓力和溫度的蒸汽，有利于提高到露點以上，有效地防止露點腐蝕。汽包對較高壓力的汽水進行可靠有效地分離，避免了蒸汽帶水。由于每個冷管單獨與內(nèi)套連接，并形成平衡的受力，所以，內(nèi)套整體不再受外壓的作用，也就避免了局部過熱講失穩(wěn)現(xiàn)象。還因蒸發(fā)溫度的提高，炭層與內(nèi)套壁面的傳熱溫差下降，減少了爐內(nèi)熱損失，提高了造氣爐熱效率。

2）技術(shù)上

（1）提高入蒸汽分解率。由于冷管式結(jié)構(gòu)能耐較高的壓力，故可產(chǎn)較高壓力及溫度的高品位蒸汽，并可同廢鍋共用一個汽包，所產(chǎn)蒸汽一起過熱主，使造氣實現(xiàn)過熱蒸汽制氣，避免了蒸汽帶水，大大提高了入爐蒸汽分解率，降低了蒸汽消耗。

（2）可降低入爐煤耗。高溫蒸汽入爐后，因蒸汽分解率的提高隨煤氣帶走的未分解的蒸汽減少，也就減少了煤氣的帶出熱量，可降低煤耗。另一方面，因蒸發(fā)壓力的提高，夾套內(nèi)飽和水及飽和蒸汽的溫度也隨之提高，這就降低了爐內(nèi)炭層與夾套內(nèi)壁的傳熱溫差，減少了爐內(nèi)熱量的損失，提高了造氣爐的熱效率，降低了入爐煤耗。

（3）可減少出汽包蒸汽的帶水量。因蒸發(fā)壓力的提高，使所產(chǎn)蒸汽的密度增大，汽包內(nèi)汽水界面波動較小，故可減少所產(chǎn)蒸汽的帶水量，有利于蒸汽的過熱，降低了半水煤帶水的危害。

（4）有效避開了低溫露點腐蝕。由于工作壓力的提高，使夾套根部內(nèi)壁工作溫度自然提高在露點溫度（145±3℃）以上，從而消除了露點腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命。

4、安全性能高

化工企業(yè)屬高危行業(yè)，固定床造氣爐的水夾套長周期穩(wěn)定性運行是保證安全生產(chǎn)的重要前提。

1）水汽對流循環(huán)可靠、安全性強

高壓水夾套由單面水冷壁，上環(huán)管、下環(huán)管及減溫水冷管，高壓汽包組成，形成了比較完善分明的上升管、下降管及穩(wěn)定汽水分離系統(tǒng)。改變了原槽式水夾套所產(chǎn)蒸汽鼓泡升騰及內(nèi)壁受壓失衡的局面，避免了汽包的聚集區(qū)易過熱、氣阻造成內(nèi)套鼓包凸起損壞及汽水難以分離蒸汽帶水事故的發(fā)生。

2）汽水分離效果好

在高壓汽包內(nèi)，改變了汽水分離裝置，由于壓力的提高，汽包內(nèi)的汽液接觸面波動小，汽水得到了有效分離，避免了蒸汽帶水事故的發(fā)生。

3）結(jié)構(gòu)緊湊、承壓效果好

螺旋半圓式管式中壓直筒水夾套結(jié)構(gòu)與原槽式水夾套相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、釜體受力好的特性，從設(shè)計、使用安全的角度而言，螺旋半圓管中壓水夾套了是目前化工生產(chǎn)中較為安全、合理、先進的夾套結(jié)構(gòu)形式。

5、投資收益

1）對比計算：統(tǒng)一采用φ2800水夾套，，低壓夾套為0.1Mpa，中壓夾套為1.3Mpa，外來供水溫度95℃，供水壓力小于2Mpa，造氣爐氣化層厚度1米，溫度1200℃。

由于氣化層溫度是使夾套產(chǎn)生蒸汽的主要部分，當采用0.1 Mpa低壓夾套時，造氣爐向夾套傳熱為：59*（2.8*3.1415*1m）*1小時*（1200℃-120℃）=560493kcal，相當與消耗6800大卡的塊煤（固定碳78%）82.43公斤;當采用1.3Mpa中壓夾套時，造氣爐向夾套傳熱為：57.3*（2.8*3.1415*1m）*1小時*（1200℃-195℃）=506542kcal， 相當與消耗6800大卡的塊煤（固定碳78%）74.49公斤。從以上計算可以看出，中壓水夾套每爐每小時比低壓水夾套節(jié)約塊煤7.94公斤，開28爐每年節(jié)約塊煤7.94*24*350*28/1000=1867.488噸，節(jié)約資金186.749萬元。

2）、因為中壓夾套提高了內(nèi)壁溫度，灰渣中的可燃物含量下降1.5%左右，東、西造氣系統(tǒng)每天生產(chǎn)造氣爐渣300噸左右，全年節(jié)約塊煤300*1.5%*350=1575噸，節(jié)約資金157.5萬元，合計年節(jié)約資金186.749萬元+節(jié)約資金157.5萬元=344.249萬元。投資收益期=367.2/（186.749+157.5）=1.06年=12.8月。上述計算未包括吹出物降低，顯熱降低，舊夾套置換等，總體投資收益期最多12.8個月。

三、結(jié)束語

螺旋半圓管式中壓直筒水夾套技術(shù)，已在我公司造氣崗位成功應用了6年多，實踐證明達到了節(jié)能的目的，減少了能源浪費和降低了廢氣排放，進而減少了對環(huán)境的污染，為“節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、節(jié)能、減碳”做出了一定的貢獻，同時也是我們應該承擔的社會責任。

作者簡介：張宇，男，1980年1月出生，漢族，本科學歷，化學工程與工藝專業(yè)，，中級工程師，從事化工生產(chǎn)、設(shè)備管理工作。