φ2800自身返碱蒸汽煅烧炉炉头返碱管损坏原因探讨

高树森

（石家庄双联化工有限责任公司，河北 石家庄 050200）

2009年5月石家庄双联化工投运1台φ2800×28000自身返碱蒸汽煅烧炉，运行一段时间后，炉头出气温度低（小于110℃）、堆碱、结疤，而炉尾出碱温度高，生产能力大幅度下降。同时轻灰分离器经常堵塞，造成现场碱尘多、环境差，严重影响了正常生产。

为了解决此问题，采取了加大挡灰圈尺寸、螺旋板改造、抬高轻灰绞龙进口高度、增加轻灰副线绞龙等措施，均未取得满意效果。2010年8月12日轻灰分离器再次出现堵塞造成轻灰绞龙跳闸，接着主电机频繁跳闸，停炉检查炉头，全部结疤。在炉头罩一侧开孔处理结疤时发现返碱管变形严重，返碱量不足正常量的1／3。随后在炉头内按返碱管走向间断开孔检查，看到3条返碱管均已严重变形损坏。

1 煅烧炉炉头基本结构

φ2800×28000自身返碱蒸汽煅烧炉炉体外壁布置4条螺旋返碱管，其中1条为成品返回炉头后经刮板、斗提等输送设备，经凉碱机冷却后进行包装。其余3条作为返碱与进入炉头内的重碱进行混合，以保证混合碱中的水分小于8%防止粘炉。炉头内布置的螺旋板、链条可使重碱与返碱混合均匀。炉头由内筒、外筒、返推螺旋、浮环、炉罩、出气罩、轻灰螺旋输送机进口等组成。炉头返碱管布置在内筒外壁上，其外壁与内、外筒体间形成了一段封闭的环形空腔。炉气在风机作用下经出气罩进入旋风分离器除去大部分碱尘，再经洗涤器、冷凝塔、洗涤塔，加压后送入碳化塔进行浓气制碱。分离下来的碱尘由轻灰绞龙送入煅烧炉头内与重碱混合。炉头结构如图1。

图1 煅烧炉炉头结构

2 煅烧炉炉头返碱管损坏原因分析

2.1 封闭环腔内的存水受热汽化

炉头返碱管由厚度为4mm普通碳素钢板，预制成断面尺寸为350×250mm U型槽状，满焊在内筒外壁上。装上外筒及组装完毕后便形成了在2 200mm范围内，返碱管外壁与内、外筒间的封闭环腔。原始或检修后开车暖炉过程中随着蒸汽压力的逐渐加大，炉内温度不断升高，当返碱温度大于170℃时开始加入重碱进行生产。此过程中如果封闭环腔内有水存在时肯定会受热汽化，产生一定的压力作用到返碱管外壁，当该压力超过返碱管的临界应力时将会出现变形损坏。

2.2 封闭环腔内返碱管承受压力计算

1）计算条件

设定煅烧炉开车暖炉可以投入重碱时炉内温度为170℃，密封环腔内产生蒸汽温度150℃（按环腔内存水受热完全蒸发进行计算）；假设环腔内存水为7kg。

2）基础数据

内、外筒间环腔尺寸：

φ3300／φ2832×2200。

内、外筒间环腔体积：

V＝3.14×（3.32／4－2.8322／4）×2.2＝4.96m3

密封环腔体积：因炉头4根返碱管约占内、外筒间环腔体积的2／5，则：

V密封环腔＝4.96×3／5＝2.98m3

3）计算

蒸汽温度t＝150℃，T＝150＋273＝423K；n＝7 000／18＝388.89mol；R＝8.314。

根据理想气体状态方程：pV＝nRT

则p＝nRT／V＝388.89×8.314×423／2.98＝0.46MPa

同样方法计算，不同存水量可能对返碱管外壁产生的压力，见表1。

表1 密封环腔存水汽化可能对返碱管外壁产生的压力

2.3 返碱管临界压力的计算

鉴于目前薄壁矩形容器外压计算尚未见统一的标准方法，故参照φ350×4薄壁长圆筒外压容器近似计算返碱管的临界压力值。

取：D＝350mm，S0＝4mm；

弹性模量E：在t＝150℃时，E＝2.0×105MPa。

按薄壁长圆筒外压容器临界压力计算公式：Pcr＝2.2×E×（S0／D）3

φ350×4薄壁长圆筒可承受的临界压力：

Pcr＝2.2×2.0×105×（4／350）3＝0.67MPa

经验证明：长圆筒容器受外压时最易压扁，压扁时出现两个波形。从更换下来的变形返碱管大部分为两个波形来看，用长圆筒容器受外压模型来近似估算矩形返碱管受外压分析应可行。

由以上计算可知：在炉内温度为170℃时，只要密封腔进水10kg以上，受热蒸发后将产生对返碱管外壁大于0.66MPa的压力。当煅烧炉原始试压、投运或停车水洗炉后暖炉升温开车时，如果不按工艺要求进行，升压、升温速度过快，密封腔内若存有一定量的水，短时间汽化，来不及排出，就会产生很大蒸汽压，从而将返碱管压扁。更何况矩形的返碱管所能承受的压力肯定会小于长圆筒容器。

3 密封环腔进水分析

煅烧炉正常生产情况下密封环腔无进水可能。只有在设备制造与生产停车水洗炉时才可能出现此现象。

1）可能是由于炉头在制造半成品时漏进雨水或者试漏时进水，后续工序未处理即封闭，造成密封腔有水存在。

2）炉头返碱管焊接质量差，水在生产洗炉时漏进密封环腔内。

4 整改措施及效果

我公司采用从炉头内挖补方法对损坏的3条返碱管全部进行了更换，焊条采用J427，烘箱烘干350℃保温1h。内筒体开口处焊接采用间断焊（200 mm），以减少焊接应力防止设备变形，该方案加快了施工进度，节省了一定费用。

在返碱管进入炉头密封环腔大法兰部位留出200×10mm间隙，用石棉盘根封堵。当密封腔内一旦进水时可进行卸压，防止再次发生类似损坏事故。

整改后煅烧炉炉头出气温度120～130℃，彻底解决了炉头易结疤难题，设备运行正常，生产能力达600t／天，同时环境也得到了改善。

［1］ 陈偕中.化工容器设计全书：化工容器设计［M］.上海：上海科学技术出版社，1987

［2］ 李斯特.高等学校教材：工程热力学原理［M］.北京：化学工业出版社，1990