常压固定床造气炉中压水夹套技术应用总结

摘要：氮肥企业固定床造气炉低压水夹套的操作压力低、饱和蒸汽温度低，其水冷壁效应问题突出。成功应用提温后的中压直筒水夹套技术，克服了低温水夹套的不足，减弱了水冷壁效应，是节能、节碳方面成果的创新应用。

关键词：冷壁效应;结疤挂炉;蒸汽分解率;节碳;效益

一、综述

常压固定床造气炉当初设置水夹套的目的，一是降低炉壁处碳渣层的温度，防止高温结渣挂炉，二是回收热量副产蒸汽。设置水夹套有利生产的同时也带来了弊端，即产生了水冷壁效应：用价格较高的白煤产了蒸汽，同时降低了吹风效率和制气的蒸汽分解率，增加了炉渣残碳。即使回收热量副产蒸汽减轻了这一弊，但等于原料煤作为锅炉燃料煤使用，降低了经济效益，我们应该拿煤矸石、烟煤、废气废渣等低成本能源来产生蒸汽，夹套中产生蒸汽浪费的都是“精肉”，十分可惜。

固定床造气炉历经几十年的发展，为了找到解决水夹套冷壁效应的具体方法，各厂家、研究单位在夹套上做了不少文章，先后出现了不少结构形式的夹套，如直筒水夹套、锥形水夹套、导油夹套、直筒中压水夹套等，近年以采用提溫方法解决夹套水冷壁问题得到越来越多技术人员的认可，当前比较成熟的已经进入工业化推广阶段的是提温后的中压直筒水夹套，此种技术的应用对增产、节能、减碳方面做了很多有益的贡献。

我公司针对造气系统的具体情况，为了克服低压低温水夹套的不足，解决固定床造气炉夹套水冷壁效应，我们于2013年初对造气炉实施应用中压水夹套新技术，节能效果显著。

二、项目改造内容

1、技术背景

解决水冷壁最有效的方法就是对夹套是提温。而中压水夹套就是靠采用提高夹套内蒸汽压力的方法来提高夹套内壁温度，减轻了水夹套的冷壁效应，提高了蒸汽利用的品位等级。例如压力0.25MPa时饱和温度127.41℃，压力1.0MPa时饱和温度179.89℃，压力1.27MPa时饱和温度190.54℃，压力3.82MPa时饱和温度247.64℃。

采用中压水夹套的煤气炉可降低热量传导。因中压水夹套工作压力比较高，所产的饱和蒸汽的温度亦随着提高。这就缩小了炉内燃料层与水冷壁的温差，使传热效果大大降低，从而减少了炉内燃料层的热量损失，提高煤气炉的热效率，增强了燃料热量的有效利用。

2、实施方案

1#----8#炉为A系统，9#----15#炉为B系统，16#----22#炉为C系统，东厂1#---11#炉为D系统;总体思路：先对C 系统改造，再对B、D系统进行改造，最后改A系统：中压汽包：每两台或三台造气炉共用一台中压汽包，联合废锅均采用原低压流程且保留低压联合废锅汽包。

第一阶段：2013年元月在供气车间3#造气扩建中对C系统16#--22#造气炉实施了中压技术改造。实施后效果显著。

第二阶段：2014年1月---2015年2月利用单炉大修期间分别对A、B、D 系统进行改造。

投资情况：A系统技改投资+B系统技改投资+D系统技改投资+C系统技改投资 =367.2万元 （在此不详述）

改造前，常压夹套汽包压力为0.1-0.2Mp，夹套温度为115℃，蒸汽回收至联合过热器过热后进入缓冲罐供造气炉使用，下灰残炭率为23%左右，单炉产气量为7600m3左右。温度和压力都比较低无法让靠近夹套部分的气化层边缘区充分加热，导致原料煤燃烧不充分，碳的发热量无法提高，降低了单体造气炉发热量，从而导致原料煤消耗偏高、原料气供应紧张。

经过低压改中压后，汽包压力由原来的0.1-0.2Mp提升到1.27Mp，夹套温度也由原来的115℃提升到195℃—198℃，提高了副产蒸汽品质，单炉残炭率降为20%左右，降低2—3%，副产蒸汽直接并入低压蒸汽管网。在入炉风量不变的情况下，单炉蒸汽手轮配比比原来大2圈左右，单炉发气量增加了400m3左右，达到8000m3左右，大大提高了煤气炉内气化层边缘区温度，提高炭的反应效率，使得残炭率降低了2—3%，加速蒸汽分解率，减少吹风时间，延长制气时间，达到节煤降耗的效果。

3、技术创新点

1）结构上

在现有的水槽式夹套的基础上保留内套、去掉外套，在内套的外壁面增设上下环管及减温冷管，利用管内蒸发能承受较高压力的特点，产出较高压力和温度的蒸汽，有利于提高到露点以上，有效地防止露点腐蚀。汽包对较高压力的汽水进行可靠有效地分离，避免了蒸汽带水。由于每个冷管单独与内套连接，并形成平衡的受力，所以，内套整体不再受外压的作用，也就避免了局部过热讲失稳现象。还因蒸发温度的提高，炭层与内套壁面的传热温差下降，减少了炉内热损失，提高了造气炉热效率。

2）技术上

（1）提高入蒸汽分解率。由于冷管式结构能耐较高的压力，故可产较高压力及温度的高品位蒸汽，并可同废锅共用一个汽包，所产蒸汽一起过热主，使造气实现过热蒸汽制气，避免了蒸汽带水，大大提高了入炉蒸汽分解率，降低了蒸汽消耗。

（2）可降低入炉煤耗。高温蒸汽入炉后，因蒸汽分解率的提高随煤气带走的未分解的蒸汽减少，也就减少了煤气的带出热量，可降低煤耗。另一方面，因蒸发压力的提高，夹套内饱和水及饱和蒸汽的温度也随之提高，这就降低了炉内炭层与夹套内壁的传热温差，减少了炉内热量的损失，提高了造气炉的热效率，降低了入炉煤耗。

（3）可减少出汽包蒸汽的带水量。因蒸发压力的提高，使所产蒸汽的密度增大，汽包内汽水界面波动较小，故可减少所产蒸汽的带水量，有利于蒸汽的过热，降低了半水煤带水的危害。

（4）有效避开了低温露点腐蚀。由于工作压力的提高，使夹套根部内壁工作温度自然提高在露点温度（145±3℃）以上，从而消除了露点腐蚀，延长了设备的使用寿命。

4、安全性能高

化工企业属高危行业，固定床造气炉的水夹套长周期稳定性运行是保证安全生产的重要前提。

1）水汽对流循环可靠、安全性强

高压水夹套由单面水冷壁，上环管、下环管及减温水冷管，高压汽包组成，形成了比较完善分明的上升管、下降管及稳定汽水分离系统。改变了原槽式水夹套所产蒸汽鼓泡升腾及内壁受压失衡的局面，避免了汽包的聚集区易过热、气阻造成内套鼓包凸起损坏及汽水难以分离蒸汽带水事故的发生。

2）汽水分离效果好

在高压汽包内，改变了汽水分离装置，由于压力的提高，汽包内的汽液接触面波动小，汽水得到了有效分离，避免了蒸汽带水事故的发生。

3）结构紧凑、承压效果好

螺旋半圆式管式中压直筒水夹套结构与原槽式水夹套相比，具有结构紧凑、釜体受力好的特性，从设计、使用安全的角度而言，螺旋半圆管中压水夹套了是目前化工生产中较为安全、合理、先进的夹套结构形式。

5、投资收益

1）对比计算：统一采用φ2800水夹套，，低压夹套为0.1Mpa，中压夹套为1.3Mpa，外來供水温度95℃，供水压力小于2Mpa，造气炉气化层厚度1米，温度1200℃。

由于气化层温度是使夹套产生蒸汽的主要部分，当采用0.1 Mpa低压夹套时，造气炉向夹套传热为：59*（2.8*3.1415*1m）*1小时*（1200℃-120℃）=560493kcal，相当与消耗6800大卡的块煤（固定碳78%）82.43公斤;当采用1.3Mpa中压夹套时，造气炉向夹套传热为：57.3*（2.8*3.1415*1m）*1小时*（1200℃-195℃）=506542kcal， 相当与消耗6800大卡的块煤（固定碳78%）74.49公斤。从以上计算可以看出，中压水夹套每炉每小时比低压水夹套节约块煤7.94公斤，开28炉每年节约块煤7.94*24*350*28/1000=1867.488吨，节约资金186.749万元。

2）、因为中压夹套提高了内壁温度，灰渣中的可燃物含量下降1.5%左右，东、西造气系统每天生产造气炉渣300吨左右，全年节约块煤300*1.5%*350=1575吨，节约资金157.5万元，合计年节约资金186.749万元+节约资金157.5万元=344.249万元。投资收益期=367.2/（186.749+157.5）=1.06年=12.8月。上述计算未包括吹出物降低，显热降低，旧夹套置换等，总体投资收益期最多12.8个月。

三、结束语

螺旋半圆管式中压直筒水夹套技术，已在我公司造气岗位成功应用了6年多，实践证明达到了节能的目的，减少了能源浪费和降低了废气排放，进而减少了对环境的污染，为“节约发展、清洁发展、节能、减碳”做出了一定的贡献，同时也是我们应该承担的社会责任。

作者简介：张宇，男，1980年1月出生，汉族，本科学历，化学工程与工艺专业，，中级工程师，从事化工生产、设备管理工作。