淺析煤氣發(fā)生爐的安全使用

一、發(fā)展概況
　　
　　煤作為世界上最重要的能源之一，在工業(yè)生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用，其中把煤炭氣化成煤氣的技術(shù)應(yīng)用至今已有百余年歷史。隨著研究的深入以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭氣化的技術(shù)得到長足的進(jìn)步，煤氣發(fā)生爐向小型化、簡單化、生產(chǎn)低成本化發(fā)展，大大降低了能量損耗、生產(chǎn)成本和污染排放。改進(jìn)后的煤氣發(fā)生爐廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，因此提高煤氣發(fā)生爐的安全性具有十分重要的意義。
　　
　　二、工作原理
　　
　　煤氣發(fā)生爐主要由機(jī)械加料系統(tǒng)、煤氣發(fā)生系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，卸渣排污系統(tǒng)等組成，其核心是煤氣發(fā)生系統(tǒng)。煤的氣化就是發(fā)生在煤氣發(fā)生系統(tǒng)中，它是一個在高溫條件下，借助氣化劑的化學(xué)作用，將固體煤炭氣化成可燃?xì)怏w的化學(xué)過程。根據(jù)煤炭的氣化過程，可將爐內(nèi)煤炭自下而上分成灰渣層、氧化層、還原層、干餾層、干燥層。如圖1所示：

　每個煤層中發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)都是不同的，而且對整個氣化過程所起的作用也有所不同。
　　1．灰渣層。由空氣和水蒸氣所組成的氣化劑在灰渣層中預(yù)熱，并通過灰渣層均勻地進(jìn)入氧化層。同時灰渣層還起著保護(hù)灰盤的作用，使其工作期間溫度保持一定范圍內(nèi)。多余的灰渣通過灰盤排出煤氣發(fā)生爐。
　　2．氧化層。氧化層是產(chǎn)生煤氣和熱量的關(guān)鍵部位，其高度一般為150mm左右。在氧化層中煤炭中的炭被氣化劑中的氧氣氧化，生成CO2及少量CO，同時釋放出大量熱量。氧化層中溫度最高，一般可達(dá)1100℃～1200℃。與氧化層接觸的鋼板最易發(fā)生腐蝕。
　　C+O2→CO2+CO+熱量
　　3．還原層。還原層在氧化層上面，是產(chǎn)生煤氣的主要部位，還原層經(jīng)過氧化層的加溫，還原層的溫度達(dá)到1000℃以上。煤中的炭與CO2和水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成CO和H2+，同時吸收大量熱量。
　　熱量+C+CO2→CO
　　熱量+C+H2+O→CO+H2+
　　4．干餾層。干餾層中也能產(chǎn)生少量煤氣，把干餾層的煤炭加熱到700℃以后，煤炭開始出現(xiàn)干裂、解體，同時干餾出甲烷、CO、氫氣、焦油等氣體。
　　5．干燥層。干燥層實(shí)際上就是煤炭烘干和預(yù)熱的地方，煤塊從煤氣發(fā)生爐頂部加入后，迅速被加熱到500℃左右，煤炭表面的水分迅速蒸發(fā)變成水蒸氣，與煤氣一起排出爐外。
　　
　　三、檢驗案例
　　
　　2007年上半年，我們對寧波某鑄造廠的一臺使用了3年的煤氣發(fā)生爐進(jìn)行了首次全面檢驗，在宏觀檢查中，我們發(fā)現(xiàn)筒體底部輕微鼓起，詢問設(shè)備管理員后，得知在煤氣發(fā)生爐投用后，曾發(fā)生過一起夾套缺水事故，在夾套缺水，鋼板過熱的情況下，操作工沒有采取緊急停爐出煤渣等措施，而是往煤氣發(fā)生爐上方汽包緊急加水等錯誤操作，導(dǎo)致夾套內(nèi)部壓力突然增加，從而引起夾套底部變形。在了解情況后，我們要求用戶單位打開人孔，并清除內(nèi)部煤渣后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)罐底部未發(fā)生變形，但腐蝕嚴(yán)重，待打磨測厚后，發(fā)現(xiàn)處于氧化層的鋼板腐蝕最嚴(yán)重，14mm的鋼板已腐蝕了7mm左右，位于人孔下方200mm處腐蝕最嚴(yán)重，壁厚僅為7.1mm，而還原層以上的鋼板幾乎未發(fā)生腐蝕。對焊縫進(jìn)行磁粉探傷和對腐蝕區(qū)進(jìn)行滲透探傷后，未發(fā)現(xiàn)裂紋等超標(biāo)缺陷。
　　根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》，對該臺煤氣發(fā)生爐進(jìn)行強(qiáng)度校驗，取內(nèi)罐計算長度L=2350mm，內(nèi)罐外直徑DO=1628mm，C=(14-7.1)/3=2.3mm/y，δe=7.1-2.3=4.8mm，
　　L/DO=2350/1628=1.44，DO/δe=1628/4.8=339.2
　　由GB150-1998《鋼制壓力容器》得，B=22，所以[P]=B/(DO/δe)=22/339.2=0.06MPa。
　　根據(jù)強(qiáng)度校驗結(jié)果和夾套變形情況，依據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》，該臺煤氣發(fā)生爐安全等級定為5級，對該設(shè)
　　備予以判廢處理。
　　
　　四、原因分析
　　
　　1．煤氣發(fā)生爐內(nèi)罐溫度極高，且內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜。日常生產(chǎn)時，氧化層釋放出大量的熱量，使得煤氣發(fā)生爐內(nèi)罐溫度可達(dá)到1200℃以上，內(nèi)罐中心溫度甚至可達(dá)到1400℃左右。此時夾套中的冷卻水就對內(nèi)罐鋼板的保護(hù)起了至關(guān)重要的作用。在夾套缺水或無水情況下，就會引起爐體鋼板過熱，甚至變形，若此時操作工作操作失誤，緊急補(bǔ)水，就會引起夾套壓力突然升高，導(dǎo)致夾套變形，甚至爐體爆炸，造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失。
　　2．在日常生產(chǎn)中，內(nèi)罐鋼板長期處于高溫、高濕環(huán)境中，鋼板的機(jī)械性能和抗腐蝕能力大大下降，而潮濕的水環(huán)境又使鋼板極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，大量陰離子（如Cl-）吸附在金屬表面后，迅速破壞鋼板表面鈍化膜，鈍化膜被破壞后而鋼板又缺乏自鈍化能力，鋼板表面就發(fā)生腐蝕，腐蝕后的鋼板表面缺陷處易漏出機(jī)體金屬，其呈活化狀態(tài)，而鈍化膜處仍為鈍態(tài)，這樣就形成了活性—鈍性腐蝕電池，由于陽極面積比陰極面積小得多，陽極電流密度很大，腐蝕就不斷往深處發(fā)展，鋼板表面很快就被腐蝕成小孔，形成點(diǎn)蝕。
　　3．國內(nèi)的煤炭含硫量普遍較高，在高溫潮濕的條件下，硫與氣化劑中的氧和煤炭中的碳在氧化層和還原層中發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)，生成SO2和H2+S，在水環(huán)境中，生成硫酸、亞硫酸和氫硫酸等，鋼板就迅速被酸液腐蝕。同時，由于PH值的降低和溫度的升高，這都增加點(diǎn)蝕發(fā)生的可能性，而鋼板腐蝕后生成的Fe3+又能促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生，因此處于氧化層的鋼板就不斷發(fā)生點(diǎn)蝕。

　　4．在發(fā)生點(diǎn)蝕的同時,煤炭中的硫以及H2+S等硫化物，在高溫條件下與夾套底部的鋼板又發(fā)生高溫硫化腐蝕，H2+S+Fe →FeS+H2+，S+Fe →FeS。在點(diǎn)蝕和硫化腐蝕的共同作用下，夾套底部鋼板就迅速減薄。
　　
　　五、防范措施
　　
　　針對煤氣發(fā)生爐的工作原理以及發(fā)生腐蝕的主要原因，我們可以從以下幾個方面對煤氣發(fā)生爐的安全性和耐腐蝕性進(jìn)行改進(jìn)：
　　1．在煤氣發(fā)生爐上方的汽包中裝設(shè)自動進(jìn)水裝置，在少水的情況下，進(jìn)水閥自動打開，保證夾套能夠正常工作，這樣既提高了煤氣發(fā)生爐的安全性，又減少了操作工的工作量。
　　2．加強(qiáng)操作人員安全培訓(xùn)和教育，提高相關(guān)人員的安全意識，制定事故應(yīng)急預(yù)案，在發(fā)生夾套缺水爐體過熱的情況下，操作工能采取正確的操作，而不是緊急加水，從而杜絕事故發(fā)生。
　　3．在煤氣發(fā)生爐上方的汽包上和夾套頂部裝設(shè)大口徑爆破片，在夾套壓力突然升高的情況下，爆破片及時爆破，從而控制夾套壓力在正常范圍內(nèi)，不至于因為壓力過高引起筒體變形或者破裂而引發(fā)安全事故。
　　4．在日常生產(chǎn)中不斷的往灰盤中加堿性水（如石灰水），中和酸液，從而達(dá)到保護(hù)鋼板，降低腐蝕速度的目的。
　　5．由于腐蝕的不可避免性，可在內(nèi)罐底部氧化層與干餾層之間的鋼板處，加襯一層4mm左右的鋼板，隔斷酸液與內(nèi)罐本體鋼板的接觸，從而達(dá)到保護(hù)內(nèi)罐本體鋼板的目的。
　　6．加強(qiáng)檢驗，縮短全面檢驗周期，在發(fā)現(xiàn)襯板被腐蝕后的余量不能滿足到下一個全面檢驗周期后，就及時更換襯板，避免夾套鋼板的腐蝕。這樣就可以增加煤氣發(fā)生爐的壽命，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。
　　
　　六、結(jié)語
　　
　　煤氣發(fā)生爐廣泛使用于鑄造、玻璃、化工、冶金等行業(yè)，采用上述幾種防護(hù)措施后，能有效地提高煤氣發(fā)生爐的安全性和使用壽命，在某鑄造廠推廣使用后，得到了良好的使用效果。