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化学工程与装备 2023 年 第 7 期 158 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 7 月 煤气发生炉水夹套鼓包原因分析与应对措施 煤气发生炉水夹套鼓包原因分析与应对措施 赖鑫伟（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）摘 要：摘 要：煤气发生炉作为工厂产生水煤气的重要设备，其地位在建材、陶瓷、化工、机械等行业有着举足轻重的作用。然而煤气发生炉水夹套经常发生鼓包变形，严重威胁到生产及人身安全。只有找出鼓包原因并给出相对应解决措施，才能保证煤气发生炉长期安全运行。关键词：关键词：煤气发生炉；鼓包；应对措施；水垢 引 言 引 言 煤气发生炉是一种以煤或焦炭为原料，以空气和水蒸汽为汽化剂，在固定床内进行氧化、还原反应产生混合煤气的专用设备。煤气发生炉广泛应用于建材、化工、机械、冶金等行业。特别是近十年随着房地产的高速发展，建材行业也跟着兴起，煤气发生炉在陶瓷行业的应用，降低成本效果是非常显著的。然而，笔者在对特种设备进行检验时，发现煤气发生炉水夹套鼓包变形的发生率远高于其他种类压力容器。TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程规定，压力容器使用过程中产生的鼓包，应当查明原因，判断其稳定状况，如果能查清鼓包的起因并且确定其不再扩展，不影响压力容器安全使用的，可以定为 3 级；无法查清起因时，或者查明原因但是仍然会继续扩展的，定为 4 级或 5 级1。查明水夹套鼓包原因，并对其进行有效整改才能保障煤气发生炉的安全运行。本文将对煤气发生炉水夹套鼓包原因进行详细分析，并给出相应解决对策。1 设备概况 1 设备概况 2018 年 1 月至 2022 年 12 月，在对我市煤气发生炉进行 44 台次的定期检验中，发现 7 台次存在水夹套鼓包变形现象（图 1）；2014 年 11 月至 2015 年 2 月攀枝花市 43 台煤气发生炉存在 7 台鼓包变形2；肇庆市 2017 年春节前后排查发现 78 台煤气发生炉中，15 台存在鼓包现象。说明煤气发生炉鼓包变形在全国存在普遍现象。煤气发生炉以煤或焦炭为原料产生水煤气。原料煤从炉顶加入,由上而下移动,与从炉底进入的由蒸汽和空气混合而成的气化剂逆流相遇,此时,受炉底染料层高温气体加热发生氧化还原反应,产生水煤气.在这一反应过程中炉内温度极高,可达到 1200以上,炉内中心温度甚至达到1400左右,此时,水夹套中的冷却水对内筒壁的钢板就起到了至关重要的保护作用6。以夹套中的水为冷却剂来冷却筒壁,水在冷却筒壁的过程中被加热产生水蒸汽并使夹套带压。水 夹套作用类似锅炉加热产生蒸汽过程。然而由于其运行环境较为恶劣,如果操作不当就可能导致水夹套内筒产生鼓包变形,缩短其使用寿命,严重时可导致爆炸事故发生。因此应当分析其发生原因,提出相应的预防措施,延长煤气发生炉的使用寿命,以避免事故发生。图 1 鼓包现象举例 图 1 鼓包现象举例 2 鼓包本质原因 2 鼓包本质原因 水夹套产生鼓包位置均在内筒，其产生鼓包变形的本质原因是内筒在外压作用下发生了塑性变形，微观表现未蠕动损失，宏观表现为鼓包。水夹套虽然作为容器，但其作用与锅炉锅筒相似：其本体在受到热辐射后，产生压力与蒸汽的过程。因此产生鼓包的原因也与锅炉鼓包相似。水夹套作为容器，适用于 TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程。相较于 TSG11-2020锅炉安全技术规程，其检验项目较少，检验周期一般较长，对人员管理要求较不严格，这就容易导致鼓包等缺陷产生。3 鼓包原因及处理对策 3 鼓包原因及处理对策 3.1 水垢 3.1.1 水垢导致鼓包原理 结合检验分析，多数产生鼓包的煤气发生炉，其夹套内均存在不同厚度的水垢（见图 2）。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.052 赖鑫伟：煤气发生炉水夹套鼓包原因分析与应对措施 159 图 2 夹套水侧水垢 图 2 夹套水侧水垢 水垢的热传导系数为钢板的 1/1001/103，大量结垢会导致内筒受到的热辐射无法快速传递至水侧，这样便无法令内筒钢板得到可靠冷却。由金属受热面温差公式：t=q/4 式中：t-因水垢而产生的温差()-水垢厚度(m)q-热负荷w/-水垢的传热系数w/(m)可知金属受热面温差与水垢厚度成正比，夹套内水垢越厚，传热性就越差。水夹套常见使用 Q245R 或 Q345R 作为钢板材料，其允许使用壁温4305，而炉内温度可达1400，传导至内筒也有 1200。一旦水垢过厚就极易造成钢板无法进行及时传热冷却，钢板长时间超过允许使用温度，从而使钢板金属强度下降，无法承受正常使用的工作外压，而发生变形，形成鼓包。3.1.2 出现水垢原因（1）未按照 GB/T1576-2008工业锅炉水质的规定进行水质处理及化验；（2）未按照 TSGZ6001-2019特种设备作业人员考核规则规定配备水处理作业人员处理水质；（3）未按照 TSG11-2020锅炉安全技术规程规定由检验机构定期对煤气发生炉水质进行检测；（4）未进行定期排污、排污量不够或排污操作不当（如未在带压情况下排出渣垢）；（5）排污口位置设置不利于正常排污操作致使排污次数减少，排污管弯头设置过多导致渣垢无法顺利排出。3.1.3 发生位置 常见于内筒下部且受热辐射较强位置。由于重力沉淀作用，在内筒下部堆积水垢较多，因此此处较易产生鼓包。3.1.4 处理对策：（1）水质应符当符合 GB/T1576-2008工业锅炉水质的规定1：配备并合理使用水处理设备或进行加药处理，并按规定频次进行化验合格后投用；（2）按照 TSGZ6001-2019特种设备作业人员考核规则 规定配备水处理作业人员处理水质；（3）定期将炉水送由检验机构进行检测合格后投用；（4）加强人员操作培训，提升技能，按规定进行正确合理排污；（5）合理设置排污口，较少弯头，排污位置设置在便利操作处。3.2 炉内燃烧情况不稳定 3.2.1 布煤不均匀 煤气发生炉运行中由分煤挡板和粉煤器负责均匀平整地布煤,再配合司炉人员进行定时扎钎和打钎，从而确保炉内煤层和渣层的均匀。在燃炉操作中，如果粉煤器和分煤挡板位置调节不当容易导致布煤不均匀，某些部位燃烧层较高，这样同一轴线上高温区会较长，对应该区水夹套处产生的上升蒸汽相对较多，在该部位的中上部形成汽水混合区。由于水蒸汽的传热效果较差，造成钢板冷却速度变慢，从而使钢板金属强度下降，造成鼓包。3.2.2 偏火燃烧 风机鼓吹不均或布煤不均，容易导致炉火偏向燃烧，使某些部位长时间受到大量热辐射，钢板无法进行及时传热冷却，造成金属强度下降，最终形成鼓包。3.2.3 发生位置 燃烧层较高位置、偏火燃烧受热集中部位。3.2.4 处理对策 应把布煤器位置调整恰当，保证布煤均匀，司炉人员应当定时扎钎和打钎，确保燃烧层和灰层得均匀；定时观察炉内燃烧情况，发现偏火燃烧时应及时调整鼓风机及煤层，防止长时间局部过热。3.3 缺水 3.3.1 缺水鼓包原理 煤气发生炉发生缺水时，夹套上部就会形成一个蒸汽区,使内壁的传热效果减弱,同时使蒸汽区的金属壁温升高，筒体钢材得不到及时冷却而产生长期超温现象，从而引起材料强度下降，形成鼓包。如果严重缺水,还可能引起设备的损坏,甚至爆炸。3.3.2 在实际生产中，发生以下几种情况都可能导致水夹套缺水：（1）进水管内表面结垢使管内变窄,水流流通截面面积减小,导致水夹套缺水；（2）煤气发生炉的水循环管路中加装了阀门,在使用中未开启或者全部开启阀门,也会使水循环管道的流通面积变小.造成水夹套缺水；（3）进水管水压不足，导致汽包内蒸汽压力把汽包液位内水倒压出去，从而发生缺水现象；（4）司炉人员责任心低，不能及时向汽包中补水，确保汽包水位，造成夹套内缺水；（5）操作失误,如果操作人员在定期排污时将排污阀开得过大,短时间大量排污,水夹套得不到及时补水,就会造成夹套内和汽包的水位急剧下降；（6）补水系统在低水位时无法自动补水造成缺水；（7）水位表堵塞造成假水位，导致缺水时判断失误。3.3.3 发生位置 一般从顶部缺水位置发展，严重缺水时可能导致整体鼓包变形。3.3.4 处理对策（1）按要求进行水处理，保证水垢或杂物不堵塞进水160 赖鑫伟：煤气发生炉水夹套鼓包原因分析与应对措施 管；（2）煤气发生炉运行时，保证所有的水循环管路阀门全开启；（3）保证进水管水压不低于炉内工作压力；（4）加强司炉人员专业技能培训，增强管理责任心，掌握正确烧炉方法及排污方法；（5）定时检查自动补水系统是否灵敏可靠；（6）定时冲洗水位表，验证水位指示情况是否正确。3.4 超压使用（1）水夹套工作压力超过设计使用压力，使内筒钢板承受超于自身可承受压力，且内筒是承受外压作用，更易发生压力失稳现象。最终在受力薄弱部位发生突变变形，形成鼓包现象，如果严重超压,还可能引起设备爆炸发生。（2）在实际生产中,以下几种情况都可能导致超压使用:超压自动联锁功能失效；安全阀卡死或超期未校验；司炉人员责任心不强，未关注炉内压力情况；出汽口堵塞或出汽阀门被关闭。（3）发生位置：应力薄弱部位、远离加强板位置或传热不善位置。（4）处理对策：按时试验超压联锁功能，保证超压联锁系统灵敏可靠；按时将安全阀送有关校验部门校验，按时在 75工作压力时进行手动泄放安全阀试验；加强司炉人员专业技能培训，增强管理责任心，实时关注炉内压力；加强水质处理，保证出汽管道畅通。3.5 设计不合理（1）容器受外压时，由其临界压力计算公式：P=2.2E(e/D0)3，与外压应力公式：t=Pc(D0+e)/(2e)比较可得，容器受外压时的压力远大于受内压时。外压容器更容易导致强度不够，稳定性不足。且将夹套型容器用于直接受热产生蒸汽，其收到热辐射巨大。为稳定容器结构，避免容器失稳，常需要对其增加加强板设计，但煤气发生炉多数并无此结构。普通煤气发生炉为夹套式容器，内径 3.5m4.8 米，高度 2.5m3.5m，夹套空间只有 150mm350mm 宽，多数设备中间未设置加强板，且内筒所受压力为外压。夹套容积大，无合理加强版、夹套空间小，内筒受外压且受热辐射大，导致该类容器更容易发生鼓包现象。（2）发生位置：应力薄弱部位、远离加强板位置。（3）处理对策：使用类似贯流式锅炉结垢的对流管束替代夹套式进行换热；使用有进行合理加强补强（加强板）的水夹套，以提升内筒强度及稳定性。4 出现鼓包后处理对策 4 出现鼓包后处理对策 加强对内筒检查，及时了解煤气发生炉受损程度，发现是否鼓包；在定检周期内由有资质的检验部门进行全面检验。由检验部门根据 TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程及相关标准进行检验，主要检查有宏观检查、超声波检测、磁粉检测、硬度检测、金相检验、强度计算、水压试验等。最终进行判定定级，决定进行监控使用、进行缺陷处理或不得继续使用1。后续继续使用时应落实企业主体责任，及时查明鼓包原因并做出相对应解决措施。5 结束语 5 结束语 本文较全面分析了水夹套鼓包变形的各种原因及应对措施，旨在通过应对措施处理鼓包缺陷，及时消除安全隐患，确保煤气发生炉长期安全运行，提高生产安全性，获得最大经济效益。参考文献 参考文献 1 TSG21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程S.新华出版社,2020.2 黄元科,张弛,李良勇.多起煤气发生炉炉体鼓包变形事故原因分析与对策J.理论研究.3 鹿道智.工业锅炉司炉教程M.第 2 版.北京:航空工业出版社,2005:333.4 杨世銘,陶文铨.传热学M.第 4 版.北京:高等教育出版社,2006:47.5 TSG11-2020 锅炉安全技术规程S.新华出版社,2016.6 韩素明.煤气发生炉水夹套鼓包原因分析及预防措施J.河北化工,2012(04).