φ2800自身返堿蒸汽煅燒爐爐頭返堿管損壞原因探討

高樹森

（石家莊雙聯(lián)化工有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050200）

2009年5月石家莊雙聯(lián)化工投運1臺φ2800×28000自身返堿蒸汽煅燒爐，運行一段時間后，爐頭出氣溫度低（小于110℃）、堆堿、結(jié)疤，而爐尾出堿溫度高，生產(chǎn)能力大幅度下降。同時輕灰分離器經(jīng)常堵塞，造成現(xiàn)場堿塵多、環(huán)境差，嚴重影響了正常生產(chǎn)。

為了解決此問題，采取了加大擋灰圈尺寸、螺旋板改造、抬高輕灰絞龍進口高度、增加輕灰副線絞龍等措施，均未取得滿意效果。2010年8月12日輕灰分離器再次出現(xiàn)堵塞造成輕灰絞龍?zhí)l，接著主電機頻繁跳閘，停爐檢查爐頭，全部結(jié)疤。在爐頭罩一側(cè)開孔處理結(jié)疤時發(fā)現(xiàn)返堿管變形嚴重，返堿量不足正常量的1／3。隨后在爐頭內(nèi)按返堿管走向間斷開孔檢查，看到3條返堿管均已嚴重變形損壞。

1 煅燒爐爐頭基本結(jié)構(gòu)

φ2800×28000自身返堿蒸汽煅燒爐爐體外壁布置4條螺旋返堿管，其中1條為成品返回爐頭后經(jīng)刮板、斗提等輸送設(shè)備，經(jīng)涼堿機冷卻后進行包裝。其余3條作為返堿與進入爐頭內(nèi)的重堿進行混合，以保證混合堿中的水分小于8%防止粘爐。爐頭內(nèi)布置的螺旋板、鏈條可使重堿與返堿混合均勻。爐頭由內(nèi)筒、外筒、返推螺旋、浮環(huán)、爐罩、出氣罩、輕灰螺旋輸送機進口等組成。爐頭返堿管布置在內(nèi)筒外壁上，其外壁與內(nèi)、外筒體間形成了一段封閉的環(huán)形空腔。爐氣在風(fēng)機作用下經(jīng)出氣罩進入旋風(fēng)分離器除去大部分堿塵，再經(jīng)洗滌器、冷凝塔、洗滌塔，加壓后送入碳化塔進行濃氣制堿。分離下來的堿塵由輕灰絞龍送入煅燒爐頭內(nèi)與重堿混合。爐頭結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 煅燒爐爐頭結(jié)構(gòu)

2 煅燒爐爐頭返堿管損壞原因分析

2.1 封閉環(huán)腔內(nèi)的存水受熱汽化

爐頭返堿管由厚度為4mm普通碳素鋼板，預(yù)制成斷面尺寸為350×250mm U型槽狀，滿焊在內(nèi)筒外壁上。裝上外筒及組裝完畢后便形成了在2 200mm范圍內(nèi)，返堿管外壁與內(nèi)、外筒間的封閉環(huán)腔。原始或檢修后開車暖爐過程中隨著蒸汽壓力的逐漸加大，爐內(nèi)溫度不斷升高，當(dāng)返堿溫度大于170℃時開始加入重堿進行生產(chǎn)。此過程中如果封閉環(huán)腔內(nèi)有水存在時肯定會受熱汽化，產(chǎn)生一定的壓力作用到返堿管外壁，當(dāng)該壓力超過返堿管的臨界應(yīng)力時將會出現(xiàn)變形損壞。

2.2 封閉環(huán)腔內(nèi)返堿管承受壓力計算

1）計算條件

設(shè)定煅燒爐開車暖爐可以投入重堿時爐內(nèi)溫度為170℃，密封環(huán)腔內(nèi)產(chǎn)生蒸汽溫度150℃（按環(huán)腔內(nèi)存水受熱完全蒸發(fā)進行計算）；假設(shè)環(huán)腔內(nèi)存水為7kg。

2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

內(nèi)、外筒間環(huán)腔尺寸：

φ3300／φ2832×2200。

內(nèi)、外筒間環(huán)腔體積：

V＝3.14×（3.32／4－2.8322／4）×2.2＝4.96m3

密封環(huán)腔體積：因爐頭4根返堿管約占內(nèi)、外筒間環(huán)腔體積的2／5，則：

V密封環(huán)腔＝4.96×3／5＝2.98m3

3）計算

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

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：pV＝nRT

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

同樣方法計算，不同存水量可能對返堿管外壁產(chǎn)生的壓力，見表1。

表1 密封環(huán)腔存水汽化可能對返堿管外壁產(chǎn)生的壓力

2.3 返堿管臨界壓力的計算

鑒于目前薄壁矩形容器外壓計算尚未見統(tǒng)一的標準方法，故參照φ350×4薄壁長圓筒外壓容器近似計算返堿管的臨界壓力值。

?。篋＝350mm，S0＝4mm；

彈性模量E：在t＝150℃時，E＝2.0×105MPa。

按薄壁長圓筒外壓容器臨界壓力計算公式：Pcr＝2.2×E×（S0／D）3

φ350×4薄壁長圓筒可承受的臨界壓力：

Pcr＝2.2×2.0×105×（4／350）3＝0.67MPa

經(jīng)驗證明：長圓筒容器受外壓時最易壓扁，壓扁時出現(xiàn)兩個波形。從更換下來的變形返堿管大部分為兩個波形來看，用長圓筒容器受外壓模型來近似估算矩形返堿管受外壓分析應(yīng)可行。

由以上計算可知：在爐內(nèi)溫度為170℃時，只要密封腔進水10kg以上，受熱蒸發(fā)后將產(chǎn)生對返堿管外壁大于0.66MPa的壓力。當(dāng)煅燒爐原始試壓、投運或停車水洗爐后暖爐升溫開車時，如果不按工藝要求進行，升壓、升溫速度過快，密封腔內(nèi)若存有一定量的水，短時間汽化，來不及排出，就會產(chǎn)生很大蒸汽壓，從而將返堿管壓扁。更何況矩形的返堿管所能承受的壓力肯定會小于長圓筒容器。

3 密封環(huán)腔進水分析

煅燒爐正常生產(chǎn)情況下密封環(huán)腔無進水可能。只有在設(shè)備制造與生產(chǎn)停車水洗爐時才可能出現(xiàn)此現(xiàn)象。

1）可能是由于爐頭在制造半成品時漏進雨水或者試漏時進水，后續(xù)工序未處理即封閉，造成密封腔有水存在。

2）爐頭返堿管焊接質(zhì)量差，水在生產(chǎn)洗爐時漏進密封環(huán)腔內(nèi)。

4 整改措施及效果

我公司采用從爐頭內(nèi)挖補方法對損壞的3條返堿管全部進行了更換，焊條采用J427，烘箱烘干350℃保溫1h。內(nèi)筒體開口處焊接采用間斷焊（200 mm），以減少焊接應(yīng)力防止設(shè)備變形，該方案加快了施工進度，節(jié)省了一定費用。

在返堿管進入爐頭密封環(huán)腔大法蘭部位留出200×10mm間隙，用石棉盤根封堵。當(dāng)密封腔內(nèi)一旦進水時可進行卸壓，防止再次發(fā)生類似損壞事故。

整改后煅燒爐爐頭出氣溫度120～130℃，徹底解決了爐頭易結(jié)疤難題，設(shè)備運行正常，生產(chǎn)能力達600t／天，同時環(huán)境也得到了改善。

［1］ 陳偕中.化工容器設(shè)計全書：化工容器設(shè)計［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1987

［2］ 李斯特.高等學(xué)校教材：工程熱力學(xué)原理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990