淺析煤氣發生爐的安全使用

一、發展概況
　　
　　煤作為世界上最重要的能源之一，在工業生產方面得到了廣泛的應用，其中把煤炭氣化成煤氣的技術應用至今已有百余年歷史。隨著研究的深入以及科學技術的發展，煤炭氣化的技術得到長足的進步，煤氣發生爐向小型化、簡單化、生產低成本化發展，大大降低了能量損耗、生產成本和污染排放。改進后的煤氣發生爐廣泛應用于各行業，因此提高煤氣發生爐的安全性具有十分重要的意義。
　　
　　二、工作原理
　　
　　煤氣發生爐主要由機械加料系統、煤氣發生系統，蒸汽發生系統，卸渣排污系統等組成，其核心是煤氣發生系統。煤的氣化就是發生在煤氣發生系統中，它是一個在高溫條件下，借助氣化劑的化學作用，將固體煤炭氣化成可燃氣體的化學過程。根據煤炭的氣化過程，可將爐內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：

　每個煤層中發生的物理、化學反應都是不同的，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熱，并通過灰渣層均勻地進入氧化層。同時灰渣層還起著保護灰盤的作用，使其工作期間溫度保持一定范圍內。多余的灰渣通過灰盤排出煤氣發生爐。
　　2．氧化層。氧化層是產生煤氣和熱量的關鍵部位，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1100℃～1200℃。與氧化層接觸的鋼板最易發生腐蝕。
　　C+O2→CO2+CO+熱量
　　3．還原層。還原層在氧化層上面，是產生煤氣的主要部位，還原層經過氧化層的加溫，還原層的溫度達到1000℃以上。煤中的炭與CO2和水蒸氣發生氧化還原反應，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。干餾層中也能產生少量煤氣，把干餾層的煤炭加熱到700℃以后，煤炭開始出現干裂、解體，同時干餾出甲烷、CO、氫氣、焦油等氣體。
　　5．干燥層。干燥層實際上就是煤炭烘干和預熱的地方，煤塊從煤氣發生爐頂部加入后，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年的煤氣發生爐進行了首次全面檢驗，在宏觀檢查中，我們發現筒體底部輕微鼓起，詢問設備管理員后，得知在煤氣發生爐投用后，曾發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，而是往煤氣發生爐上方汽包緊急加水等錯誤操作，導致夾套內部壓力突然增加，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，并清除內部煤渣后，發現內罐底部未發生變形，但腐蝕嚴重，待打磨測厚后，發現處于氧化層的鋼板腐蝕最嚴重，14mm的鋼板已腐蝕了7mm左右，位于人孔下方200mm處腐蝕最嚴重，壁厚僅為7.1mm，而還原層以上的鋼板幾乎未發生腐蝕。對焊縫進行磁粉探傷和對腐蝕區進行滲透探傷后，未發現裂紋等超標缺陷。
　　根據GB150-1998《鋼制壓力容器》，對該臺煤氣發生爐進行強度校驗，取內罐計算長度L=2350mm，內罐外直徑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。
　　根據強度校驗結果和夾套變形情況，依據《壓力容器定期檢驗規則》，該臺煤氣發生爐安全等級定為5級，對該設
　　備予以判廢處理。
　　
　　四、原因分析
　　
　　1．煤氣發生爐內罐溫度極高，且內部反應復雜。日常生產時，氧化層釋放出大量的熱量，使得煤氣發生爐內罐溫度可達到1200℃以上，內罐中心溫度甚至可達到1400℃左右。此時夾套中的冷卻水就對內罐鋼板的保護起了至關重要的作用。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，緊急補水，就會引起夾套壓力突然升高，導致夾套變形，甚至爐體爆炸，造成人員傷亡、經濟損失。
　　2．在日常生產中，內罐鋼板長期處于高溫、高濕環境中，鋼板的機械性能和抗腐蝕能力大大下降，而潮濕的水環境又使鋼板極易發生電化學腐蝕，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，鋼板表面就發生腐蝕，腐蝕后的鋼板表面缺陷處易漏出機體金屬，其呈活化狀態，而鈍化膜處仍為鈍態，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展，鋼板表面很快就被腐蝕成小孔，形成點蝕。
　　3．國內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生一系列的氧化還原反應，生成SO2和H2+S，在水環境中，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，這都增加點蝕發生的可能性，而鋼板腐蝕后生成的Fe3+又能促進點蝕的發生，因此處于氧化層的鋼板就不斷發生點蝕。

　　4．在發生點蝕的同時,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生高溫硫化腐蝕，H2+S+Fe →FeS+H2+，S+Fe →FeS。在點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
　　
　　針對煤氣發生爐的工作原理以及發生腐蝕的主要原因，我們可以從以下幾個方面對煤氣發生爐的安全性和耐腐蝕性進行改進：
　　1．在煤氣發生爐上方的汽包中裝設自動進水裝置，在少水的情況下，進水閥自動打開，保證夾套能夠正常工作，這樣既提高了煤氣發生爐的安全性，又減少了操作工的工作量。
　　2．加強操作人員安全培訓和教育，提高相關人員的安全意識，制定事故應急預案，在發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，從而杜絕事故發生。
　　3．在煤氣發生爐上方的汽包上和夾套頂部裝設大口徑爆破片，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，不至于因為壓力過高引起筒體變形或者破裂而引發安全事故。
　　4．在日常生產中不斷的往灰盤中加堿性水（如石灰水），中和酸液，從而達到保護鋼板，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，隔斷酸液與內罐本體鋼板的接觸，從而達到保護內罐本體鋼板的目的。
　　6．加強檢驗，縮短全面檢驗周期，在發現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生爐的壽命，降低企業的生產成本。
　　
　　六、結語
　　
　　煤氣發生爐廣泛使用于鑄造、玻璃、化工、冶金等行業，采用上述幾種防護措施后，能有效地提高煤氣發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。