φ2800自身返堿蒸汽煅燒爐爐頭返堿管損壞原因探討

高樹森

（石家莊雙聯化工有限責任公司，河北 石家莊 050200）

2009年5月石家莊雙聯化工投運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、結疤，而爐尾出堿溫度高，生產能力大幅度下降。同時輕灰分離器經常堵塞，造成現場堿塵多、環境差，嚴重影響了正常生產。

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堵塞造成輕灰絞龍跳閘，接著主電機頻繁跳閘，停爐檢查爐頭，全部結疤。在爐頭罩一側開孔處理結疤時發現返堿管變形嚴重，返堿量不足正常量的1／3。隨后在爐頭內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 煅燒爐爐頭基本結構

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刮板、斗提等輸送設備，經涼堿機冷卻后進行包裝。其余3條作為返堿與進入爐頭內的重堿進行混合，以保證混合堿中的水分小于8%防止粘爐。爐頭內布置的螺旋板、鏈條可使重堿與返堿混合均勻。爐頭由內筒、外筒、返推螺旋、浮環、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筒外壁上，其外壁與內、外筒體間形成了一段封閉的環形空腔。爐氣在風機作用下經出氣罩進入旋風分離器除去大部分堿塵，再經洗滌器、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與重堿混合。爐頭結構如圖1。

圖1 煅燒爐爐頭結構

2 煅燒爐爐頭返堿管損壞原因分析

2.1 封閉環腔內的存水受熱汽化

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

2.2 封閉環腔內返堿管承受壓力計算

1）計算條件

設定煅燒爐開車暖爐可以投入重堿時爐內溫度為170℃，密封環腔內產生蒸汽溫度150℃（按環腔內存水受熱完全蒸發進行計算）；假設環腔內存水為7kg。

2）基礎數據

內、外筒間環腔尺寸：

φ3300／φ2832×2200。

內、外筒間環腔體積：

V＝3.14×（3.32／4－2.8322／4）×2.2＝4.96m3

密封環腔體積：因爐頭4根返堿管約占內、外筒間環腔體積的2／5，則：

V密封環腔＝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。

根據理想氣體狀態方程：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生的壓力，見表1。

表1 密封環腔存水汽化可能對返堿管外壁產生的壓力

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。

取：D＝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

經驗證明：長圓筒容器受外壓時最易壓扁，壓扁時出現兩個波形。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可行。

由以上計算可知：在爐內溫度為170℃時，只要密封腔進水10kg以上，受熱蒸發后將產生對返堿管外壁大于0.66MPa的壓力。當煅燒爐原始試壓、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，密封腔內若存有一定量的水，短時間汽化，來不及排出，就會產生很大蒸汽壓，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 密封環腔進水分析

煅燒爐正常生產情況下密封環腔無進水可能。只有在設備制造與生產停車水洗爐時才可能出現此現象。

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）爐頭返堿管焊接質量差，水在生產洗爐時漏進密封環腔內。

4 整改措施及效果

我公司采用從爐頭內挖補方法對損壞的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。內筒體開口處焊接采用間斷焊（200 mm），以減少焊接應力防止設備變形，該方案加快了施工進度，節省了一定費用。

在返堿管進入爐頭密封環腔大法蘭部位留出200×10mm間隙，用石棉盤根封堵。當密封腔內一旦進水時可進行卸壓，防止再次發生類似損壞事故。

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

［1］ 陳偕中.化工容器設計全書：化工容器設計［M］.上海：上海科學技術出版社，1987

［2］ 李斯特.高等學校教材：工程熱力學原理［M］.北京：化學工業出版社，1990