回轉(zhuǎn)式焙燒爐突發(fā)性停運的技術(shù)分析與預(yù)防

吳慧軍，雷 霆

(中國石化催化劑有限公司長嶺分公司，湖南 岳陽 414012)

回轉(zhuǎn)式焙燒爐是煉油和化工催化劑生產(chǎn)中的常用設(shè)備，常用的加熱方式有電熱、燃油、燃氣(液化石油氣、天然氣等)3種【1】。它的優(yōu)點在于生產(chǎn)過程連續(xù)性強、自動化程度高、單臺設(shè)備產(chǎn)能大、運行平穩(wěn)、產(chǎn)品收率高，另外在節(jié)能、環(huán)保等方面也有一定的優(yōu)勢，因而該類型的設(shè)備被化工、礦山、冶金等行業(yè)廣泛采用。

目前國內(nèi)用于催化劑、分子篩等物料焙燒生產(chǎn)的焙燒爐有燃燒型焙燒爐和電加熱焙燒爐兩種基本形式，其中電熱型焙燒技術(shù)更為普及，它具有操作安全、控溫精確、無燃燒廢氣排放等優(yōu)點。

1 電加熱回轉(zhuǎn)式焙燒爐結(jié)構(gòu)與工作原理

電加熱焙燒爐結(jié)構(gòu)如圖 1所示。爐筒通常采用耐熱材料(如310S等)制造，爐筒的重量由2對(或3對)托輪支撐，在傳動裝置(齒輪副或鏈輪副)的作用下緩慢勻速轉(zhuǎn)動。爐筒外部為爐膛，爐膛內(nèi)壁為耐高溫保溫材料。焙燒爐從進料端向出料端呈一定角度的傾斜。物料自進料箱進入爐筒，在爐筒內(nèi)抄板和重力的作用下翻滾前行，經(jīng)過一定時間后自出料箱排出。物料的焙燒時間可通過調(diào)節(jié)爐筒轉(zhuǎn)速或爐筒與水平面的夾角來控制。

電加熱焙燒爐采用電熱元件作為熱源進行間接加熱。電熱元件在保溫爐膛內(nèi)主要依靠輻射換熱來加熱爐筒。為了便于檢修和更換，電熱元件一般在爐膛底部單面布置。雖然是單面輻射傳熱，但由于爐筒勻速旋轉(zhuǎn)，而且爐膛的保溫作用使整個爐腔內(nèi)溫差較小，所以爐筒受熱非常均勻，爐筒變形也較小。設(shè)備實物見圖2。

1—進料箱; 2—爐筒; 3—爐膛上蓋; 4—傳動裝置；5—左托輪; 6—右托輪; 7—出料箱圖1 回轉(zhuǎn)式焙燒爐外形結(jié)構(gòu)示意

圖2 電加熱焙燒爐實物外形

該設(shè)備在運行過程中故障率較低，但企業(yè)仍應(yīng)加強巡檢，密切注意其運行狀況，避免正常運行過程中因各種原因造成設(shè)備突發(fā)性停止轉(zhuǎn)動。這類事故雖偶然性發(fā)生，但一旦發(fā)生停轉(zhuǎn)且不能迅速恢復(fù)運轉(zhuǎn)，輕則導(dǎo)致爐筒變形，嚴重的可能釀成重大設(shè)備事故，甚至造成爐筒報廢。

2 焙燒爐突發(fā)性停運故障

某催化劑廠采用電加熱回轉(zhuǎn)式焙燒爐用于加氫催化劑的生產(chǎn)。設(shè)備爐筒直徑2.2 m，加熱段長度20 m，電加熱最大功率800 kW，設(shè)計最高加熱溫度950 ℃，爐筒材質(zhì)采用Inconel 600鎳基高溫合金鋼。設(shè)備投用以來長期運行正常。在一次生產(chǎn)過程中突然發(fā)生爐筒卡死，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，當班工人緊急采取手動盤車但無法盤動，檢修人員采取了調(diào)整托輪位置、外力協(xié)助強制盤車等多種手段仍然無法盤車成功，最終因設(shè)備嚴重變形導(dǎo)致爐筒中部開裂，見圖3。

圖3 爐筒變形，中部斷裂

從現(xiàn)場設(shè)備故障發(fā)生的現(xiàn)象來看，爐筒相對進料箱發(fā)生了嚴重的偏心，爐筒底部與進料箱之間的間隙為零，爐筒與進料箱接觸部位發(fā)生了直接摩擦并已經(jīng)出現(xiàn)了鐵屑瘤，而爐筒頂部與進料箱間隙超過20 mm，爐筒與爐膛也發(fā)生了嚴重的偏心。檢修人員采用了調(diào)整托輪位置、在進料箱底部楔入斜鐵抬高進料箱等多種辦法，試圖彌補爐筒的偏心，使爐筒恢復(fù)轉(zhuǎn)動，但都沒有成功。分析判斷認為，爐筒可能已經(jīng)產(chǎn)生變形或裂紋。爐體降溫后進入爐筒內(nèi)觀察的結(jié)果證實了上述結(jié)論。

3 故障原因分析

3.1 焙燒爐爐筒受力分析及突發(fā)停轉(zhuǎn)造成的嚴重后果

對焙燒爐爐筒進行受力分析。正常情況下，焙燒爐爐筒慢速均勻轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為10～30 r/min。雖然在高溫作用下材料自身強度降低，爐筒會產(chǎn)生少量變形，但由于爐筒受熱均勻，且處于連續(xù)轉(zhuǎn)動狀態(tài)，因此可將爐筒簡化為剛性支梁。如果焙燒爐爐筒因某些特殊原因出現(xiàn)長時間停滯不能轉(zhuǎn)動，情況就發(fā)生了變化?？梢詫斍扒闆r下的爐筒簡化地視作受到均布載荷和兩點支撐的簡支梁，梁上的均布載荷為爐體自重和物料重量，作為反作用力的兩點支撐力來自托輪。由于材料在高溫下強度下降，在均布載荷的作用下，簡支梁會發(fā)生凹形彎曲變形(如圖4)，當變形達到一定程度時，爐筒進料端將受到進料箱向下的反作用力，見圖5。

圖4 爐筒受力的力學(xué)模型

圖5 爐筒受力變形

當爐筒高溫下長時間停轉(zhuǎn)、不能及時啟動時，爐筒將發(fā)生圖5所示的變形，且時間越長變形越大。這種變形將不斷增加進料箱對爐筒的反作用力。反作用力越大，爐筒轉(zhuǎn)動需要克服的摩擦力就越大，驅(qū)動電機需要的扭矩也越大，最終可能導(dǎo)致電機過載而無法驅(qū)動、手動盤車無法進行、甚至借助外力也無法盤車的情況。隨著時間的延長，變形不斷加大，最終可能導(dǎo)致爐筒永久性變形。如果爐筒中間底部應(yīng)力超過了材料的抗拉強度，爐筒就可能從中間底部產(chǎn)生裂紋，嚴重時產(chǎn)生斷裂。

3.2 解決爐筒卡死的主要措施

高溫環(huán)境下，爐筒如果長時間停止轉(zhuǎn)動，后果將非常嚴重。這種情況一旦發(fā)生，應(yīng)考慮采用以下措施使爐筒盡快恢復(fù)運轉(zhuǎn)：

1) 手動盤車。焙燒爐設(shè)計時，通常在爐筒驅(qū)動電機的尾部附帶有手動盤車的手輪，專門用于應(yīng)對供電系統(tǒng)臨時斷電時設(shè)備的手動盤車。因驅(qū)動電機附帶減速機的減速比以及傳動齒輪副的傳動比較大，正常情況下，設(shè)備臨時斷電時采用手動盤車一般是比較輕松的。

2) 快速拆除與進料箱相連的所有固定螺栓，解除進料箱所有的受力約束，盡可能使進料箱處于自由狀態(tài)，減小進料箱與爐筒之間的摩擦力，并通過調(diào)整托輪位置來調(diào)整爐筒與爐膛之間的間隙。如圖6所示，由于爐筒變形下凹，位于托輪左端的爐筒部位上移，進料箱底部對爐筒進料端產(chǎn)生巨大的正壓力。正是由于這個正壓力所產(chǎn)生的摩擦力制約了爐筒的轉(zhuǎn)動，因此必須盡快消除。必須指出的是，試圖在進料箱底部楔入斜鐵的做法是錯誤的，因為其位移量一般不足以消除爐筒向上的位移量。

圖6 進料箱對爐筒產(chǎn)生正壓力

3) 借助外力強制性盤車?？梢越柚謩雍J等工具，增加盤車扭矩，使爐筒盡快轉(zhuǎn)過死點，恢復(fù)運轉(zhuǎn)。出現(xiàn)這種情況后，應(yīng)該一邊繼續(xù)盤車，一邊盡快使設(shè)備降溫，使設(shè)備順利停車后進行檢修。

3.3 可能引起焙燒爐突發(fā)性停轉(zhuǎn)的原因分析

實際生產(chǎn)中，可能造成焙燒爐爐筒突發(fā)性停止轉(zhuǎn)動的原因有多種，有可能是生產(chǎn)系統(tǒng)造成的，也有可能是設(shè)備本身的原因。

1) 爐筒滾圈發(fā)生偏心是不可忽視的重要隱患。

爐筒支承采用滾圈和托輪支承副【2】，滾圈與爐筒之間采用Ω形彈簧板連接，連接的形式可以是螺栓固定或焊接，其作用是有效地降低滾圈的表面溫度，緩沖設(shè)備高溫運行時產(chǎn)生的額外載荷，使設(shè)備運行穩(wěn)定【1】。受高溫影響，Ω形彈簧板可能出現(xiàn)脫焊或螺紋松動，造成滾圈與爐筒出現(xiàn)偏心，見圖7。

圖7 滾圈發(fā)生偏心

爐筒與爐膛的間隙、爐筒外圓與進料箱內(nèi)孔的間隙通常僅10 mm，當偏心大于10 mm時，可能造成上述間隙為零，出現(xiàn)外壁與內(nèi)孔摩擦現(xiàn)象。此時應(yīng)立即降溫檢修，重新調(diào)整并固定Ω形彈簧板。一旦出現(xiàn)研磨現(xiàn)象，隨著偏心的不斷增大可能導(dǎo)致爐筒卡死，設(shè)備突發(fā)停運。

2) 設(shè)備突然停電。當設(shè)備供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其他原因造成設(shè)備臨時斷電時，爐筒立即停止運轉(zhuǎn)，此時爐內(nèi)溫度尚處于高溫狀態(tài)，爐筒如果長時間處于某個固定位置，極可能造成爐筒永久性變形，此時應(yīng)立即進行手動盤車。

3) 傳動系統(tǒng)機械故障。電機、齒輪(或鏈輪、鏈條)故障均可能造成設(shè)備停車，此時應(yīng)緊急采用手動盤車，設(shè)備緩慢降溫后對故障部位進行檢修。

4) 其他原因。如托輪潤滑不足被卡死、托輪與爐筒之間的間隙夾雜異物等。

4 預(yù)防措施

1) 設(shè)備應(yīng)采用雙回路供電或為驅(qū)動電機配置專用的后備電源以避免正常運行過程中突然停電。一旦發(fā)生停止供電的情況，應(yīng)立即進行手動盤車。

2) 加強巡檢。檢查傳動系統(tǒng)運行狀況、托輪潤滑情況，及時清理設(shè)備上的異物。

3) 堅持“應(yīng)修必修，修必修好”的設(shè)備管理原則。定期測量滾圈的偏心值，重點檢查進料端爐筒與進料箱的間隙，一旦發(fā)現(xiàn)滾圈出現(xiàn)偏心，且大于10 mm時，應(yīng)立即停止設(shè)備運行進行檢修，重新調(diào)整并固定Ω形彈簧板，使?jié)L圈外圓與爐筒的同心度不大于2 mm。

5 結(jié)語

回轉(zhuǎn)式焙燒爐是催化劑生產(chǎn)的重要設(shè)備，企業(yè)應(yīng)對該設(shè)備采用雙回路供電，或?qū)υO(shè)備的驅(qū)動電機配備專用的備用電源，避免正常生產(chǎn)過程中突然停電。一旦發(fā)生突發(fā)性設(shè)備停運，應(yīng)立即進行手動盤車，避免爐筒長時間處于同一固定位置，造成爐筒變形。同時企業(yè)應(yīng)定期對滾圈的偏心值進行檢測，避免因滾圈偏心過大發(fā)生爐筒卡死現(xiàn)象。