新型氣化爐耐火材料問題

　　新型氣化爐耐火材料問題

　　摘 要：簡單介紹了多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐燃燒室內襯耐火材料的結構和選用，分析了耐火磚的損蝕機理、燒蝕模式以及影響耐火磚使用壽命的因素，對提高耐火磚使用壽命的措施進行了探討，對多噴嘴氣化爐的穩定運行具有重要意義。

　　關鍵詞：水煤漿氣化爐 耐火材料 損蝕機理 措施 壽命

　　水煤漿氣化爐主要是將煤炭潔凈、高效地轉化為合成氣(主要成分CO+H2)。

　　其工作過程是水煤漿與氣化劑(O2)一起通過噴嘴，氣化劑高速噴出與煤漿并流混合霧化，在氣化爐內進行火焰型非催化部分氧化反應的工藝過程，即煤的氣化技術。

　　目前應用最廣泛的氣化爐主要有美國德士古發展公司開發的水煤漿加壓氣爐(原Texaco，現GE)和中國自主開發的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐(以下簡稱OMB加壓氣化爐)。

　　OMB加壓氣化爐以其獨特的技術優勢已得到國內外煤化工企業的廣泛認可。

　　無論是GE還是OMB加壓氣化爐，在燃燒室向火面部位均采用鉻鋁鋯磚(俗稱高鉻磚)，目前內襯耐火材料的使用壽命仍是影響氣化爐長周期穩定運行的主要因素之一

　　一、OMB加壓氣化爐的工作環境以及對耐火材料的要求

　　水煤漿加壓氣化爐的工況條件極為苛刻，燃燒反應室為強還原性氣氛，同時遭受酸性熔渣的侵蝕和高速流體的沖刷，且氣化爐內的溫度場及流場是不均勻、不穩定、甚至不連續的。

　　要求高溫(1250～1550℃) ，高壓 ( 2～8.5MP a )，強還原氣氛和液態酸性排渣，伴隨著固體、液體、氣體的高速沖刷且在開停車時有較大的溫度和壓力波動等。

　　所有這些都對氣化爐用耐火材料特別是向火面耐火磚提出了嚴格的要求

　　1.必須有良好的的抗熔渣侵蝕性、抗滲透性以及抗震性能

　　2.較好的高溫體積穩定性能以抵抗溫度和壓力的波動

　　3.較高的熱態強度以抵抗熔融煤渣的沖刷和磨損

　　二、OMB加壓氣化爐加壓氣化爐耐火材料的結構

　　氣化爐燃燒室內襯耐火材料共分為拱頂、筒體、錐底和渣口四部分(圖1所示)。

　　1.拱頂——拱頂部分三層，從里到外分別為向火面磚、鉻剛玉澆注料、可壓縮料(主要做膨脹用)。

　　拱頂部位是受沖刷最為嚴重的部位，結構為半球形，每一塊磚各有縱橫兩道嵌槽，砌筑成環狀后與上下左右各磚形成一個整體的合力，確保證了其穩固。

　　拱頂有一道膨脹縫。

　　2.筒體——筒體部分三層，從里到外分別為向火面磚、背襯磚、隔熱磚，隔熱磚與爐壁之填充有20mm的巖棉，用作保溫隔熱，同時還為耐火磚徑向膨脹提供了空間。

　　筒體為圓柱形，共有兩道膨脹縫

　　3.錐底——錐底部分兩層，分別為向火面磚、鉻剛玉澆注料，錐底為圓錐形。

　　4.渣口——渣口部分三層，分別為向火面磚、背襯磚及鉻剛玉澆注料，渣口為圓柱形。

　　所有耐火磚從里向外弧長逐步增大，每層砌筑完成后在圓周方向就會形成一個整體。

　　三、OMB加壓氣化爐耐火材料的選擇

　　1.向火面磚

　　由于向火面直接與煤溶渣接觸，是氣化爐用耐火材料最苛刻的部位，所以向火面磚選用90鉻鋁鋯磚(俗稱高鉻磚，主要性能參數見表1)。

　　鉻鋁鋯磚所用原料為Cr2O3含量大于99[wiki]%[/wiki]的Cr2O3電熔合成料(體積密度大于5.1g/cm3)，同時添加有超細粉，經混碾、成型后在高溫梭式窯中燒成。

　　該產品具有體積密度大(大于4.25g/cm3)、氣孔率低(小于16%)、常溫耐壓大(大于120MPa)、氧化鐵和氧化硅等雜質含量少的優點、同時具有很好的熱態穩定性能，抗高溫蠕變性能等。

　　這些滿足了氣化爐向火面用耐火材料的要求，所以90鉻鋁鋯磚是目前氣化爐向火面耐材的最佳選擇。

　　2.背襯磚

　　背襯磚位于向火面磚背后，對氣化爐耐火材料整體起至關重要的力學支撐作用，并且能夠經受高溫下[wiki]腐蝕[/wiki]性氣體的侵蝕。

　　12鉻剛玉磚(主要性能參數見表2)常溫強度很高(大于120MPa)，并且高純剛玉中添加12%以上的氧化鉻更增加了該制品抗腐蝕性氣體侵蝕性能。

　　3.隔熱磚

　　隔熱磚位于支撐磚之后，對氣化爐起保溫作用，使熱損失降低，使外壁溫度保持在設定值，是一種很好的節能材料;氧化鋁空心球磚除了導熱率低(0.8W/mk/1000℃)外，常溫、高溫強度是輕質耐材中最好的，并且雜質含量極低，具有很好的抗腐蝕性氣體的侵蝕能力和緩沖熱應力能力。

　　是目前輕質保溫耐火材料中最佳材料。

　　4.可壓縮層

　　可壓縮料具有容重小、導熱率低的特點，具有很好的保溫絕熱性能，同時又具有一定的強度，能夠有效緩沖高溫下里層耐火材料的徑向膨脹，而且施工十分方便。

　　5.耐火澆注料(鉻剛玉澆注料、氧化鋁空心球澆注料)

　　鉻剛玉澆注料用于球頂及錐底，澆注料和磚相比具有以下優點：無灰縫，即整體性好。

　　施工方便，特別是復雜結構的施工，方便快捷、省工、省時、省力。

　　澆注料的抗氣體侵蝕性強，同時由于體積密度大于2.95g/cm3，使澆注料具有很好的氣密性。

　　氧化鋁空心球澆注料具有保溫節能、施工方便等優點，適合氣化爐局部使用。

　　四、OMB加壓氣化爐爐襯損蝕機理和燒蝕模式

　　1.損蝕機理

　　氣化爐耐火材料的損蝕主要表現在向火面鉻鋁鋯磚的減薄，通過對實驗室工作及使用后鉻鋁鋯磚的殘磚分析可知，其損蝕方式通常有兩種，分別為侵蝕與剝落。

　　侵蝕表現向火面處耐火材料逐漸向渣中溶解，或由于向火面處耐火材料的結合相被溶解后，向火面磚表層顆粒隨渣脫落，侵蝕是連續且緩慢的。

　　剝落主要發生在一些特殊階段，是向火面處耐火材料大塊地脫落到流動的液渣中，主要由于爐溫急劇波動和壓力驟然升降對于耐火材料熱震穩定性造成了損害。

　　氣化爐的實際運行中，還存在其他的侵蝕機理

　　各種氧化物在煤渣中的滲透及溶解情況如圖2、3、4所示

　　通過比較發現SiO2容易向高鉻耐火材料內部深度滲透但不發生反應。

　　然而，FeO不能向高鉻耐火材料內部深度滲透，只是在臨近的界面處發生反應生成Fe(Cr，Al)2O4尖晶石。

　　CaO的滲透與反應介于以上兩種氧化物之間。

　　2.燒蝕模式

　　由于氣化爐內的溫度場及流場是一個不均勻、不穩定、甚至不連續的溫度場。

　　產生局部高溫的原因也較多，因此，很容易使Cr2O3 -Al2O3-ZrO 耐火磚表面受高溫作用而燒蝕損傷，甚至產生局部過燒熔化。

　　在正常情況下，這個燒蝕損傷過程是緩慢進行的，只有在極端異常的爐內高溫和反應工況，燒蝕過程才會明顯加速。

　　根據觀察分析，耐火磚的燒蝕可分為高溫熔化型燒蝕和高溫氧化還原性燒蝕

　　氣化爐耐火磚的高溫熔化型燒蝕主要發生在富氧區、火焰舔燒區和氣化爐過氧工況。

　　這三個區域/工況都屬于氣化爐內的局部高溫區。

　　耐火磚的主要成分是Cr2O3、ZrO和Al2O3，經高溫燒制而成。

　　在爐內正常溫度條件下，它們具有良好的機械穩定性，而且通常在運行中，耐火磚表面都覆蓋著熔化的爐渣，因此，爐內高溫氣流不會與耐火磚表面直接接觸。

　　但在局部富氧區和高溫氣流直接舔燒耐火磚表面的區域，耐火磚表面組織軟化和強度下降，耐磨損沖刷性能和組織結合性能下降，部分結合相被直接燒損。

　　耐火磚燒蝕的速率受到多方面因素的影響，諸如氣化爐工況，包括氧煤比、燒嘴性能、渣口壓差、原料煤的灰分含量、灰渣組成特性、拱頂磚的型狀和氣化爐的負荷等，同時，耐火磚中存在的低熔點雜質也會加速耐火磚的熔化燒蝕速度。

　　五、延長OMB加壓氣化爐耐火材料壽命的措施和注意事項

　　OMB加壓氣化爐耐火材料是保證氣化爐長周期穩定運行的關鍵。

　　如何延長和保證耐火材料，特別是向火面鉻鋁鋯磚的使用壽命，是操作管理氣化爐的一項重要任務。

　　1.提高向火面磚的Cr2O3含量，提高其抗侵蝕能力(圖5所示)。

　　2.利用相變增韌技術改善耐火材料的熱震穩定性

　　由于氣化爐在操作過程中，會由于這樣那樣的原因引起氣化爐溫度的波動，要求耐火材料具有高的抗熱沖擊能力，即具有高的熱震穩定性。

　　利用ZrO2相變增韌原理，即通過四方ZrO2與單斜ZrO2之間的晶相轉變并伴隨有3～5%的體積效應，在ZrO2顆粒周圍形成許多微裂紋，微裂紋可以緩沖由于溫度變化在制品內部產生的熱應力，提高制品的抗熱沖擊能力，改善制品的熱震穩定性

　　3.嚴格控制耐火磚的砌筑質量

　　高質量的耐火磚砌筑對耐火磚的長周期運行起著極為關鍵的作用，控制砌筑質量主要做好以下幾點

　　3.1確保向火面鉻鋁鋯磚的各項性能指標滿足技術要求，同時尺寸偏差符合要求，盡可能多的出現正偏差，這樣雖然砌筑難度大點，但能夠保證較小的灰縫。

　　3.2在耐火磚的砌筑過程中，必須保證壁面垂直偏差，拱頂耐火磚內徑偏差(以殼體中心線為參考)，拱頂、筒體及渣口同一截面內徑偏差等符合要求。

　　燒嘴磚為整臺氣化爐內襯重點部位，要求四個噴嘴的中心線必須保證在爐體中心線處相交，偏差不大于±2mm。

　　爐襯的垂直度公差為±3mm/3m，總高度上誤差不超過±6mm。

　　為了保證耐火磚的砌筑質量，要求筒體部分每天砌磚層數不超過五層，拱頂每天砌磚層數不超過兩層。

　　所有灰縫必須飽滿

　　3.3通過計算，預留出合適的膨脹縫。

　　既要防止膨脹縫間隙過小導致耐火磚在徑向膨脹后的相互擠壓，也要防止膨脹縫間隙過大引起的局部竄氣超溫

　　4.合理的升溫

　　嚴格按烘爐曲線升溫。

　　耐火磚的砌筑與烘爐是保證爐體成為一個整體，是延長使用壽命的一個重要環節

　　5.優化操作

　　5.1操作溫度對耐火材料蝕損的影響非常關鍵。

　　運行過程中要嚴格控制操作溫度。

　　一般選擇操作溫度比煤灰熔點FT溫度高50-80℃。

　　溫度過高則對耐火磚產生強烈損壞

　　5.2通過煤種的選擇摻燒，控制熔渣的成分，在保證灰熔點的基礎上，嚴格控制爐煤Ca，Fe，Mg的含量，降低熔渣的侵蝕性

　　5.3穩定各項工藝指標，延長氣化爐的運行周期，防止爐溫急劇波動和壓力驟然升降，減少耐火材料由于熱震穩定性造成的損害

　　6.緊急情況的處理

　　出現異常情況如開停車過程中的升降壓、跳車等，要恰當處理，若處理不恰當如壓力、溫度波動較大，會對爐襯造成一定損害

　　六、結束語

　　OMB加壓氣化技術已日趨成熟，隨著對耐火材料認識的提高，以及操作人員操作水平的大幅度提高和經驗的不斷積累，使得耐火材料的使用壽命明顯加長。

　　目前，氣化爐拱頂耐火磚使用壽命已突破10000h，耐火磚的損蝕速率明顯降低，為氣化系統的長周期、安全、穩定、效益運行打下了堅實的基礎。

　　但在氣化爐耐火磚使用壽命方面還有較大延長的空間，這就需要我們更加艱苦的努力才能有所突破。

　　參考文獻

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