- 相關(guān)推薦
新型氣化爐耐火材料問(wèn)題
新型氣化爐耐火材料問(wèn)題
摘 要：簡(jiǎn)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(jìn)行了探討，對多噴嘴氣化爐的穩定運行具有重要意義。
關(guān)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(guò)程是水煤漿與氣化劑(O2)一起通過(guò)噴嘴，氣化劑高速?lài)姵雠c煤漿并流混合霧化，在氣化爐內進(jìn)行火焰型非催化部分氧化反應的工藝過(guò)程，即煤的氣化技術(shù)。
目前應用最廣泛的氣化爐主要有美國德士古發(fā)展公司開(kāi)發(fā)的水煤漿加壓氣爐(原Texaco，現GE)和中國自主開(kāi)發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OMB加壓氣化爐)。
OMB加壓氣化爐以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢已得到國內外煤化工企業(yè)的廣泛認可。
無(wú)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(chēng)高鉻磚)，目前內襯耐火材料的使用壽命仍是影響氣化爐長(cháng)周期穩定運行的主要因素之一
一、OMB加壓氣化爐的工作環(huán)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(shí)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(chǎng)及流場(chǎng)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(tài)酸性排渣，伴隨著(zhù)固體、液體、氣體的高速沖刷且在開(kāi)停車(chē)時(shí)有較大的溫度和壓力波動(dòng)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(dòng)
3.較高的熱態(tài)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(huán)狀后與上下左右各磚形成一個(gè)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(shí)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(cháng)逐步增大，每層砌筑完成后在圓周方向就會(huì )形成一個(gè)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(chēng)高鉻磚，主要性能參數見(jiàn)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(shí)添加有超細粉，經(jīng)混碾、成型后在高溫梭式窯中燒成。
該產(chǎn)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(zhì)含量少的優(yōu)點(diǎn)、同時(shí)具有很好的熱態(tài)穩定性能，抗高溫蠕變性能等。
這些滿(mǎn)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(guān)重要的力學(xué)支撐作用，并且能夠經(jīng)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(jiàn)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(zhì)耐材中最好的，并且雜質(zhì)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(zhì)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(diǎn)，具有很好的保溫絕熱性能，同時(shí)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(yōu)點(diǎn)：無(wú)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(shí)、省力。
澆注料的抗氣體侵蝕性強，同時(shí)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(yōu)點(diǎn)，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(guò)對實(shí)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(fā)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(dòng)的液渣中，主要由于爐溫急劇波動(dòng)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(shí)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(guò)比較發(fā)現SiO2容易向高鉻耐火材料內部深度滲透但不發(fā)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(fā)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(chǎng)及流場(chǎng)是一個(gè)不均勻、不穩定、甚至不連續的溫度場(chǎng)。
產(chǎn)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(chǎn)生局部過(guò)燒熔化。
在正常情況下，這個(gè)燒蝕損傷過(guò)程是緩慢進(jìn)行的，只有在極端異常的爐內高溫和反應工況，燒蝕過(guò)程才會(huì )明顯加速。
根據觀(guān)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(fā)生在富氧區、火焰舔燒區和氣化爐過(guò)氧工況。
這三個(gè)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(jīng)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(zhù)熔化的爐渣，因此，爐內高溫氣流不會(huì )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(shí)，耐火磚中存在的低熔點(diǎn)雜質(zhì)也會(huì )加速耐火磚的熔化燒蝕速度。
五、延長(cháng)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(cháng)周期穩定運行的關(guān)鍵。
如何延長(cháng)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(wù)。
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(shù)改善耐火材料的熱震穩定性
由于氣化爐在操作過(guò)程中，會(huì )由于這樣那樣的原因引起氣化爐溫度的波動(dòng)，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(guò)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?chē)纬稍S多微裂紋，微裂紋可以緩沖由于溫度變化在制品內部產(chǎn)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(zhì)量
高質(zhì)量的耐火磚砌筑對耐火磚的長(cháng)周期運行起著(zhù)極為關(guān)鍵的作用，控制砌筑質(zhì)量主要做好以下幾點(diǎn)
3.1確保向火面鉻鋁鋯磚的各項性能指標滿(mǎn)足技術(shù)要求，同時(shí)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(diǎn)，但能夠保證較小的灰縫。
3.2在耐火磚的砌筑過(guò)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(xiàn)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(diǎn)部位，要求四個(gè)噴嘴的中心線(xiàn)必須保證在爐體中心線(xiàn)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(guò)±6mm。
為了保證耐火磚的砌筑質(zhì)量，要求筒體部分每天砌磚層數不超過(guò)五層，拱頂每天砌磚層數不超過(guò)兩層。
所有灰縫必須飽滿(mǎn)
3.3通過(guò)計算，預留出合適的膨脹縫。
既要防止膨脹縫間隙過(guò)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(guò)大引起的局部竄氣超溫
4.合理的升溫
嚴格按烘爐曲線(xiàn)升溫。
耐火磚的砌筑與烘爐是保證爐體成為一個(gè)整體，是延長(cháng)使用壽命的一個(gè)重要環(huán)節
5.優(yōu)化操作
5.1操作溫度對耐火材料蝕損的影響非常關(guān)鍵。
運行過(guò)程中要嚴格控制操作溫度。
一般選擇操作溫度比煤灰熔點(diǎn)FT溫度高50-80℃。
溫度過(guò)高則對耐火磚產(chǎn)生強烈損壞
5.2通過(guò)煤種的選擇摻燒，控制熔渣的成分，在保證灰熔點(diǎn)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(cháng)氣化爐的運行周期，防止爐溫急劇波動(dòng)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(kāi)停車(chē)過(guò)程中的升降壓、跳車(chē)等，要恰當處理，若處理不恰當如壓力、溫度波動(dòng)較大，會(huì )對爐襯造成一定損害
六、結束語(yǔ)
OMB加壓氣化技術(shù)已日趨成熟，隨著(zhù)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(jīng)驗的不斷積累，使得耐火材料的使用壽命明顯加長(cháng)。
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(cháng)周期、安全、穩定、效益運行打下了堅實(shí)的基礎。
但在氣化爐耐火磚使用壽命方面還有較大延長(cháng)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
[1]徐民，胡金平，朱健，李宏范;新型水煤漿加壓氣化爐耐火材料的應用;石油與化工設備;2010，(08).
[2]曹忠信. 水煤漿加壓氣化爐耐火襯里延長(cháng)使用壽命探討;化工設計通訊， 2011， (01).
[3] 陳延進(jìn)， 檀冰. 提高轉爐耐火磚壽命的實(shí)踐[J]. 有色金屬(冶煉部分)， 2007， (02).
[4] 廖胡，郭慶華，梁欽鋒，張健，廖敏，于廣鎖. 多噴嘴對置式氣化爐中飛灰性質(zhì)[J]. 化工學(xué)報， 2009， (11) .
[5] 劉進(jìn)波， 楊軍紅， 張健. 多噴嘴對置式煤氣化爐耐火磚的應用小結[J]. 中氮肥， 2009， (06).
[6] 胡金平;多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐耐火材料的局部更換;山東化工，2011，(09).
【新型氣化爐耐火材料問(wèn)題】相關(guān)文章：
10-08
10-05
10-07
02-28
02-02
04-29
04-28
09-14
12-17
10-08