耐火材料在水煤漿氣化爐內(nèi)襯的應(yīng)用

 

水煤漿氣化工藝領(lǐng)域，常用的有三種，分別是：頂置單噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、頂置單噴嘴多元料漿氣化技術(shù)、側(cè)置四噴嘴水煤漿氣化技術(shù)。但是無論采用哪種水煤漿氣化技術(shù)，氣化爐燃燒室爐壁耐火材料的設(shè)計大同小異，都分為四層耐火材料。

水煤漿氣化燃燒室的反應(yīng)溫度在煤的灰熔點溫度以上．約為1200～1500℃。煤灰形成的液態(tài)熔渣大部分沿爐膛內(nèi)壁流下并從渣口排出，液態(tài)熔渣直接侵蝕沖刷爐磚，耐火材料性能如何直接關(guān)系到爐磚的運行壽命及氣化爐的運行安危問題。一旦氣化爐內(nèi)耐火磚厚度不足或因砌爐技術(shù)不過關(guān)造成竄氣、掉磚使?fàn)t體鋼殼局部超溫形成熱點，輕則需停車檢查處理，重則可能給設(shè)備帶來較大的傷害。水煤漿加壓氣化爐向火面耐火磚的使用壽命視具體情況，短的僅達(dá)2400多小時絕大多數(shù)出現(xiàn)在投產(chǎn)運行初期)，長的用到了18000h左右，中間差距很大?？梢?，耐火材料的選用、筑砌、維護(hù)十分重要，如何延長汽化爐的耐火材料使用壽命成為各家的共同研究課題。

一、氣化爐用耐火材料的要求

高壓高溫熔渣氣化爐對耐火材料的要求比較苛刻，除了要滿足保護(hù)受壓容器不受高溫影響的強(qiáng)度要求，還要考慮爐內(nèi)高壓氧化氣氛、還原氣氛下熔渣對爐磚的侵蝕問題，這要求汽化爐耐火材料具有如下特點。

①須具有高溫?zé)嶙栊阅芤詼p少徑向散熱量，這要求耐火材料內(nèi)部40mm到200mm部位有可能要承受1000℃左右的溫差。

②高溫度下的強(qiáng)度須保證，以抵抗氣體和熔渣的沖刷和磨損，不至于由于高溫性能不好使耐火材料局部損壞而導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)熱點。

③須具有較高的熱震穩(wěn)定性，以承受溫度驟變而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，因為短時間內(nèi)溫度變化有可能達(dá)到幾百度。

④須具有低的氣孔率、高的單位體積質(zhì)量和強(qiáng)的抗渣性，以抵抗熔融灰渣的滲透和侵蝕。

⑤須具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性，與其他成分少發(fā)生或不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

另外，耐火材料的應(yīng)用性能與其升溫養(yǎng)護(hù)的好壞有著大關(guān)系，沒有按照耐火材料的要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)或升降溫都將影響耐火材料的壽命。

由于氣化爐中的高溫氣體和熔渣同時與耐火材料接觸，氣體和熔渣的成分也因煤種而異，在制作耐火材料時須考慮它們可能對構(gòu)成耐火材料物質(zhì)的相互影響性。

高溫下SiO2會溶人氣體的水蒸氣當(dāng)中(溶解量隨蒸汽分壓變化而變化)而被帶走，因此含。的材料不適宜作耐火材料的原料。同理，含碳化硅(SiC)的材質(zhì)及含其他硅化物的材質(zhì)都不適應(yīng)，因為它們都會被氧化生成SiO2溶入氣體中造成耐火材料的侵蝕。

含高鐵的耐火材料由于鐵化合物對CO分解析炭有催化作用，即：

2CO→C+CO2 

從而導(dǎo)致材料中的晶格擴(kuò)大，破壞機(jī)械強(qiáng)度，也不適用作耐火材料的原料。

含Al2O3材料易被煤灰熔渣中的FeO或Fe2O3溶解，對耐火材料性能也不利。

經(jīng)實驗測定各種氧化物在1500～2000℃溫度下煤渣中的大溶解度大小排序基本為：SiO2＞CaO＞Al2O3＞MgO＞Cr2O3，所以高Cr2O3含量是熔渣氣化爐爐襯材料所需的。

堿性耐火物易被酸性灰渣所侵蝕，酸性耐火物易被堿性灰渣所侵蝕，特別是那些酸堿反應(yīng)后產(chǎn)生與原物比容不同的物質(zhì)更為危險，因為原物晶格將發(fā)生變化。會產(chǎn)生特別的機(jī)械應(yīng)力；易于與煤灰成分生成低溫共熔相的材料，也會導(dǎo)致特殊機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。目前還沒有發(fā)現(xiàn)可適應(yīng)不同煤種氣化的耐火磚，所以選擇耐火磚時須考慮氣化操作溫度和所用煤的灰分組成，一般認(rèn)為MgO—Cr2O3耐火磚適應(yīng)于堿性灰，Al2O3—Cr2O3適應(yīng)于酸性灰。

分析表明，提高耐火材料Cr2O3的含量可增強(qiáng)抗渣性，ZrO：的加入有助于材料的韌性增加，可以提高耐熱沖擊性。Al2O3粉的使用有助于材料的力學(xué)性能提高。綜合考慮Cr2O3—Al2O3類耐火材料，有要根據(jù)實際情況調(diào)配組成、化顯微結(jié)構(gòu)和相組成，以獲得佳性能。

經(jīng)過研究和工業(yè)實踐驗證，較低的操作溫度有利于爐襯蝕損率的降低，較低的爐襯蝕損率大都在1400℃以下的氣化爐上獲得。

二、水煤漿氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)及材料

氣化爐耐火材料整體可分為三大塊：錐底、筒體和拱頂，拱頂與殼體之間預(yù)留有一定的膨脹空間，以備氣化爐運行時爐內(nèi)襯耐火磚整體向上膨脹。由內(nèi)向外又可分為若干層，以筒體耐火材料為例，可分為向火面耐火層、背襯層、隔熱層和可壓縮層四層(拱頂和錐底與此大同小異)，前三層之間預(yù)留有3～5mm的膨脹間隙，以便徑向膨脹不受約束。

向火面耐火層：又稱熱面磚，是耐高溫耐侵蝕的消耗層，一般選用高鉻材料，要求具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性、較高的抗蠕變強(qiáng)度和抗熱震性。水煤漿氣化爐筒體向火面磚厚約為230mm。

背襯層：主要作用是隔熱保溫，但在向火面磚消失的情況下作為一個可短暫操作的襯里使用，背襯磚大多采用剛玉磚。筒體耐火磚厚約為200mm。

隔熱層：要求隔熱性能好，以使金屬外殼始終處于溫度界限之內(nèi)，同時盡量減少熱損失，一般選用氧化鋁空心球磚。筒體耐火磚厚約為110mm。

可壓縮層：在一定溫度范圍內(nèi)可被壓縮或恢復(fù)原狀，能減少徑向熱膨脹應(yīng)力對殼體的沖擊。厚度約15～20mm。

不論是向火面耐火磚還是背襯耐火磚，環(huán)向和縱向磚與磚之間都要求具有較為牢靠的結(jié)合方式，以增強(qiáng)爐襯的整體性．防止耐火磚間高溫氣體亂竄，保證承壓殼體的。

1．向火面耐火磚

向火面耐火磚工作環(huán)境十分惡劣，設(shè)計單位和用戶對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用十分謹(jǐn)慎。

（1）結(jié)構(gòu)與材料 爐膛向火面耐火層由獨立的下部錐體、豎直筒體、上部拱頂三部分襯磚組成，其間設(shè)有15～25mm的縱向縫隙，這種結(jié)構(gòu)有利于各自部分的拆除和更換。另外，由于錐底和筒體向火面耐火磚上部沒有承重，在熱態(tài)情況下可以獨立自由地向上膨脹，減少了向火呵耐火材料的應(yīng)力。

（2）熔渣對耐火材料的侵蝕原因分析 煤中主要夾雜有石英和硅／鋁黏土類礦物，還有少量碳酸鹽、硫化物和硫酸鹽，這些礦物作為煤中夾雜物隨水煤漿液滴一起進(jìn)入德士古氣化爐，煤漿液滴經(jīng)過加熱、干燥、熱解、燃燒和氣化反應(yīng)，各個夾雜礦物轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)，終熔融形成熔渣滴。有些熔渣滴會直接被氣流帶出氣化爐，而大多數(shù)沖擊在爐膛墻壁上形成均勻的渣液，沿壁流向氣化爐底部的渣。這樣形成的煤灰熔渣對耐火爐襯有強(qiáng)的侵蝕性和磨損性，多年來各科研單位及用戶一直在研究改進(jìn)以選擇合適的耐火材料和爐襯結(jié)構(gòu)。

我國學(xué)者研究認(rèn)為，由于渣侵蝕引起的材料損毀和熱應(yīng)力引起的材料破裂、剝落及耐火磚磚縫開裂，是熔渣氣化爐襯使用期間為常見的問題。

熔渣對耐火材料的侵蝕取決于渣和耐火材料的化學(xué)成分、渣黏度、操作溫度和流態(tài)，侵蝕包括三個過程：溶解、滲透和沖刷磨損。選擇高鉻耐火材料是因為其在煤渣中具有較低的溶解度，對一定的爐襯材料而言，溶解過程受耐火材料上的渣邊界層擴(kuò)散過程所限制，溶解速率取決于溫度的高低。渣滲透不直接引起耐火材料的損毀，但溶解了耐火材料晶問的直接結(jié)合體，從而降低了高溫強(qiáng)度，使材料的高溫韌性大大降低，不同的變化會引起局部破裂；沖蝕過程是殘渣和氣體運動對耐火材料的作用過程，促進(jìn)了前兩個過程。

熱應(yīng)力損毀來自于：①向火面磚的熱膨脹產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；②因為在其他方面上受到抑制，耐火材料在熱面方向上產(chǎn)生蠕變變形，使得爐襯產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生平行于向火面的顯微裂紋；顯微裂紋又會結(jié)合起來形成很大的裂紋，后耐火磚的熱面剝落下來。

氣化爐頻繁開停車會引起爐膛溫度急劇變化，煤漿或氧氣短時故障也會引起爐膛溫度大幅波動，這種溫度的大起大落是耐火材料產(chǎn)生裂紋的主要原因，嚴(yán)重時可因瞬時熱應(yīng)力過大導(dǎo)致耐火磚爆裂掉片。隨著裂紋的形成和熔渣的滲透，還會發(fā)生熱化學(xué)剝落。由于熔渣和耐火材料之問的化學(xué)及礦物學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不同，在熔渣滲透帶和未變帶之間形成應(yīng)力，導(dǎo)致耐火磚層剝落（通常5～30mm）。這種化學(xué)剝落定期反復(fù)出現(xiàn)，嚴(yán)重的時候每隔幾十到幾百個小時就重復(fù)一次。

根據(jù)氣化爐停車進(jìn)爐觀察情況，爐襯表面光滑平整，蝕損率在0．02～0．03mm／h以下的爐襯，煤熔渣的侵蝕沖刷是主要的損毀原因，而爐襯使用后凹凸不平，有磚體開裂，熱應(yīng)力的作用為主要損毀原因。

（3）向火面磚的壽命 影響耐火磚壽命的因素很多．如耐火材料選擇不當(dāng)、筑爐質(zhì)量不高、煤質(zhì)不穩(wěn)定、開停車太頻繁、負(fù)荷變化、運行經(jīng)驗不足等等。根據(jù)多年的運行經(jīng)驗，拱頂磚的蝕損率遠(yuǎn)小于筒體部位，但拱頂經(jīng)常出現(xiàn)磚開裂或掉磚現(xiàn)象，導(dǎo)致外殼上部出現(xiàn)熱點；而錐底在操作不正常情況下無法保護(hù)激冷環(huán)，常使激冷環(huán)燒壞。氣化爐低負(fù)荷長時間運行時，筒體上部磚蝕損常常偏大，而當(dāng)高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，筒體下部耐火磚和渣口磚壽命較短。

運行統(tǒng)計顯示，操作溫度太高和頻繁開停車對氣化爐耐火材料壽命影響大。原料煤質(zhì)是決定氣化爐操作溫度高低的一個關(guān)鍵因素，從理論上講，德士占?xì)饣癄t可以氣化任何煤種，但使用高灰熔點煤時爐襯蝕損率異常高，常常出現(xiàn)堵塞渣口的現(xiàn)象，工況較難控制。渭河煤化工集團(tuán)有限公司、魯南化肥廠均因此更換過煤種。頻繁開停車會導(dǎo)致耐火材料經(jīng)受較大的溫度波動及壓力波動的影響，容易引起耐火磚出現(xiàn)裂紋或剝落。

為了提高向火面耐火磚的整體壽命，有些用戶根據(jù)實際使用情況已經(jīng)采用了在不同的部佗砌筑抗蝕有所差異的耐火材料的做法，而且也對測壓孔的位置、爐襯結(jié)構(gòu)作了部分調(diào)整。這種選擇需綜合考慮噴嘴類型、操作壓力、經(jīng)濟(jì)負(fù)荷等因素，以求佳效果。據(jù)介紹，日本氨廠筒體向火面耐火磚使用壽命一般可達(dá)18000h左右，錐體磚使用壽命可達(dá)9000h，陜西某公司筒體向火面耐火磚使用壽命長達(dá)到了20000h。

2．背襯磚

鉻剛玉磚是以白剛玉砂為骨料加入適量Cr2O3，經(jīng)混料、成型及高溫?zé)Y(jié)而成。該耐火磚主要用于渣油氣化爐的渣口、炭黑反應(yīng)爐以及作為水煤漿氣化爐向火面層的背襯磚。

3．隔熱層

Al2O3空心球隔熱耐火磚／澆鑄料主要用于渣油氣化爐的背襯層，炭黑反應(yīng)爐以及水煤漿化爐的隔熱層。如果作為澆鑄料，存放時間不能太長，否則性能會降低。

4．可壓縮層

常用的FBX 1900水泥是一種礦物纖維和無黏結(jié)劑的干燥混合物，含有有效的防銹劑但沒有腐蝕作用。施工時可用泥刀涂抹或用噴槍噴涂。

水煤漿氣化爐耐火材料在具體的砌筑過程中，應(yīng)該保證：①須對欲砌筑的耐火磚進(jìn)行不使用耐火泥漿的預(yù)排，使磚與碎、層與層之間的接縫誤差更符合圖紙要求。②磚與磚、層與層之間的接縫在用耐火泥漿砌筑時須填充飽滿，減輕運行狀態(tài)下高溫熔融態(tài)爐渣的滲入及侵蝕，防止接縫竄氣。③耐火泥漿與澆注料嚴(yán)格桉要求配比使用，不允許超時使用。④澆筑完成后目測與實測檢查。目測：手感砌壁的光滑度，不能有凸臺或凹臺出現(xiàn);實測：按圖紙要求。⑤膨脹縫的檢查，須符合圖紙要求。⑥多噴嘴氣化爐的燒嘴室澆筑要嚴(yán)格按同一水平軸線對中。無論在新砌筑氣化爐，還是氣化爐耐火材料更換，嚴(yán)格的砌筑過程控制是實現(xiàn)耐火材料長周期使用的關(guān)鍵。

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