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，除了要滿足保護受壓容器不受高溫影響的強度要求，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)護的好壞有著大關(guān)系，沒有按照耐火材料的要求進行養(yǎng)護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)致材料中的晶格擴大，破壞機械強度，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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