Texaco水煤漿加壓氣化是潔凈煤氣化技術(shù)之一，具有高效，低污染，易自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。氣化爐是整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)襯耐火材料的質(zhì)量直接影響到爐子的操作穩(wěn)定性和使用壽命，但是其工況條件極為苛刻，要求高溫(1350~1450℃)、高壓(6.5MPa)、強(qiáng)還原氣氛和液態(tài)酸性排渣，伴隨著固體、液體、氣體的高速?zèng)_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(duì)氣化爐用耐火襯里的使用壽命產(chǎn)生很大的影響。因此，了解氣化爐耐火襯里的使用條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析總結(jié)蝕損原因，從提高耐火材料的抗蝕損性能、保證爐磚的砌筑質(zhì)量，從提高耐火材料的抗蝕損性能、保證爐磚的砌筑質(zhì)量、嚴(yán)格烘爐曲線以及操作工況的控制等方面，來(lái)減緩氣化爐耐火磚的蝕損，實(shí)現(xiàn)煤氣化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。
1氣化爐耐火襯里設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
Texaco水煤漿氣化中水煤漿經(jīng)高壓梅江泵加壓后連同外供的高壓氧通過(guò)爐頂工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐，在氣化室中水煤漿與氧發(fā)生非催化部分氧化，產(chǎn)生的合成氣從反應(yīng)室出來(lái)直接向下通過(guò)下降管進(jìn)入激冷室完成合成氣的激冷洗滌。氣化爐工分為燃燒室及激冷室兩大部分，其中燃燒室進(jìn)行燃燒、氣化反應(yīng)，內(nèi)部襯有耐火襯里，從里到外依次為高鉻磚、鉻剛玉磚、氧化鋁空心球磚、可壓縮層、澆注料(如圖1)。
圖1 氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)
其中向火面高鉻耐火磚是保證氣化爐正常運(yùn)行的最關(guān)鍵部分。
2氣化爐耐火磚的理化性能指標(biāo)
由于耐火磚中Cr2O3含量對(duì)抗熔渣的蝕損性非常關(guān)鍵，因而一般耐火磚型號(hào)均以Cr2O3的含量多少命名，煤氣化爐耐火磚的主要成分質(zhì)量組成及理化性能指標(biāo)如表1。
圖1 國(guó)產(chǎn)90耐火磚理化性能指標(biāo)
3氣化爐耐火磚的使用環(huán)境及要求
煤氣化爐操作條件為爐膛溫度不大于1400℃，操作壓力6.5MPa，煤漿濃度58%~64%，煤漿灰熔點(diǎn)小于1300℃，入爐煤量31.25t/h，排灰渣量4.2t/h。操作溫度控制在煤灰的灰熔點(diǎn)之上50℃，產(chǎn)生的渣呈液態(tài)沿耐火磚向火面留下，因而與耐火磚接觸的介質(zhì)為高溫煤氣的熔渣(組分見(jiàn)表2)。從熔渣組分可以看出，煤氣爐產(chǎn)生的熔渣為高鈣渣。
表2 煤氣和熔渣的組分分析
由于向火面高鉻磚時(shí)刻處于其高溫氣液固三相介質(zhì)的高速?zèng)_刷狀況下，同時(shí)受到其他因素的影響，因此對(duì)耐火磚性能要求極為苛刻;①具有較高的熱態(tài)強(qiáng)度，使耐火磚具有較好的耐沖刷性;②對(duì)酸性熔渣應(yīng)有較好抗?jié)B透性和抗侵蝕性;③較好的體積穩(wěn)定性，即較小的熱膨脹系數(shù)，以減少熱應(yīng)力的破壞;④較好的熱震穩(wěn)定性，減少爐溫劇變對(duì)耐火磚的侵蝕、剝落;⑤較小的氣孔率即較高的密度。
4氣化爐耐火磚蝕損原因分析
向火面耐火磚的使用條件及使用環(huán)境決定了高鉻耐火磚長(zhǎng)期與高溫、高壓、低粘度、高流速的熔渣及一定還原性工藝介質(zhì)相接觸，局部還直接承受火焰沖刷和舔燒。熔渣的侵蝕滲透導(dǎo)致耐火磚組成的結(jié)構(gòu)的變化、熱應(yīng)力的破壞及熔渣和高速氣流的沖蝕是耐火磚蝕損的根本原因;氣化爐操作工況、耐火磚的砌筑質(zhì)量等是影響耐火磚蝕損的重要因素。
4.1熔渣對(duì)磚體的侵蝕滲透
熔渣對(duì)耐火磚的其實(shí)主要包括3個(gè)過(guò)程，即滲透、溶解和沖蝕磨損。煤中含有的Si、Al、Ca、Fe及其他微量金屬鹽類構(gòu)成了煤的成分，不同的煤種可形成不同種類的熔渣，熔渣通過(guò)對(duì)磚的熔解、滲透并在氣化爐內(nèi)強(qiáng)還原氣氛下雨耐火磚的組分形成低熔點(diǎn)化合物，改變了磚的組成，低熔點(diǎn)化合物不斷地被沖刷，導(dǎo)致耐火磚被逐漸剝蝕。實(shí)踐證明，CaO含量高的熔渣在高溫下與其他組分發(fā)生程度不同的反應(yīng)，形成新的低熔物相，較SiO2含量高的爐渣對(duì)Cr2O3基耐火材料的滲透侵蝕性更強(qiáng)(見(jiàn)圖2)，引起的結(jié)構(gòu)剝落次數(shù)和厚度變化更加嚴(yán)重。
圖2 熔渣的滲透性對(duì)比
另外，CaO含量高的熔渣灰熔點(diǎn)低，操作過(guò)程中不易在磚面形成附著渣層，起不到以渣抗渣的作用，流動(dòng)熔渣在侵蝕滲透的同時(shí)，還會(huì)直接沖蝕磚體，加速耐火磚的蝕損。圖3為煤氣化爐向火面高鉻磚運(yùn)行14000h后受高鈣熔渣侵蝕滲透狀況。
4.2熱應(yīng)力引起的破壞
在氣化爐內(nèi)、降溫過(guò)程中，由于各層磚的升、降溫速率不同，爐內(nèi)耐火磚砌體膨脹系數(shù)不同，耐火磚所受到的約束和阻力不同，在耐火磚的環(huán)向和垂直方向產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于向火面耐火磚的強(qiáng)度時(shí)，常在耐火磚的邊角處出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。另外，在磚與磚的位移面上還會(huì)發(fā)生摩擦，產(chǎn)生剪切力且具有局部撕裂作用，導(dǎo)致向火面耐火磚產(chǎn)生表面裂紋。這些表面裂紋也加速了熔渣侵蝕擴(kuò)散，導(dǎo)致磚的表面結(jié)構(gòu)解體和剝落。
圖3 氣化爐高鉻磚受熔渣侵蝕滲透狀況
氣化爐緊急停車(chē)或發(fā)生操作故障時(shí)，爐溫急劇變化，也是向火面磚產(chǎn)生裂紋的主要原因，這可能導(dǎo)致由于熱應(yīng)力而引起向火面磚出現(xiàn)大面積剝落，厚度可達(dá)5~30mm不等(見(jiàn)圖4)。隨著裂紋的產(chǎn)生和爐渣的滲透，在耐火材料表面形成滲透層，由于滲透層在膨脹系數(shù)等諸多理化性能與原耐火材料存在差異，在渣滲透帶和未滲透層之間也形成應(yīng)力，隨著溫度的變化，會(huì)出現(xiàn)整體剝落。
圖4 氣化爐高鉻磚表面結(jié)構(gòu)解體和剝落
4.3熔渣和高速氣流的沖蝕破壞
向火面耐火磚在氣化爐內(nèi)除了受到高溫熔渣侵蝕外，還受到高速氣流和沿壁面流動(dòng)的熔渣沖刷和磨損，亦或兩者共同作用，引起耐火磚損失。
在Texaco水煤漿氣化爐中，高溫高速氣流對(duì)向火面爐磚表面具有明顯的沖刷作用。其沖刷部位及沖刷程度，取決于Texaco工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)尺寸及煤漿/氧氣混合物所形成的物化效果。霧化角越大，對(duì)筒壁耐火磚的沖刷越嚴(yán)重，同時(shí)還伴隨著嚴(yán)重的燒蝕。另外，在工藝燒嘴出口(筒體磚上部K磚以下)附近氣化反應(yīng)最劇烈，氧氣也還未完全消耗，且該部位耐火磚表面熔渣較少，氣體沖刷與燒蝕同時(shí)產(chǎn)生作用，會(huì)加劇耐火磚的損毀。圖5為筒體K磚位置蝕損狀況。
圖5 氣化爐筒體K磚下部1437A磚燒蝕情況
熔渣在高溫下沿著爐壁自上而下流動(dòng)的過(guò)程中，在侵蝕耐火磚的同時(shí)還會(huì)對(duì)耐火磚產(chǎn)生磨損作用。通常情況下，熔渣對(duì)耐火磚的流動(dòng)磨損作用是比較小的，氣流通過(guò)摩擦作用帶動(dòng)熔渣沿壁面向下流動(dòng)的動(dòng)量也不大，且部分熔渣附著在向火面表面，也減緩了熔渣及高速氣流對(duì)耐火磚的沖蝕。但是在局部湍流區(qū)和高速分離區(qū)，熔渣的流速較高，容易產(chǎn)生較大的磨損。熔渣和高速氣流對(duì)耐火磚的沖刷磨損主要發(fā)生再氣化爐燃燒室的出渣口出。在此處，高速氣流攜帶熔渣對(duì)錐底磚和其他突出部位產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷磨損作用。
4.4氣化爐操作工況的影響
綜合國(guó)內(nèi)外Texaco水煤漿加壓氣化爐的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，操作溫度、生產(chǎn)負(fù)荷、開(kāi)停車(chē)次數(shù)及工藝燒嘴霧化狀況等工藝操作因素，對(duì)向火面磚的蝕損影響比較大。
(1)操作溫度越高，侵蝕速率越大，磚壽命越短。在適宜的操作速度以上，每升高100℃，耐火磚的蝕損率將增長(zhǎng)近4倍。在水煤漿氣化爐的工作環(huán)境下，耐火磚的使用壽命縮短的根本原因在于高溫會(huì)顯著改變煤灰渣的粘溫特性。溫度越高，粘度就越低，流動(dòng)性越好，對(duì)磚的侵蝕和滲透越嚴(yán)重，侵蝕率就越大，壽命就越短。
(2)生產(chǎn)負(fù)荷越高，煤漿、氧氣流量越大，渣量也越大，操作壓力也相應(yīng)增大，這就為加速向火面磚的侵蝕和滲透提供了條件。同時(shí)由于渣量增大，清渣次數(shù)增加，對(duì)爐襯壽命帶來(lái)影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)負(fù)荷增加30%，熱面襯使用壽命降低33%。
(3)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，開(kāi)停車(chē)一次，向火面磚侵蝕5~20mm，且煤渣中CaO含量高是更明顯。
(4)Texaco水煤漿工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸及安裝高度，直接影響到燒嘴霧化性能、火焰剛性及長(zhǎng)度，從而影響到耐火磚的使用壽命。工藝燒嘴中心線是否與氣化爐中心線重合，操作工程中是否過(guò)氧，是造成氣化爐耐火磚局部嚴(yán)重蝕損的重要原因之一;另外，燒嘴運(yùn)行后期煤漿噴頭磨損引起煤漿偏流，也會(huì)造成耐火磚局部蝕損加劇。
4.5 耐火磚砌筑質(zhì)量的影響
耐火磚的砌筑質(zhì)量是保證其使用壽命和確保氣化爐運(yùn)行安全的重要因素。施工環(huán)境溫度、耐火泥漿調(diào)制、磚與磚之間灰縫間隙控制、以及爐墻的垂直度、同心度等都是重點(diǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)。其中耐火磚灰縫過(guò)小，磚體高溫膨脹，在環(huán)向和垂直方向產(chǎn)生應(yīng)力擠壓，導(dǎo)致耐火磚產(chǎn)生表面裂紋;灰縫過(guò)大，縫內(nèi)耐火泥的強(qiáng)度較低，高速氣流沖刷造成耐火泥脫落，耐火磚邊角沖蝕形成圓角，磚縫隨之?dāng)U大，加速蝕損。
5 減少和控制耐火磚蝕損的對(duì)策
5.1 提高向火面耐火磚抗侵蝕性能
提高耐火磚中Cr2O3的含量，可以顯著改善抗侵蝕性能。測(cè)井采用回轉(zhuǎn)抗渣法對(duì)不同材質(zhì)耐火材料進(jìn)行了抗熔渣侵蝕能力的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)耐火材料抗侵蝕性能優(yōu)劣的順序?yàn)椋簑(Cr2O3)=90%的高鉻磚>w(Cr2O3)=86%的高鉻磚>鉻剛玉磚>剛玉磚>氧化鋯磚。由此可見(jiàn)，提高耐火材料中的Cr2O3含量有利于提升其抗熔渣化學(xué)侵蝕的能力。因此，建議在侵蝕比較嚴(yán)重的部位或者熔渣中鈣鐵含量比較高的氣化爐內(nèi)采用Cr2O3含量比較高的耐火材料，例如w(Cr2O3)>90%的高鉻磚。另外，增大耐火磚的密度，使氣孔微細(xì)化，減少化學(xué)侵蝕的路徑，從而提高抗?fàn)t渣侵蝕性能。
5.2加強(qiáng)砌筑施工質(zhì)量控制
嚴(yán)格執(zhí)行筑爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注砌筑過(guò)程中的質(zhì)量控制要求：①保證筑爐環(huán)境溫度不低于-5℃。②澆注料施工及耐火泥漿調(diào)制用水為飲用水，水溫在10~25%為宜，其pH值在7.0~7.5，氯離子濃度不大于2.5mg/L。③耐火磚砌筑采用人工抹灰擠壓法，保證灰縫均勻飽滿;上下、內(nèi)外層之間灰縫相應(yīng)貫通橫向練成直線的情況，單環(huán)同徑爐墻上下兩層磚不應(yīng)有重縫。④?chē)?yán)格控制以下參數(shù)：耐火磚橫向灰縫不大于1.0mm，豎向灰縫不大于1.8mm，保溫磚灰縫不大于3mm，爐墻表面平整度不大于5mm;爐墻垂直度不大于3mm/m，全高不大于15mm，同心度±5mm。⑤拱頂和筒體之間預(yù)留有35~50mm的膨脹空間，以備氣化爐升溫時(shí)耐火材料整體向上膨脹。
5.3嚴(yán)格按烘爐曲線升溫
由于耐火磚、澆注料等耐火材料在加熱過(guò)程中存在相變、熱膨脹、脫水反應(yīng)、摻加反應(yīng)等，因此氣化爐襯里砌筑完成后，應(yīng)按要求進(jìn)行烘爐，以免砌體出現(xiàn)變形、開(kāi)裂，甚至破壞氣化爐爐體等現(xiàn)象的發(fā)生。
氣化爐進(jìn)行烘爐時(shí)，要制定詳細(xì)的烘爐升溫曲線(見(jiàn)圖7)，保證耐火磚及澆注料等耐火材料中的水分有充分的的時(shí)間逸出，且可以保證耐火材料溫度分布梯度的時(shí)間逸出，且可以保證耐火材料溫度分布梯度的穩(wěn)定性，避免爐溫變化過(guò)快引起耐火磚產(chǎn)生位移。
5.4選擇合適的煤種
灰分含量、灰熔點(diǎn)及粘溫特性使Texaco煤氣化工乙原料煤最關(guān)鍵的控制因素，決定了氣化爐的溫度控制，排渣性及耐火磚的長(zhǎng)周期使用等�；曳趾康�、灰熔點(diǎn)低、粘溫性好的煤比較適合Texaco水煤漿氣化工藝。另外，爐渣中的CaO對(duì)耐火磚的侵蝕相對(duì)其他氧化物較為突出，考慮選擇煤中CaO含量低的煤種，尤其選擇CaO含量比較低的優(yōu)質(zhì)媒的提高耐火磚中的Cr2O3含量可以提高鉻磚的抗侵蝕性，但煤中CaO含量低又會(huì)導(dǎo)致煤的灰熔點(diǎn)偏高，所以CaO含量也不宜過(guò)低。
圖7 氣化爐向火面磚更換烘爐升溫曲線
5.5改善氣化爐的工藝操作工況
嚴(yán)格控制爐膛操作溫度在1300~1350℃，比煤灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度高50℃，使耐火磚表面能形成一層薄的熔渣，以渣抗渣，對(duì)耐火磚起保護(hù)作用，并防止渣口結(jié)渣�？刂七m當(dāng)?shù)难趺罕葘?duì)控制好爐溫相當(dāng)關(guān)鍵，有利于控制爐內(nèi)的氧化還原性氣氛，避免過(guò)氧操作，降低熔渣對(duì)耐火磚的侵蝕。
嚴(yán)格控制氣化爐的生產(chǎn)負(fù)荷，在不影響正常運(yùn)行的條件下盡量降低操作溫度，并減少開(kāi)停車(chē)次數(shù)，減少耐火磚在使用過(guò)程中受到的熱沖擊。
燒嘴霧化角度要與爐膛大小相匹配。若角度過(guò)大，會(huì)使耐火襯里受煤漿顆粒嚴(yán)重磨損;若過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)耐火磚的沖刷、燒蝕區(qū)域上移。良好的工藝燒嘴配制和安裝，不僅可以使碳轉(zhuǎn)化率由94%提高到99%，而且大大減少對(duì)向火面磚的蝕損，提高耐火磚的使用壽命。目前，齊魯二化煤氣化爐采用三通道內(nèi)外混水煤漿氣化工藝燒嘴。
6結(jié)論
Texaco水煤漿氣化爐耐火磚蝕損控制是煤氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的保證，也是煤氣化工藝設(shè)備綜合耐火磚蝕損原因進(jìn)行滲入分析研究，從耐火磚材料性能、安裝施工質(zhì)量及操作規(guī)程的執(zhí)行等方面查找問(wèn)題和不足，并加以改進(jìn)，才能延長(zhǎng)耐火磚使用壽命，不斷提高煤氣化裝置長(zhǎng)周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的水平。