浅谈新型气化炉拱顶耐火砖损蚀的原因分析
发布日期： 2019-12-12 11:43:47 阅读量（631） 作者：国内某化工厂多喷嘴对置式新型气化炉是第一套大型工业示范装置，气化装置二开一备建设了三台操作压力为4.0MPa、温度在1200～1300℃、日处理1000t煤的多喷嘴对置式气化炉。气化炉是水煤浆加压气化装置的主要设备，而气化炉耐火砖材质的质量是影响气化炉运行周期的主要因素。气化炉操作，要求高温、高压。氧气与煤浆通过工艺烧嘴对喷进入气化炉，对喷撞击形成6个特征各异的流动区，加剧了对耐火砖的冲刷，并且在开停车时会引起炉温的急剧变化，因而要求衬里有较高的抗熔渣侵蚀性和渗透性、较高的热态强度、较好的高温体积稳定性。气化炉炉膛分为三部分，上部为拱顶部分，中间为筒体部分，下部为锥底及渣口部分。三部分之间相互独立，有利于各部分的拆除或更换。不同部位耐火砖的损蚀速率并不一致，根据运行经验发现烧蚀速率较快的为拱顶部分的耐火砖。
1、气化炉内衬耐火材料特点
我公司多喷嘴对置式新型气化炉采用国产耐火材料，多喷嘴气化炉燃烧室耐火砖的结构由向火面砖、背衬砖、隔热砖三层砖组成。
1.1向火面砖
由于向火面砖与煤熔渣直接接触，是气化炉用耐火材料最苛刻的部位，所以选用90铬铝锆砖(俗称高铬砖)。铬铝锆砖所用主要原料为Cr2O3具有很好的热态稳定性能和抗高温熔渣、气流冲刷、侵蚀性能。
1.2背衬砖
背衬砖在向火面砖后，对气化炉耐火砖整体起至关重要的力学支撑作用，所以选用铬刚玉砖。铬刚玉砖常温强度大、化学稳定性好、承重效果好，具有优良的抗煤熔渣侵蚀性能和抗高温蠕变性能。
1.3隔热砖
隔热砖在背衬砖之后，对气化炉起保温作用，使热损失降低，所以选用氧化铝空心球砖。氧化铝空心球砖有明显的保温特性，导热系数低，是一种耐高温、节能优异的轻质耐火材料，在各种气氛下使用都非常稳定，具有很好的抗腐蚀性气体的侵蚀能力和缓冲热应力能力。
1.4重质浇注料(铬刚玉浇注料)
铬刚玉浇注料用于球顶及锥底，浇注料和砖相比优点是无灰缝(即整体性好)，施工方便，特别是复杂结构的施工。铬刚玉浇注料抗煤熔渣侵蚀性能好，高温强度高，高温线变化小，在高温高压还原气氛下长期使用性能稳定。
2、耐火砖损蚀原因
拱顶耐火砖的寿命对新型气化炉工艺至关重要，是制约气化炉长周期稳定运行的重大因素，造成系统不能连续运行，检修成本升高，据统计，每台气化炉每次更换拱顶砖周期约40d，直接费用约120万元。通过气化炉内流场分布以及耐火砖结构的研究，结合炉内工作条件，多方面分析耐火砖损蚀原因并采取了相应措施。
2.1结构设计原因
2.1.1拱顶向火面砖厚度不足
向火面砖厚度为200mm，当向火面砖厚度减薄到原厚度的1/3时，耐火砖达到使用寿命，不能继续使用。根据拱顶砖现场实测减薄速度可以看出耐火砖厚度薄，减薄速度快，是造成整体耐火砖寿命短的关键原因。
图1，图2为气化炉拱顶部分耐火砖改造前及改造后的示意图。
图1改造前气化炉拱顶部分耐火砖
由图1可以看出，改造前新型气化炉拱顶砖设计由三层构成，最里层为向火面砖，中间层为背衬砖，最外层为隔热砖。
由图2可以看出，改进后新型气化炉拱顶部分耐火砖由原设计的三层变为两层，里层为向火面砖，最外层为重质浇注料，取消了中间层的背衬砖。改造后由向火面砖取代原背衬砖部分，从而增加了向火面砖的厚度，延长了烧蚀速率，从而延长了拱顶部分耐火砖的使用寿命。
图2改造后气化炉拱顶部分耐火砖
2.1.2封堵砖结构不合理
封堵砖设计为圆柱体，其主要密封面封堵砖侧面与B砖为间隙密封，设计间隙为2mm，实际上耐火砖的制造与砌筑都存在一定误差，尤其气化炉使用后，封堵砖的二次安装，其耐火砖密封面上的融渣无法彻底清理干净，封堵砖为浇筑件，制造尺寸误差在2mm左右，根据以上几种情况封堵砖实际预留间隙都大于4mm，否则就无法顺利安装，由于间隙过大密封效果差，拱顶炉颈处多次窜气超温。气化炉拱顶预制件使用寿命短。
图3、图4为气化炉顶部封口砖改造前后的结构示意图:
图3改造前气化炉顶部封口砖结构
图4改造后气化炉顶部封口砖结构
由图3、图4可以看出对气化炉顶部封口砖结构形式进行改造:
1)气化炉顶部预制件由原设计的圆柱凸台型改为圆锥凸台型。
2)对B砖进行了加厚，将预热口尺寸缩小，将预热口由圆柱孔改为圆锥孔。改变紧靠B砖的A砖的设计为A1砖，目的是保护B砖。
3)通过多次对气化炉向火面砖检查总结，发现拱顶砖B砖至K砖蚀损过快为气化炉的薄弱点。我们对拱顶耐火砖进行了重新设计改进，把拱顶原耐火砖一道子母槽改为两道，增加一道砖缝侵蚀的防线。
通过上述改造拱顶炉颈处窜气超温现象得到有效改善，延长了气化炉拱顶预制件使用寿命。
2.2原料原因
2.2.1煤的灰熔点的影响
简单地说，灰熔点就是灰分熔融时的温度。煤种含有的硅、铝、铁、镁、钾、钙、硫、磷等元素和以碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐和硫化物构成了煤的灰分。煤的灰熔点决定了气化炉的操作温度，灰熔点低，操作温度相对较低，有利于耐火砖的保护;灰熔点高，操作温度必然要相对提高，炉内热辐射大，加快了对耐火砖的热侵蚀速度。
灰熔点的大小与灰分的组成有关，若灰分中SiO2和Al2O3的比例越大，其熔化温度越高;而Fe2O3和MgO等碱性成分的比例越高，则熔化温度越低。可以通过添加助熔剂加以调整。煤灰渣多属于酸性渣，助熔剂常选用碱性的CaO或热解能产生的CaO的CaCO3来加以调整。也可以采用掺配煤技术，控制入炉煤灰熔点。气化用煤的灰熔点一般控制在1300℃以下。
2.2.2灰渣粘度的影响
多喷嘴对置式新型气化炉采用液态排渣，操作温度升高，灰渣粘度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣粘度太低，耐火砖直接与高温气体接触，侵蚀和剥落将加剧;操作温度偏低，灰渣粘度升高，不利于灰渣的流动，容易积渣堵塞渣口。只有在最佳粘度范围内操作才能在耐火砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，即延长了耐火砖使用寿命又不至于堵塞渣口。因此为防止高温气体对耐火砖的侵蚀，在耐火砖表面保持一层灰渣渣膜是十分必要的。所以多喷嘴对置式新型气化炉的最佳操作温度根据灰渣的黏温度特性而定，一般黏度在250P以下。
3、工艺操作原因
3.1出烧嘴的氧气流速不合理
氧气流速不合理不但会影响雾化效果，还会加速烧嘴附近耐火砖的蚀损。在不改变气化炉整体结构的情况下，控制气化炉的负荷和气化炉的压力。根据华东理工大学热模实验结果及计算，制定出不同装配尺寸的工艺烧嘴在不同操作压力下所对应的操作负荷。使氧气流速≤140m/s。
3.2频繁开停车
气化炉频繁开停车会引起炉温的急剧变化，使耐火砖的热应力发生急剧变化从而导致炉衬产生裂纹，加剧耐火砖的侵蚀速率、降低耐火砖使用寿命。应保持操作工况稳定，避免波动尽量减少气化炉开停车次数。
3.3操作温度
气化炉操作温度一般控制在超过灰熔点50～100℃，才能保证煤充分气化、熔渣能顺利排出。温度过低，灰渣不能顺利排出，造成渣口堵塞;温度过高，灰渣对耐火砖的侵蚀和渗透增加。操作温度每升高100℃，耐火砖的侵蚀速率将增加3～4倍。温度过高会使耐火砖中的Cr2O3被还原，导致结构被破坏。因此要严格控制操作温度，温度低限应高于熔渣黏度250P对应的温度;温度高限应为熔渣黏度30～50P对应的温度，同时还要避免温度大幅波动。
3.4操作压力
操作压力波动会对耐火砖砖缝造成影响，导致气化炉耐火砖窜气，降低耐火砖使用寿命。因此在系统开停车时，应按升降压曲线操作，避免过快的升降压;在正常操作时，应保持压力稳定，避免压力波动。
4、结束语
经过改进，多喷嘴对置式新型气化炉拱顶耐火砖使用寿命大幅度提高，对拱顶耐火砖蚀损因素有了全面了解，根据蚀损因素采取相应对策使拱顶耐火砖使用时间逐渐延长，因拱顶耐火砖超温而导致新型气化炉停车的现象逐渐减少。最早拱顶砖使用寿命A、B、C气化炉耐火砖最长运行周期长达4771h，最短仅1885.6h，一般约3500h左右，通过技术改造和改进操作后，取得了新气化炉耐火砖使用9700h、老气化炉耐火砖使用8500h的成绩。实现了系统长周期稳定运行。
本文作者：祝亚荣 李洪海
相关阅读
免责声明：
本站部分文章来源于互联网，编辑转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点核对其真实性负责。
如涉及作品内容、版权和其他问题请书面发函至本公司，我们将在第一时间处理。
