水煤浆气化炉用高铬砖的损毁机理
发布日期: 2020-12-01 08:44:13 阅读量(394) 作者:水煤浆气化炉操作条件十分复杂,引起内衬材料损毁的因素也很多,由于多因素的相互作用,加速了内衬材料的损毁。科研工作者通过对用后高铬砖的分析,对其损毁过程已有清晰的认识。他们认为,使用过程中高温熔渣对高铬砖的渗透、侵蚀以及由此引起的结构剥落是导致其损毁的主要原因。
在水煤浆气化炉中,煤中夹杂的石英、黏土类杂质、碳酸盐和硫化物等随着水煤浆一起进入气化炉,在高温在发生转化,最终熔融形成一系列的氧化物,这些氧化物与煤中未氧化完全的碳一起形成煤渣,对内衬材料进行侵蚀。煤渣的主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、K2O、Na2O和C,其中SiO2和Al2O3之和一般超过60%,因此煤渣呈酸性。另外,在1300℃~1400℃时,煤渣的粘度较低,导致煤渣对内衬材料的渗透能力很强。
高温熔渣通过裂纹,气孔等通道渗入材料内部之后,开始与材料的基质部分发生反应。熔渣中的SiO2和CaO与材料基质中的Al2O3发生反应生成钙长石等硅酸盐低融相(反应1),此外,SiO2还会与基质中ZrO2发生反应形成锆英石,导致材料的热震稳定性降低(反应2)。FeO主要以液相的形式存在,但是部分会与MgO一起与砖体表面的Al2O3和Cr2O3反应形成复合尖晶石(反应3),这种致密复合尖晶石的形成会阻止熔渣向砖体内部的渗透,有利于提高高铬材料的使用寿命。另外,作为结合剂引入的磷酸盐也并不稳定,它们会与渣中的CaO反应形成磷酸钙(反应4),引起基质结构发生破坏。碱金属氧化物的存在进一步降低了熔渣的粘度,加速熔渣向砖体内部渗透。砖体与气化炉渣发化学反应导致砖体基质部分逐渐破坏而发生蠕变,直至完全失效。
2SiO2+CaO+Al2O3=CaO·Al2O3·2SiO2(1)
SiO2+ZrO2=ZrSiO4(2)
FeO+MgO+Al2O3+Cr2O3=2(Mg,Fe)(Al,Cr)2O4(3)
3CaO+2AlPO4=Ca3(PO4)2+Al2O3(4)
熔渣与砖体发生化学反应,必然会引起材料结构变质。这种化学侵蚀引起的变质与高铬内衬材料在烧结和使用过程中产生的热应力和机械应力相互作用,导致材料发生剥落,这会显著降低材料的寿命。水煤浆气化炉用高铬内衬材料的剥落过程如图1所示。一般而言,高铬材料普遍采用机压成型,成型过程中材料边缘和中心部位应力不均,因此在机压成型和高温烧结等生产过程中,高铬砖内部必定会产生裂纹。此外,使用前的砌筑过程中,砖体之间会产生相互挤压,形成环向应力。烘烤过程中砖体要承受温度波动,加剧了砖体内部应力,裂纹扩展。使用过程中,熔渣通过裂纹和气孔渗透进入砖体热面,渣开始与砖体发生反应,砖体受到化学侵蚀后基质结构遭到破坏,砖体强度降低。同时,水煤浆气化炉工作过程中周而复始的热循环,在砖体内部形成温度梯度,加上由于应力集中产生的蠕变,导致砖体产生水平裂纹。砖体内部裂纹增加后汇集,导致砖体产生内部空洞,砖体开始剥落,同时渣渗透进入热面发生侵蚀而导致蠕变。另外,水煤浆气化炉内的熔渣和高温气流不断对工作面进行冲刷,加剧了高铬砖的剥落。砖体外层的剥落导致内层暴露出来,不断承受熔渣的侵蚀和磨损,最终剥落下来。如此循环往复,直至内衬材料失效。
图1高铬内衬材料剥落示意图
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