氣化爐用耐火材料損壞的機理分析及解決方案

 

1. 基本情況介紹

 

耐火材料是水煤漿加壓氣化爐的關鍵部件，其運行效果是氣化爐能否長周期、、經濟運行的關鍵因素之一。本文就氣化爐在運行過程中耐火材料出現的問題進行分析，旨在找到影響壽命的關鍵因素，并從煤質、操作、磚形等方面進行改進，以解決制約系統穩定運行的瓶頸問題。某公司采用GE水煤漿加壓氣化技術，運行模式為兩開一備，設計的運行壓力為6.5MPa，設計每臺氣化爐的處理煤量為1500t/d。氣化爐的耐火襯里采用國產化材料，依然是傳統的三層結構。開車以來，氣化爐耐火襯里的向火面使用壽命一直較短，主要表現在錐底磚部分脫落和筒體磚侵蝕嚴重，現就這些現象進行分析并介紹解決方案。

 

 

2. 耐火襯里損壞機理分析

 

耐火材料在使用過程中，由于經受高溫或者溫度激變、氣氛變化以及熔渣等的腐蝕、侵蝕，因而其損毀形態復雜、損壞機理多樣。歸納起來耐火材料的損毀形態主要有機械損壞和化學侵蝕兩大基本類型。

 

2.1 機械損壞

 

耐火材料的機械損壞主要包括熱剝落、結構剝落和高溫熱疲勞以及機械沖擊等所造成的破壞。在氣化爐耐火材料使用過程中不可避免會出現“熱震”現象，這是造成耐火材料機械損壞的主要原因之一。

 

所謂熱震，即耐火材料的運行溫度發生較大變化時對其產生的影響。GE公司有一個關于熱循環的定義，即當溫度在1h內發生100℃變化時的情況稱為一個熱循環，我們也可以歸為熱震。氣化爐在烘爐、投料、停車過程中都易發生熱震現象，特別是在投料和停車過程中。在烘爐過程中，由于負壓和烘爐燃料控制不當可能會引起爐溫在短時間內發生較大變化，集中表現為氣化爐燃燒室上下溫差變大、局部溫度過高，此時整體的熱膨脹會出現不均勻現象，輕則導致局部出現裂紋，重則出現磚被擠碎現象。在投料過程中，由于煤漿和氧氣均為溫度較低的介質，在1min內先后進入爐內，此時爐溫一般在1000℃左右，從DCS上觀察爐溫的變化可以發現，在投料的瞬間，爐內溫度發生了先降后升的變化，降是因為冷介質進入高溫環境內會大量吸收熱量，升是因為當煤漿和氧氣溫度達到一定值時會進行劇烈的氧化反應而燃燒，所以，每次投料相當于對氣化爐的耐火材料進行了兩次“熱震”。在停車過程中，為了保證氧氣管線和煤漿管線的清潔，要對兩條主要物料管線進行氮氣吹掃。每次停車進入氣化爐燃燒室內的氮氣均從13MPa降至11.3MPa左右，約1000m3的氮氣進入，同樣會使耐火材料的溫度發生驟然降低，所以每次停車過程也相當于一次“熱震”。從運行過程中可以得出這樣一個結論：氣化爐的開停車次數越多，耐火材料發生機械損壞的幾率越高。

 

在系統運行的初期，由于大家對此種大型爐的認識不足，爐子運行不穩定等諸多原因，導致氣化爐的開停車比較頻繁，個別時候還會進行較低溫度的聯投操作，是耐火材料壽命短的原因之一。

 

2.2 化學侵蝕

 

水煤漿加壓氣化爐用的耐火材料由多種高熔點化合物構成，其中主要成分均為Cr?O?，目前向火面所用耐火材料的Cr?O?含量可以高達90%以上，其余的為Al?O?、ZrO?等成分。在這些化合物中，有的具有同質多晶現象，即同一化合物有多種晶體結構(晶型)。當條件變化時，會由一種晶型轉變為另一種晶型。一種化合物若有幾種晶型，在一定溫度與壓力下只有自由能很低的一種晶型能穩定存在。例如，一種化合物有晶型I與晶型Ⅱ兩種，當溫度低于某一值時，只有晶型I能穩定存在；當溫度升至某一值時，則發生晶型I與晶型Ⅱ之間的轉變，當溫度高于這一溫度時，只有晶型Ⅱ能穩定存在。對于水煤漿加壓氣化爐的耐火材料而言，在不考慮其他因素而只考慮溫度時，對溫度的要求為不大于1500℃。由于晶型轉變常伴隨有體積(或密度)與其他性質的變化，因此，當耐火材料內發生晶型轉變時，就可能發生開裂、疏松或粉化現象，從而影響其整體使用壽命。

 

若熔渣浸透進入耐火材料內部的氣孔中，不僅會促進耐火材料的熔解蝕損，而且是導致材料化學侵蝕而產生結構剝落進而加快其損毀的重要原因。因為一旦熔渣浸透進入耐火材料內部的氣孔，便會立即與之反應，導致工作表面變質，其結果則會在高溫條件下造成被浸透區域變得非常疏松。有人做過相關的試驗，當溫度達到1300℃時，熔渣對耐火磚內部的滲透深度可以達到30mm。對于水煤漿加壓氣化技術本身而言，在現有的煤種范圍內，絕大多數煤種的操作溫度無法達到1300℃以下，由此可以得出這樣一個結論：在正常的生產過程中熔渣對耐火材料的侵蝕幾乎是不可避免的。為了延長耐火材料的使用壽命，在經過大量的工業化摸索試驗后，我們發現，Cr?O?與渣中的Fe?O?、Al?O?、FeO、MgO反應生成復合尖晶石(Mg、Fe)O(Al、Cr、Fe)?O?，在耐火材料表面形成一致密的保護層，可以阻止爐渣的進一步侵蝕。阻止熔渣向耐火材料內部浸透的有效的方法是提高熔渣的黏度，這可通過控制熔渣的粘溫特性來實現。

 

公司煤的粘溫特性較差，具體如表1。

 

 

表1 煤的粘溫特性
 

從表中的數據可知，達到渣臨界粘度25.42Pa·s的操作爐溫已經到了1283℃，并且當爐溫稍有降低時其粘度會陡增。為了保證排渣的順暢就須提高操作爐溫，此時想形成保護層是非常困難的，耐火材料長期暴露在較高的溫度中對其損傷是非常大的!所以，高溫操作、不能形成保護層是導致耐火磚壽命短的另一主要原因。

 

3. 如何延長耐火襯里的使用壽命

 

耐火襯里的使用壽命直接關系到整個工廠的運行成本和經濟效益，為此，針對出現的問題，我們進行了分類和總結，旨在運行中不斷優化各種指標。

 

3.1 穩定操作工況

 

(1)嚴格按照烘爐曲線烘爐，防止由于爐溫變化過快引起耐火磚產生位移，特別是冷態新磚的初次保養，一定要嚴格按照時間進行，各階段的恒溫時間只能延長、不能縮短。

 

(2)正常運行中每天進行原料煤和入爐煤漿灰熔點的分析。根據分析數據來控制合適的氧煤比，控制好爐溫，既要防止渣口堵塞造成的熱量積聚，又要防止溫度過高對爐磚造成的直接傷害。

 

(3)運行中定期進行氣化爐的切換，氣化爐負荷盡量不要太高，保證燒嘴霧化良好，減少意外跳車的幾率。燒嘴運行超過30d后不再進行聯投操作，聯投時盡量保證爐溫在900℃以上，避免低溫投料可能造成的震動。

 

(4)定期進行耐火磚的測量。根據測量數據適時調整中心的比例，調整反應中心區域的位置，保持耐火磚使用均勻，防止出現“木桶”效應。

 

 

示意圖
 

3.2 優化灰渣的粘溫特性

 

由于煤種灰渣的粘溫特性差，造成操作彈性小，難以形成保護層。通過分析，煤灰成分中堿度不當，在這里我們用(CaO+Fe?O?+MgO)/(SiO?+Al?O?)來衡量，此比例一般在0.1～1之間。當比例為0.5左右時堿酸比例適中，而試驗煤樣此比例為1.268，所以，應當向煤中導入部分酸性物質。

 

經過試驗，向試驗煤樣中加入當地沙漠中的沙子進行堿酸比例的調整。通過試驗可知，當向試驗煤樣中加入相當于煤灰分40%的沙子時，煤的粘溫特性得到了改善，灰熔點同時也得到了降低，粘溫特性如圖1。

 

 

圖2 粘溫特性圖
 

4. 運行效果總估

 

(1)隨著對系統掌握能力的增強和對操作的不斷優化，系統的開停車次數減少、聯投的次數也相應減少，減少了對耐火磚產生“熱震”的次數。定期檢查耐火磚、更換工藝燒嘴保證了系統在可控范圍之內。從幾次入爐檢查情況看，耐火襯里幾乎無較大裂紋，整體熱膨脹性良好。

 

(2)通過優化灰渣的粘溫特性，氣化爐的溫度操作彈性加大，在耐火材料表面逐漸形成了保護層，磚的使用壽命有望增加。

 

供稿 | 余朋輝

 

審核 | 楊建軍 馬姍姍