新型气化炉耐火材料有关问题的探讨

新型气化炉耐火材料有关问题的探讨

摘 要：简单介绍了多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉燃烧室内衬耐火材料的结构和选用，分析了耐火砖的损蚀机理、烧蚀模式以及影响耐火砖使用寿命的因素，对提高耐火砖使用寿命的措施进行了探讨，对多喷嘴气化炉的稳定运行具有重要意义。

关键词：水煤浆气化炉 耐火材料 损蚀机理 措施 寿命

水煤浆气化炉主要是将煤炭洁净、高效地转化为合成气（主要成分CO+H2）。其工作过程是水煤浆与气化剂（O2）一起通过喷嘴，气化剂高速喷出与煤浆并流混合雾化，在气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应的工艺过程，即煤的气化技术。目前应用最广泛的气化炉主要有美国德士古发展公司开发的水煤浆加压气炉（原Texaco，现GE）和中国自主开发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉（以下简称OMB加压气化炉）。OMB加压气化炉以其独特的技术优势已得到国内外煤化工企业的广泛认可。无论是GE还是OMB加压气化炉，在燃烧室向火面部位均采用铬铝锆砖（俗称高铬砖），目前内衬耐火材料的使用寿命仍是影响气化炉长周期稳定运行的主要因素之一

一、OMB加压气化炉的工作环境以及对耐火材料的要求

水煤浆加压气化炉的工况条件极为苛刻，燃烧反应室为强还原性气氛，同时遭受酸性熔渣的侵蚀和高速流体的冲刷，且气化炉内的温度场及流场是不均匀、不稳定、甚至不连续的。要求高温（1250～1550℃） ，高压 （ 2～8.5MP a ），强还原气氛和液态酸性排渣，伴随着固体、液体、气体的高速冲刷且在开停车时有较大的温度和压力波动等。所有这些都对气化炉用耐火材料特别是向火面耐火砖提出了严格的要求

1.必须有良好的的抗熔渣侵蚀性、抗渗透性以及抗震性能 2.较好的高温体积稳定性能以抵抗温度和压力的波动 3.较高的热态强度以抵抗熔融煤渣的冲刷和磨损 二、OMB加压气化炉加压气化炉耐火材料的结构

气化炉燃烧室内衬耐火材料共分为拱顶、筒体、锥底和渣口四部分（图1

所示）。

1.拱顶——拱顶部分三层，从里到外分别为向火面砖、铬刚玉浇注料、可压缩料（主要做膨胀用）。拱顶部位是受冲刷最为严重的部位，结构为半球形，每一块砖各有纵横两道嵌槽，砌筑成环状后与上下左右各砖形成一个整体的合力，确保证了其稳固。拱顶有一道膨胀缝。

2.筒体——筒体部分三层，从里到外分别为向火面砖、背衬砖、隔热砖，隔热砖与炉壁之填充有20mm的岩棉，用作保温隔热，同时还为耐火砖径向膨胀提供了空间。筒体为圆柱形，共有两道膨胀缝

3.锥底——锥底部分两层，分别为向火面砖、铬刚玉浇注料，锥底为圆锥形。 4.渣口——渣口部分三层，分别为向火面砖、背衬砖及铬刚玉浇注料，渣口为圆柱形。所有耐火砖从里向外弧长逐步增大，每层砌筑完成后在圆周方向就会形成一个整体。

三、OMB加压气化炉耐火材料的选择 1.向火面砖

由于向火面直接与煤溶渣接触，是气化炉用耐火材料最苛刻的部位，所以向火面砖选用90铬铝锆砖（俗称高铬砖，主要性能参数见表1）。铬铝锆砖所用原料为Cr2O3含量大于99[wiki]%[/wiki]的Cr2O3电熔合成料（体积密度大于5.1g/cm3），同时添加有超细粉，经混碾、成型后在高温梭式窑中烧成。该产品具有体积密度大（大于4.25g/cm3）、气孔率低（小于16%）、常温耐压大（大于120MPa）、氧化铁和氧化硅等杂质含量少的优点、同时具有很好的热态稳定性能，抗高温蠕变性能等。这些满足了气化炉向火面用耐火材料的要求，所以90铬铝锆砖是目前气化炉向火面耐材的最佳选择。 2.背衬砖

背衬砖位于向火面砖背后，对气化炉耐火材料整体起至关重要的力学支撑作用，并且能够经受高温下[wiki]腐蚀[/wiki]性气体的侵蚀。12铬刚玉砖（主要性能参数见表2）常温强度很高（大于120MPa），并且高纯刚玉中添加12%以上的氧化铬更增加了该制品抗腐蚀性气体侵蚀性能。 3.隔热砖

隔热砖位于支撑砖之后，对气化炉起保温作用，使热损失降低，使外壁温度

保持在设定值，是一种很好的节能材料；氧化铝空心球砖除了导热率低（0.8W/mk/1000℃）外，常温、高温强度是轻质耐材中最好的，并且杂质含量极低，具有很好的抗腐蚀性气体的侵蚀能力和缓冲热应力能力。是目前轻质保温耐火材料中最佳材料。 4.可压缩层

可压缩料具有容重小、导热率低的特点，具有很好的保温绝热性能，同时又具有一定的强度，能够有效缓冲高温下里层耐火材料的径向膨胀，而且施工十分方便。

5.耐火浇注料（铬刚玉浇注料、氧化铝空心球浇注料）

铬刚玉浇注料用于球顶及锥底，浇注料和砖相比具有以下优点：无灰缝，即整体性好。施工方便，特别是复杂结构的施工，方便快捷、省工、省时、省力。浇注料的抗气体侵蚀性强，同时由于体积密度大于2.95g/cm3，使浇注料具有很好的气密性。氧化铝空心球浇注料具有保温节能、施工方便等优点，适合气化炉局部使用。

四、OMB加压气化炉炉衬损蚀机理和烧蚀模式 1.损蚀机理

气化炉耐火材料的损蚀主要表现在向火面铬铝锆砖的减薄，通过对实验室工作及使用后铬铝锆砖的残砖分析可知，其损蚀方式通常有两种，分别为侵蚀与剥落。侵蚀表现向火面处耐火材料逐渐向渣中溶解，或由于向火面处耐火材料的结合相被溶解后，向火面砖表层颗粒随渣脱落，侵蚀是连续且缓慢的。剥落主要发生在一些特殊阶段，是向火面处耐火材料大块地脱落到流动的液渣中，主要由于炉温急剧波动和压力骤然升降对于耐火材料热震稳定性造成了损害。气化炉的实际运行中，还存在其他的侵蚀机理

各种氧化物在煤渣中的渗透及溶解情况如图2、3、4所示

通过比较发现SiO2容易向高铬耐火材料内部深度渗透但不发生反应。然而，FeO不能向高铬耐火材料内部深度渗透，只是在临近的界面处发生反应生成Fe（Cr，Al）2O4尖晶石。CaO的渗透与反应介于以上两种氧化物之间。 2.烧蚀模式

由于气化炉内的温度场及流场是一个不均匀、不稳定、甚至不连续的温度场。

产生局部高温的原因也较多，因此，很容易使Cr2O3 -Al2O3-ZrO 耐火砖表面受高温作用而烧蚀损伤，甚至产生局部过烧熔化。在正常情况下，这个烧蚀损伤过程是缓慢进行的，只有在极端异常的炉内高温和反应工况，烧蚀过程才会明显加速。根据观察分析，耐火砖的烧蚀可分为高温熔化型烧蚀和高温氧化还原性烧蚀 气化炉耐火砖的高温熔化型烧蚀主要发生在富氧区、火焰舔烧区和气化炉过氧工况。这三个区域/工况都属于气化炉内的局部高温区。耐火砖的主要成分是Cr2O3、ZrO和Al2O3，经高温烧制而成。在炉内正常温度条件下，它们具有良好的机械稳定性，而且通常在运行中，耐火砖表面都覆盖着熔化的炉渣，因此，炉内高温气流不会与耐火砖表面直接接触。但在局部富氧区和高温气流直接舔烧耐火砖表面的区域，耐火砖表面组织软化和强度下降，耐磨损冲刷性能和组织结合性能下降，部分结合相被直接烧损。耐火砖烧蚀的速率受到多方面因素的影响，诸如气化炉工况，包括氧煤比、烧嘴性能、渣口压差、原料煤的灰分含量、灰渣组成特性、拱顶砖的型状和气化炉的负荷等，同时，耐火砖中存在的低熔点杂质也会加速耐火砖的熔化烧蚀速度。

五、延长OMB加压气化炉耐火材料寿命的措施和注意事项

OMB加压气化炉耐火材料是保证气化炉长周期稳定运行的关键。如何延长和保证耐火材料，特别是向火面铬铝锆砖的使用寿命，是操作管理气化炉的一项重要任务。

1.提高向火面砖的Cr2O3含量，提高其抗侵蚀能力（图5所示）。 2.利用相变增韧技术改善耐火材料的热震稳定性

由于气化炉在操作过程中，会由于这样那样的原因引起气化炉温度的波动，要求耐火材料具有高的抗热冲击能力，即具有高的热震稳定性。利用ZrO2相变增韧原理，即通过四方ZrO2与单斜ZrO2之间的晶相转变并伴随有3～5%的体积效应，在ZrO2颗粒周围形成许多微裂纹，微裂纹可以缓冲由于温度变化在制品内部产生的热应力，提高制品的抗热冲击能力，改善制品的热震稳定性 3.严格控制耐火砖的砌筑质量

高质量的耐火砖砌筑对耐火砖的长周期运行起着极为关键的作用，控制砌筑质量主要做好以下几点

3.1确保向火面铬铝锆砖的各项性能指标满足技术要求，同时尺寸偏差符合

要求，尽可能多的出现正偏差，这样虽然砌筑难度大点，但能够保证较小的灰缝。 3.2在耐火砖的砌筑过程中，必须保证壁面垂直偏差，拱顶耐火砖内径偏差（以壳体中心线为参考），拱顶、筒体及渣口同一截面内径偏差等符合要求。烧嘴砖为整台气化炉内衬重点部位，要求四个喷嘴的中心线必须保证在炉体中心线处相交，偏差不大于±2mm。炉衬的垂直度公差为±3mm/3m，总高度上误差不超过±6mm。为了保证耐火砖的砌筑质量，要求筒体部分每天砌砖层数不超过五层，拱顶每天砌砖层数不超过两层。所有灰缝必须饱满

3.3通过计算，预留出合适的膨胀缝。既要防止膨胀缝间隙过小导致耐火砖在径向膨胀后的相互挤压，也要防止膨胀缝间隙过大引起的局部窜气超温 4.合理的升温

严格按烘炉曲线升温。耐火砖的砌筑与烘炉是保证炉体成为一个整体，是延长使用寿命的一个重要环节 5.优化操作

5.1操作温度对耐火材料蚀损的影响非常关键。运行过程中要严格控制操作温度。一般选择操作温度比煤灰熔点FT温度高50-80℃。温度过高则对耐火砖产生强烈损坏

5.2通过煤种的选择掺烧，控制熔渣的成分，在保证灰熔点的基础上，严格控制炉煤Ca，Fe，Mg的含量，降低熔渣的侵蚀性

5.3稳定各项工艺指标，延长气化炉的运行周期，防止炉温急剧波动和压力骤然升降，减少耐火材料由于热震稳定性造成的损害 6.紧急情况的处理

出现异常情况如开停车过程中的升降压、跳车等，要恰当处理，若处理不恰当如压力、温度波动较大，会对炉衬造成一定损害 六、结束语

OMB加压气化技术已日趋成熟，随着对耐火材料认识的提高，以及操作人员操作水平的大幅度提高和经验的不断积累，使得耐火材料的使用寿命明显加长。目前，气化炉拱顶耐火砖使用寿命已突破10000h，耐火砖的损蚀速率明显降低，为气化系统的长周期、安全、稳定、效益运行打下了坚实的基础。但在气化炉耐火砖使用寿命方面还有较大延长的空间，这就需要我们更加艰苦的努力才能有所

突破。 参考文献

[1]徐民，胡金平，朱健，李宏范；新型水煤浆加压气化炉耐火材料的应用；石油与化工设备；2010，（08）.

[2]曹忠信. 水煤浆加压气化炉耐火衬里延长使用寿命探讨；化工设计通讯， 2011， （01）.

[3] 陈延进， 檀冰. 提高转炉耐火砖寿命的实践[J]. 有色金属（冶炼部分）， 2007， （02）.

[4] 廖胡，郭庆华，梁钦锋，张健，廖敏，于广锁. 多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质[J]. 化工学报， 2009， （11） .

[5] 刘进波， 杨军红， 张健. 多喷嘴对置式煤气化炉耐火砖的应用小结[J]. 中氮肥， 2009， （06）.

[6] 胡金平；多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉耐火材料的局部更换；山东化工，2011，（09）.

突破。 参考文献

[1]徐民，胡金平，朱健，李宏范；新型水煤浆加压气化炉耐火材料的应用；石油与化工设备；2010，（08）.

[2]曹忠信. 水煤浆加压气化炉耐火衬里延长使用寿命探讨；化工设计通讯， 2011， （01）.

[3] 陈延进， 檀冰. 提高转炉耐火砖寿命的实践[J]. 有色金属（冶炼部分）， 2007， （02）.

[4] 廖胡，郭庆华，梁钦锋，张健，廖敏，于广锁. 多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质[J]. 化工学报， 2009， （11） .

[5] 刘进波， 杨军红， 张健. 多喷嘴对置式煤气化炉耐火砖的应用小结[J]. 中氮肥， 2009， （06）.

[6] 胡金平；多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉耐火材料的局部更换；山东化工，2011，（09）.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/igi5.html