氣化爐高鉻磚的磨損及耐火材料壽命延長(cháng)措施

氣化爐內高鉻磚腐蝕和磨損的原因

GE水煤漿氣化爐，其殼體(包括燃燒室與激冷室)主體及鍛件材質(zhì)均采用SA387Grade11ClasS2，經(jīng)過(guò)正火+回火精煉和真空脫氣處理，在500℃以下具有良好的高溫強度、抗氧化性、抗硫化物腐蝕性。其中，核心設備——氣化爐燃燒室分為三部分：上部為拱頂，(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉澆注料、纖維涂抹料(可壓縮料)砌筑，拱頂高鉻磚設計使用壽命一般為15000h;中部為筒體，(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉磚、隔熱磚、纖維涂抹料(可壓縮料)砌筑，筒體高鉻磚設計使用壽命一般為12000h;下部為錐底和渣口，(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉澆注料砌筑，錐底高鉻磚設計使用壽命一般為6500h，渣口高鉻磚設計使用壽命一般為4000h。

氣化爐燃燒室設計內襯4層耐火材料——高鉻磚、鉻剛玉磚、隔熱磚、纖維涂抹料(可壓縮料)，其作用分別為：高鉻磚使用Cr90磚(Cr2O3)，為高密度高鉻磚，能夠保護絕熱耐火材料免于渣蝕、氫蝕及火焰損害;氣化爐支撐襯里層為高密度低鉻高鋁材料(Cr2O3與Al2O3)，即鉻剛玉磚，主要作用為支撐拱頂磚，可大大減輕氣化爐的重量;隔熱磚(保溫層)為氧化鋁空心球磚(鐵含量低)，可有效降低金屬殼體的溫度，提高殼體耐CO腐蝕的能力;纖維涂抹料(可壓縮料)是由碎耐火纖維制成的絕熱材料(一些設計中也使用25.4mm厚的耐火氈)，可在耐火磚被加熱發(fā)生膨脹的情況下被壓縮，對殼體起到絕熱保護的作用。

氣化爐內高鉻磚腐蝕和磨損的原因分析

1、高溫燒蝕
水煤漿氣化爐的操作溫度由煤的灰熔點(diǎn)和煤灰粘溫特性決定，水煤漿在氣化爐內的主要反應為裂解反應和氧化反應，正常工況下操作溫度控制在約1350℃。操作溫度對高鉻磚的使用壽命影響很大，氣化爐操作溫度越高，灰渣的粘度越低，流動(dòng)性越好，其對高鉻磚的燒蝕和滲透就越嚴重，侵蝕速率就越大，高鉻磚的使用壽命就越短。例如，某煤化工企業(yè)水煤漿氣化裝置，正常工況下氣化爐氧煤比控制在480~500m3/m3，氣化爐出口粗合成氣中的甲烷含量為(1500~1800)×10-6，2016年10月份時(shí)，由于原料煤煤質(zhì)不穩定，煤灰分高達16.6%、煤灰熔點(diǎn)達1480℃，5臺在運氣化爐同時(shí)出現堵渣現象，當時(shí)為了維持正常排渣，氣化爐操作溫度控制較高，氧煤比控制在520~540m3/m3，氣化爐出口粗合成氣中的甲烷含量為(100~200)×10-6，異常工況持續了35d，由于渣口堵塞嚴重，終導致2#爐、3#爐、4#爐被迫停車(chē);檢修氣化爐時(shí)發(fā)現，氣化爐高鉻磚燒蝕和滲透非常嚴重，渣口高鉻磚使用不到2000h就被迫更換，而由于高鉻磚更換難度大，無(wú)法實(shí)現5臺氣化爐運行，在長(cháng)達15d的時(shí)間內，只能4臺氣化爐運行且沒(méi)有備爐。

由于原料煤煤質(zhì)不穩定而引起的氣化爐高爐溫操作對爐磚的使用壽命影響極大，在氣化爐爐溫高于正常操作溫度100℃操作的35d內，高鉻磚的燒蝕速率明顯增大，耐火材料使用壽命縮減2000?5000h。

2、高壓下的化學(xué)侵蝕
水煤漿氣化爐燃燒室在6.15MPa的操作壓力下進(jìn)行著(zhù)裂解反應和氧化反應，產(chǎn)生主要成分為H2和CO的粗合成氣，燃燒室內耐火材料——高鉻磚會(huì )被這2種強還原性氣體籠罩，而任何耐火材料本體必定存在一些微細的縫隙和氣孔，這將成為氣化爐內氣體進(jìn)入爐磚的通道，氣體向耐火材料內部滲透，并與高鉻磚中的SiO2、Fe2O3等氧化物反應，破壞爐磚的結構和強度，影響其使用壽命。因此，對水煤漿氣化爐耐火磚的砌筑質(zhì)量要求非?？量?，如果耐火磚的砌筑質(zhì)量不合格，很可能短時(shí)間內就能使耐火磚損壞，大大影響耐火磚的使用壽命，危及氣化爐的安全、穩定運行。

3、灰渣和氣流的沖刷
運行過(guò)程中，水煤漿氣化爐內會(huì )持續不斷地產(chǎn)生高溫氣體和熔融態(tài)灰渣，這2種介質(zhì)充滿(mǎn)了氣化爐，以一定的流速向下流動(dòng)，會(huì )對耐火材料——高鉻磚壁面造成嚴重的沖刷和磨損，即產(chǎn)生沖蝕性損傷。

4、氣化爐的頻繁開(kāi)停車(chē)
某煤化工企業(yè)水煤漿氣化爐采用五開(kāi)兩備運行模式，單臺氣化爐投煤量1500t/d，自2010年5月投運以來(lái)每套工藝燒嘴平均使用壽命不到30d，年更換工藝燒嘴多達60余次，頻繁地開(kāi)停車(chē)對氣化爐耐火材料——高鉻磚的使用壽命造成嚴重影響，筒體高鉻磚使用壽命僅10000h、錐底高鉻磚使用壽命僅4500h、渣口高鉻磚使用壽命僅2500h，其使用壽命均未達到設計要求。為此，該煤化工企業(yè)于2012年3月成立了工藝燒嘴攻關(guān)小組，采取相應的措施后，每套工藝燒嘴的平均使用壽命超過(guò)65d，年更換工藝燒嘴次數降至約26次，開(kāi)停車(chē)次數的減少使得氣化爐耐火材料——高鉻磚的使用壽命明顯延長(cháng)，高鉻磚的使用壽命均達到設計要求，甚至超過(guò)了設計使用壽命，其中5#爐高鉻磚的使用壽命更是達到了15647h?？梢?jiàn)，氣化爐開(kāi)停車(chē)次數對氣化爐耐火材料的使用壽命影響很大，據統計，開(kāi)車(chē)投料次數每增加1倍，對氣化爐耐火材料的侵蝕速度會(huì )增大1倍。

5、氣化爐負荷高
氣化爐高負荷運行，進(jìn)入氣化爐的煤漿流量和氧氣流量大，渣量也必然大，勢必加速高鉻磚的沖刷和燒蝕，對高鉻磚的使用壽命頗有影響。


氣化爐耐火材料壽命延長(cháng)措施
通過(guò)多年來(lái)對氣化爐操作經(jīng)驗的總結和對氣化爐爐磚檢修的觀(guān)察，筆者認為，要保證水煤漿氣化爐耐火材料——高鉻磚安全、穩定、長(cháng)期運行，關(guān)鍵要把控好以下幾點(diǎn)：首先，生產(chǎn)中要加強對原料煤煤質(zhì)的監管，準確掌握煤的灰熔點(diǎn)，確定適宜的氣化爐操作溫度并控制穩定;其次，不斷地對氣化爐工藝燒嘴進(jìn)行攻關(guān)以延長(cháng)其使用壽命，對氣化爐相關(guān)工藝參數嚴格監控，盡量避免氣化爐不必要的停車(chē)，大幅降低氣化爐開(kāi)停車(chē)次數;再者，當原料煤煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，操作人員—定要仔細觀(guān)察、精心操作，氧煤比調整一定要緩慢，不能操之過(guò)急，避免將掛在爐壁上的渣全部熔掉，進(jìn)而燒蝕和沖刷氣化爐耐火磚，縮減其使用壽命。具體措施如下所示：

1、做好耐火材料的砌筑、養護和優(yōu)化

(1)耐火材料的砌筑嚴格遵照《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規范》(GB50211—2004)，熱面磚和背襯磚的砌筑按一類(lèi)砌體要求進(jìn)行砌筑，耐火火泥和澆筑料嚴格按照使用說(shuō)明配比，澆筑料配制完畢后需在30min內使用，澆筑后至少需24h才能干燥。

(2)所有相鄰耐火磚層應錯縫砌筑，所有垂直磚縫要錯開(kāi)，磚縫連接處必須充滿(mǎn)耐火火泥，以防運行中竄氣;所有耐火磚都必須使用認可的火泥砌筑;所有耐火磚都必須按照從爐體中心線(xiàn)的設計半徑開(kāi)始砌筑;所有耐火磚尺寸不得小于原耐火磚尺寸的1/2。

(3)砌筑氣化爐爐磚主要控制參數：橫向磚縫小于1.0mm，豎向磚縫小于1.8mm，垂直度±5mm，水平度±4mm，同心度±5mm;高鉻磚火泥灰縫不大于1.2mm，鉻剛玉磚火泥灰縫不大于2mm;筒體磚與拱頂磚對接處要預留膨脹縫，膨脹縫35~50mm，且膨脹縫中不允許有多余的火泥。

(4)新砌筑爐磚應自然通風(fēng)干燥48h后才能開(kāi)始烘爐升溫，烘爐分為150℃、350℃、600℃、800℃、1000℃五個(gè)階段，每個(gè)階段均恒溫24h，烘爐期間的升溫速率控制在25℃/h，總烘爐升溫時(shí)間200h以上才具備投料使用條件;如果需進(jìn)入爐內檢查，需將氣化爐降至常溫，降溫速率控制在50℃/h以?xún)取?br />
某煤化工企業(yè)對其5#氣化爐錐底磚和渣口磚砌筑進(jìn)行了優(yōu)化(見(jiàn)表2):首先，更改了錐底結構設計，即錐底斜面砌筑高鉻磚由5種磚型減至4種，灰縫由4個(gè)減至3個(gè)，層數由3層增至4層，錐底向火面耐火磚厚度增大50mm，錐底高度由1037mm增至1087mm;其次，將渣口磚更改為易更換的結構，設計上增大了單個(gè)磚(型)的體積，減少了薄弱環(huán)節，有利于保持整體結構的穩定。

某煤化工企業(yè)對其5#氣化爐錐底磚和渣口磚進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，試驗運行結果表明：砌筑結構設計的改變，便于渣口磚的單獨更換，且不會(huì )對錐底磚造成影響;大大增強了渣口向火面耐火磚抗沖刷、抗侵蝕的能力，渣口高鉻磚的使用壽命達到6300h。

2、嚴格控制氣化爐的操作溫度

據原料煤的分析數據，確定適宜的氣化爐操作溫度。例如，測得原料煤的灰熔點(diǎn)為1350℃，以此溫度作為氣化爐的操作溫度，運行72h;氣化爐排渣順暢后，將操作溫度降低50℃(即1300℃)，以此溫度作為氣化爐的操作溫度，再運行72h;若氣化爐排渣還是比較順暢，再降低氣化爐操作溫度50℃(即1250℃)，再運行72h;以此類(lèi)推，直到氣化爐排渣不順暢且不能堅持運行24h，在此對應的氣化爐操作溫度的基礎上增加50℃，即為氣化爐的適宜操作溫度。氣化爐的托盤(pán)溫度控制在249℃，不允許超過(guò)265且長(cháng)時(shí)間操作。氣化爐出口粗合成氣溫度控制在245℃。洗滌塔出口粗合成氣組分參考正常工況下的工藝參數(見(jiàn)表1)操作。氣化爐表面溫度控制采用控制室趨勢圖控制和現場(chǎng)巡檢檢面溫度控制采用控制室趨勢圖控制和現場(chǎng)巡檢檢測2種手段：控制室據趨勢控制氣化爐表面溫度在285℃以下;現場(chǎng)測溫每2h測量1次，控制測量數據在290℃以下。

3、耐火材料的質(zhì)量、運輸、堆放等執行嚴格的標準

(1)氣化爐燃燒室耐火材料(向火面耐火磚、背襯磚、保溫層、可壓縮層)的質(zhì)量要求:向火面耐火磚為鉻含量90%以上的高鉻磚;背襯磚為鉻含量12%的鉻剛玉磚;保溫層為Al2O3含量98%的空心球磚;可壓縮層為小3mm聚乙烯可燃材料(50m2)在氣化爐爐頭和4個(gè)高溫熱偶處添加厚度為6mm的耐火陶瓷纖維，共計25m2。

(2)高標準、高規格地執行耐火材料的運送、堆放和檢查，是確保耐火材料使用壽命的重要環(huán)節。耐火磚運輸、裝卸過(guò)程中要注意輕拿輕放，嚴禁耐火磚墜落;多層裝車(chē)時(shí)，層與層之間用麻袋隔開(kāi)，每層要排緊，空隙處用麻袋塞緊，防止運輸中耐火磚之間相互碰撞而損壞。耐火材料運至現場(chǎng)后，按材質(zhì)和編號的不同分類(lèi)堆放在氣化爐平臺上，堆放場(chǎng)所必須注意防潮。

4、優(yōu)化氣化爐相關(guān)運行參數

(1)氣化爐的適宜操作溫度確定后，據氣化爐的操作溫度時(shí)時(shí)對氧煤比進(jìn)行跟蹤調節，以維持氣化爐操作溫度穩定，在煤漿流量一定的情況下，對氧氣閥開(kāi)度進(jìn)行小幅多次微調(每次調節0.1%閥位)，并據操作參數趨勢圖的走向控制穩定，不允許大幅調整氧氣閥的閥位;至于中心氧的比例，嚴格按照要求(精確到小數點(diǎn)后3位)精細化操作。

(2)氣化爐激冷水量據氣化爐負荷時(shí)時(shí)調控，激冷水量一般控制在440-500m3/h(激冷水量過(guò)低，會(huì )使激冷環(huán)水量少和下降管水膜薄，不能充分保護氣化爐激冷環(huán)和下降管;激冷水量過(guò)高，會(huì )增大對激冷環(huán)的磨損)。

(3)對氣化爐工藝燒嘴進(jìn)行攻關(guān)，延長(cháng)氣化爐工藝燒嘴的使用壽命，以減少氣化爐開(kāi)停車(chē)次數;氣化爐各項參數操作穩定，減少誤操作，避免工況波動(dòng)及不必要的氣化爐停車(chē)事故發(fā)生。