水煤漿氣化工藝領(lǐng)域,常用的有三種,分別是:頂置單噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、頂置單噴嘴多元料漿氣化技術(shù)、側(cè)置四噴嘴水煤漿氣化技術(shù)。但是無(wú)論采用哪種水煤漿氣化技術(shù),氣化爐燃燒室爐壁耐火材料的設(shè)計(jì)大同小異,都分為四層耐火材料。
水煤漿氣化燃燒室的反應(yīng)溫度在煤的灰熔點(diǎn)溫度以上.約為1200~1500℃。煤灰形成的液態(tài)熔渣大部分沿爐膛內(nèi)壁流下并從渣口排出,液態(tài)熔渣直接侵蝕沖刷爐磚,耐火材料性能如何直接關(guān)系到爐磚的運(yùn)行壽命及氣化爐的運(yùn)行安危問題。一旦氣化爐內(nèi)耐火磚厚度不足或因砌爐技術(shù)不過關(guān)造成竄氣、掉磚使?fàn)t體鋼殼局部超溫形成熱點(diǎn),輕則需停車檢查處理,重則可能給設(shè)備帶來較大的傷害。水煤漿加壓氣化爐向火面耐火磚的使用壽命視具體情況,短的僅達(dá)2400多小時(shí)絕大多數(shù)出現(xiàn)在投產(chǎn)運(yùn)行初期),長(zhǎng)的用到了18000h左右,中間差距很大??梢姡突鸩牧系倪x用、筑砌、維護(hù)十分重要,如何延長(zhǎng)汽化爐的耐火材料使用壽命成為各家的共同研究課題。
一、氣化爐用耐火材料的要求
高壓高溫熔渣氣化爐對(duì)耐火材料的要求比較苛刻,除了要滿足保護(hù)受壓容器不受高溫影響的強(qiáng)度要求,還要考慮爐內(nèi)高壓氧化氣氛、還原氣氛下熔渣對(duì)爐磚的侵蝕問題,這要求汽化爐耐火材料具有如下特點(diǎn)。
①須具有高溫?zé)嶙栊阅芤詼p少?gòu)较蛏崃?,這要求耐火材料內(nèi)部40mm到200mm部位有可能要承受1000℃左右的溫差。
②高溫度下的強(qiáng)度須保證,以抵抗氣體和熔渣的沖刷和磨損,不至于由于高溫性能不好使耐火材料局部損壞而導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)熱點(diǎn)。
③須具有較高的熱震穩(wěn)定性,以承受溫度驟變而產(chǎn)生的熱應(yīng)力,因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)溫度變化有可能達(dá)到幾百度。
④須具有低的氣孔率、高的單位體積質(zhì)量和強(qiáng)的抗渣性,以抵抗熔融灰渣的滲透和侵蝕。
⑤須具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性,與其他成分少發(fā)生或不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
另外,耐火材料的應(yīng)用性能與其升溫養(yǎng)護(hù)的好壞有著大關(guān)系,沒有按照耐火材料的要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)或升降溫都將影響耐火材料的壽命。
由于氣化爐中的高溫氣體和熔渣同時(shí)與耐火材料接觸,氣體和熔渣的成分也因煤種而異,在制作耐火材料時(shí)須考慮它們可能對(duì)構(gòu)成耐火材料物質(zhì)的相互影響性。
高溫下SiO2會(huì)溶人氣體的水蒸氣當(dāng)中(溶解量隨蒸汽分壓變化而變化)而被帶走,因此含。的材料不適宜作耐火材料的原料。同理,含碳化硅(SiC)的材質(zhì)及含其他硅化物的材質(zhì)都不適應(yīng),因?yàn)樗鼈兌紩?huì)被氧化生成SiO2溶入氣體中造成耐火材料的侵蝕。
含高鐵的耐火材料由于鐵化合物對(duì)CO分解析炭有催化作用,即:
2CO→C+CO2
從而導(dǎo)致材料中的晶格擴(kuò)大,破壞機(jī)械強(qiáng)度,也不適用作耐火材料的原料。
含Al2O3材料易被煤灰熔渣中的FeO或Fe2O3溶解,對(duì)耐火材料性能也不利。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定各種氧化物在1500~2000℃溫度下煤渣中的大溶解度大小排序基本為:SiO2>CaO>Al2O3>MgO>Cr2O3,所以高Cr2O3含量是熔渣氣化爐爐襯材料所需的。
堿性耐火物易被酸性灰渣所侵蝕,酸性耐火物易被堿性灰渣所侵蝕,特別是那些酸堿反應(yīng)后產(chǎn)生與原物比容不同的物質(zhì)更為危險(xiǎn),因?yàn)樵锞Ц駥l(fā)生變化。會(huì)產(chǎn)生特別的機(jī)械應(yīng)力;易于與煤灰成分生成低溫共熔相的材料,也會(huì)導(dǎo)致特殊機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。目前還沒有發(fā)現(xiàn)可適應(yīng)不同煤種氣化的耐火磚,所以選擇耐火磚時(shí)須考慮氣化操作溫度和所用煤的灰分組成,一般認(rèn)為MgO—Cr2O3耐火磚適應(yīng)于堿性灰,Al2O3—Cr2O3適應(yīng)于酸性灰。
分析表明,提高耐火材料Cr2O3的含量可增強(qiáng)抗渣性,ZrO:的加入有助于材料的韌性增加,可以提高耐熱沖擊性。Al2O3粉的使用有助于材料的力學(xué)性能提高。綜合考慮Cr2O3—Al2O3類耐火材料,有要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)配組成、化顯微結(jié)構(gòu)和相組成,以獲得佳性能。
經(jīng)過研究和工業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證,較低的操作溫度有利于爐襯蝕損率的降低,較低的爐襯蝕損率大都在1400℃以下的氣化爐上獲得。
二、水煤漿氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)及材料
氣化爐耐火材料整體可分為三大塊:錐底、筒體和拱頂,拱頂與殼體之間預(yù)留有一定的膨脹空間,以備氣化爐運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)襯耐火磚整體向上膨脹。由內(nèi)向外又可分為若干層,以筒體耐火材料為例,可分為向火面耐火層、背襯層、隔熱層和可壓縮層四層(拱頂和錐底與此大同小異),前三層之間預(yù)留有3~5mm的膨脹間隙,以便徑向膨脹不受約束。
向火面耐火層:又稱熱面磚,是耐高溫耐侵蝕的消耗層,一般選用高鉻材料,要求具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性、較高的抗蠕變強(qiáng)度和抗熱震性。水煤漿氣化爐筒體向火面磚厚約為230mm。
背襯層:主要作用是隔熱保溫,但在向火面磚消失的情況下作為一個(gè)可短暫操作的襯里使用,背襯磚大多采用剛玉磚。筒體耐火磚厚約為200mm。
隔熱層:要求隔熱性能好,以使金屬外殼始終處于溫度界限之內(nèi),同時(shí)盡量減少熱損失,一般選用氧化鋁空心球磚。筒體耐火磚厚約為110mm。
可壓縮層:在一定溫度范圍內(nèi)可被壓縮或恢復(fù)原狀,能減少?gòu)较驘崤蛎洃?yīng)力對(duì)殼體的沖擊。厚度約15~20mm。
不論是向火面耐火磚還是背襯耐火磚,環(huán)向和縱向磚與磚之間都要求具有較為牢靠的結(jié)合方式,以增強(qiáng)爐襯的整體性.防止耐火磚間高溫氣體亂竄,保證承壓殼體的。
1.向火面耐火磚
向火面耐火磚工作環(huán)境十分惡劣,設(shè)計(jì)單位和用戶對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用十分謹(jǐn)慎。
(1)結(jié)構(gòu)與材料 爐膛向火面耐火層由獨(dú)立的下部錐體、豎直筒體、上部拱頂三部分襯磚組成,其間設(shè)有15~25mm的縱向縫隙,這種結(jié)構(gòu)有利于各自部分的拆除和更換。另外,由于錐底和筒體向火面耐火磚上部沒有承重,在熱態(tài)情況下可以獨(dú)立自由地向上膨脹,減少了向火呵耐火材料的應(yīng)力。
(2)熔渣對(duì)耐火材料的侵蝕原因分析 煤中主要夾雜有石英和硅/鋁黏土類礦物,還有少量碳酸鹽、硫化物和硫酸鹽,這些礦物作為煤中夾雜物隨水煤漿液滴一起進(jìn)入德士古氣化爐,煤漿液滴經(jīng)過加熱、干燥、熱解、燃燒和氣化反應(yīng),各個(gè)夾雜礦物轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì),終熔融形成熔渣滴。有些熔渣滴會(huì)直接被氣流帶出氣化爐,而大多數(shù)沖擊在爐膛墻壁上形成均勻的渣液,沿壁流向氣化爐底部的渣。這樣形成的煤灰熔渣對(duì)耐火爐襯有強(qiáng)的侵蝕性和磨損性,多年來各科研單位及用戶一直在研究改進(jìn)以選擇合適的耐火材料和爐襯結(jié)構(gòu)。
我國(guó)學(xué)者研究認(rèn)為,由于渣侵蝕引起的材料損毀和熱應(yīng)力引起的材料破裂、剝落及耐火磚磚縫開裂,是熔渣氣化爐襯使用期間為常見的問題。
熔渣對(duì)耐火材料的侵蝕取決于渣和耐火材料的化學(xué)成分、渣黏度、操作溫度和流態(tài),侵蝕包括三個(gè)過程:溶解、滲透和沖刷磨損。選擇高鉻耐火材料是因?yàn)槠湓诿涸芯哂休^低的溶解度,對(duì)一定的爐襯材料而言,溶解過程受耐火材料上的渣邊界層擴(kuò)散過程所限制,溶解速率取決于溫度的高低。渣滲透不直接引起耐火材料的損毀,但溶解了耐火材料晶問的直接結(jié)合體,從而降低了高溫強(qiáng)度,使材料的高溫韌性大大降低,不同的變化會(huì)引起局部破裂;沖蝕過程是殘?jiān)蜌怏w運(yùn)動(dòng)對(duì)耐火材料的作用過程,促進(jìn)了前兩個(gè)過程。
熱應(yīng)力損毀來自于:①向火面磚的熱膨脹產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力;②因?yàn)樵谄渌矫嫔鲜艿揭种疲突鸩牧显跓崦娣较蛏袭a(chǎn)生蠕變變形,使得爐襯產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)力,進(jìn)而產(chǎn)生平行于向火面的顯微裂紋;顯微裂紋又會(huì)結(jié)合起來形成很大的裂紋,后耐火磚的熱面剝落下來。
氣化爐頻繁開停車會(huì)引起爐膛溫度急劇變化,煤漿或氧氣短時(shí)故障也會(huì)引起爐膛溫度大幅波動(dòng),這種溫度的大起大落是耐火材料產(chǎn)生裂紋的主要原因,嚴(yán)重時(shí)可因瞬時(shí)熱應(yīng)力過大導(dǎo)致耐火磚爆裂掉片。隨著裂紋的形成和熔渣的滲透,還會(huì)發(fā)生熱化學(xué)剝落。由于熔渣和耐火材料之問的化學(xué)及礦物學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不同,在熔渣滲透帶和未變帶之間形成應(yīng)力,導(dǎo)致耐火磚層剝落(通常5~30mm)。這種化學(xué)剝落定期反復(fù)出現(xiàn),嚴(yán)重的時(shí)候每隔幾十到幾百個(gè)小時(shí)就重復(fù)一次。
根據(jù)氣化爐停車進(jìn)爐觀察情況,爐襯表面光滑平整,蝕損率在0.02~0.03mm/h以下的爐襯,煤熔渣的侵蝕沖刷是主要的損毀原因,而爐襯使用后凹凸不平,有磚體開裂,熱應(yīng)力的作用為主要損毀原因。
(3)向火面磚的壽命 影響耐火磚壽命的因素很多.如耐火材料選擇不當(dāng)、筑爐質(zhì)量不高、煤質(zhì)不穩(wěn)定、開停車太頻繁、負(fù)荷變化、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足等等。根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),拱頂磚的蝕損率遠(yuǎn)小于筒體部位,但拱頂經(jīng)常出現(xiàn)磚開裂或掉磚現(xiàn)象,導(dǎo)致外殼上部出現(xiàn)熱點(diǎn);而錐底在操作不正常情況下無(wú)法保護(hù)激冷環(huán),常使激冷環(huán)燒壞。氣化爐低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),筒體上部磚蝕損常常偏大,而當(dāng)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),筒體下部耐火磚和渣口磚壽命較短。
運(yùn)行統(tǒng)計(jì)顯示,操作溫度太高和頻繁開停車對(duì)氣化爐耐火材料壽命影響大。原料煤質(zhì)是決定氣化爐操作溫度高低的一個(gè)關(guān)鍵因素,從理論上講,德士占?xì)饣癄t可以氣化任何煤種,但使用高灰熔點(diǎn)煤時(shí)爐襯蝕損率異常高,常常出現(xiàn)堵塞渣口的現(xiàn)象,工況較難控制。渭河煤化工集團(tuán)有限公司、魯南化肥廠均因此更換過煤種。頻繁開停車會(huì)導(dǎo)致耐火材料經(jīng)受較大的溫度波動(dòng)及壓力波動(dòng)的影響,容易引起耐火磚出現(xiàn)裂紋或剝落。
為了提高向火面耐火磚的整體壽命,有些用戶根據(jù)實(shí)際使用情況已經(jīng)采用了在不同的部佗砌筑抗蝕有所差異的耐火材料的做法,而且也對(duì)測(cè)壓孔的位置、爐襯結(jié)構(gòu)作了部分調(diào)整。這種選擇需綜合考慮噴嘴類型、操作壓力、經(jīng)濟(jì)負(fù)荷等因素,以求佳效果。據(jù)介紹,日本氨廠筒體向火面耐火磚使用壽命一般可達(dá)18000h左右,錐體磚使用壽命可達(dá)9000h,陜西某公司筒體向火面耐火磚使用壽命長(zhǎng)達(dá)到了20000h。
2.背襯磚
鉻剛玉磚是以白剛玉砂為骨料加入適量Cr2O3,經(jīng)混料、成型及高溫?zé)Y(jié)而成。該耐火磚主要用于渣油氣化爐的渣口、炭黑反應(yīng)爐以及作為水煤漿氣化爐向火面層的背襯磚。
3.隔熱層
Al2O3空心球隔熱耐火磚/澆鑄料主要用于渣油氣化爐的背襯層,炭黑反應(yīng)爐以及水煤漿化爐的隔熱層。如果作為澆鑄料,存放時(shí)間不能太長(zhǎng),否則性能會(huì)降低。
4.可壓縮層
常用的FBX 1900水泥是一種礦物纖維和無(wú)黏結(jié)劑的干燥混合物,含有有效的防銹劑但沒有腐蝕作用。施工時(shí)可用泥刀涂抹或用噴槍噴涂。
水煤漿氣化爐耐火材料在具體的砌筑過程中,應(yīng)該保證:①須對(duì)欲砌筑的耐火磚進(jìn)行不使用耐火泥漿的預(yù)排,使磚與碎、層與層之間的接縫誤差更符合圖紙要求。②磚與磚、層與層之間的接縫在用耐火泥漿砌筑時(shí)須填充飽滿,減輕運(yùn)行狀態(tài)下高溫熔融態(tài)爐渣的滲入及侵蝕,防止接縫竄氣。③耐火泥漿與澆注料嚴(yán)格桉要求配比使用,不允許超時(shí)使用。④澆筑完成后目測(cè)與實(shí)測(cè)檢查。目測(cè):手感砌壁的光滑度,不能有凸臺(tái)或凹臺(tái)出現(xiàn);實(shí)測(cè):按圖紙要求。⑤膨脹縫的檢查,須符合圖紙要求。⑥多噴嘴氣化爐的燒嘴室澆筑要嚴(yán)格按同一水平軸線對(duì)中。無(wú)論在新砌筑氣化爐,還是氣化爐耐火材料更換,嚴(yán)格的砌筑過程控制是實(shí)現(xiàn)耐火材料長(zhǎng)周期使用的關(guān)鍵。
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