氣化爐用耐火材料損壞的機(jī)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(guān)鍵部件，其運(yùn)行效果是氣化爐能否長周期、、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。本文就氣化爐在運(yùn)行過程中耐火材料出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，旨在找到影響壽命的關(guān)鍵因素，并從煤質(zhì)、操作、磚形等方面進(jìn)行改進(jìn)，以解決制約系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。某公司采用GE水煤漿加壓氣化技術(shù)，運(yùn)行模式為兩開一備，設(shè)計(jì)的運(yùn)行壓力為6.5MPa，設(shè)計(jì)每臺(tái)氣化爐的處理煤量為1500t/d。氣化爐的耐火襯里采用國產(chǎn)化材料，依然是傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)。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(xiàn)在錐底磚部分脫落和筒體磚侵蝕嚴(yán)重，現(xiàn)就這些現(xiàn)象進(jìn)行分析并介紹解決方案。

 

 

2. 耐火襯里損壞機(jī)理分析

 

耐火材料在使用過程中，由于經(jīng)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(tài)復(fù)雜、損壞機(jī)理多樣。歸納起來耐火材料的損毀形態(tài)主要有機(jī)械損壞和化學(xué)侵蝕兩大基本類型。

 

2.1 機(jī)械損壞

 

耐火材料的機(jī)械損壞主要包括熱剝落、結(jié)構(gòu)剝落和高溫?zé)崞谝约皺C(jī)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(huì)出現(xiàn)“熱震”現(xiàn)象，這是造成耐火材料機(jī)械損壞的主要原因之一。

 

所謂熱震，即耐火材料的運(yùn)行溫度發(fā)生較大變化時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的影響。GE公司有一個(gè)關(guān)于熱循環(huán)的定義，即當(dāng)溫度在1h內(nèi)發(fā)生100℃變化時(shí)的情況稱為一個(gè)熱循環(huán)，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(fā)生熱震現(xiàn)象，特別是在投料和停車過程中。在烘爐過程中，由于負(fù)壓和烘爐燃料控制不當(dāng)可能會(huì)引起爐溫在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化，集中表現(xiàn)為氣化爐燃燒室上下溫差變大、局部溫度過高，此時(shí)整體的熱膨脹會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致局部出現(xiàn)裂紋，重則出現(xiàn)磚被擠碎現(xiàn)象。在投料過程中，由于煤漿和氧氣均為溫度較低的介質(zhì)，在1min內(nèi)先后進(jìn)入爐內(nèi)，此時(shí)爐溫一般在1000℃左右，從DCS上觀察爐溫的變化可以發(fā)現(xiàn)，在投料的瞬間，爐內(nèi)溫度發(fā)生了先降后升的變化，降是因?yàn)槔浣橘|(zhì)進(jìn)入高溫環(huán)境內(nèi)會(huì)大量吸收熱量，升是因?yàn)楫?dāng)煤漿和氧氣溫度達(dá)到一定值時(shí)會(huì)進(jìn)行劇烈的氧化反應(yīng)而燃燒，所以，每次投料相當(dāng)于對(duì)氣化爐的耐火材料進(jìn)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(duì)兩條主要物料管線進(jìn)行氮?dú)獯祾摺Ｃ看瓮＼囘M(jìn)入氣化爐燃燒室內(nèi)的氮?dú)饩鶑?3MPa降至11.3MPa左右，約1000m3的氮?dú)膺M(jìn)入，同樣會(huì)使耐火材料的溫度發(fā)生驟然降低，所以每次停車過程也相當(dāng)于一次“熱震”。從運(yùn)行過程中可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：氣化爐的開停車次數(shù)越多，耐火材料發(fā)生機(jī)械損壞的幾率越高。

 

在系統(tǒng)運(yùn)行的初期，由于大家對(duì)此種大型爐的認(rèn)識(shí)不足，爐子運(yùn)行不穩(wěn)定等諸多原因，導(dǎo)致氣化爐的開停車比較頻繁，個(gè)別時(shí)候還會(huì)進(jìn)行較低溫度的聯(lián)投操作，是耐火材料壽命短的原因之一。

 

2.2 化學(xué)侵蝕

 

水煤漿加壓氣化爐用的耐火材料由多種高熔點(diǎn)化合物構(gòu)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(dá)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(zhì)多晶現(xiàn)象，即同一化合物有多種晶體結(jié)構(gòu)(晶型)。當(dāng)條件變化時(shí)，會(huì)由一種晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N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(wěn)定存在。例如，一種化合物有晶型I與晶型Ⅱ兩種，當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，只有晶型I能穩(wěn)定存在；當(dāng)溫度升至某一值時(shí)，則發(fā)生晶型I與晶型Ⅱ之間的轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度高于這一溫度時(shí)，只有晶型Ⅱ能穩(wěn)定存在。對(duì)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(shí)，對(duì)溫度的要求為不大于1500℃。由于晶型轉(zhuǎn)變常伴隨有體積(或密度)與其他性質(zhì)的變化，因此，當(dāng)耐火材料內(nèi)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，就可能發(fā)生開裂、疏松或粉化現(xiàn)象，從而影響其整體使用壽命。

 

若熔渣浸透進(jìn)入耐火材料內(nèi)部的氣孔中，不僅會(huì)促進(jìn)耐火材料的熔解蝕損，而且是導(dǎo)致材料化學(xué)侵蝕而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落進(jìn)而加快其損毀的重要原因。因?yàn)橐坏┤墼高M(jìn)入耐火材料內(nèi)部的氣孔，便會(huì)立即與之反應(yīng)，導(dǎo)致工作表面變質(zhì)，其結(jié)果則會(huì)在高溫條件下造成被浸透區(qū)域變得非常疏松。有人做過相關(guān)的試驗(yàn)，當(dāng)溫度達(dá)到1300℃時(shí)，熔渣對(duì)耐火磚內(nèi)部的滲透深度可以達(dá)到30mm。對(duì)于水煤漿加壓氣化技術(shù)本身而言，在現(xiàn)有的煤種范圍內(nèi)，絕大多數(shù)煤種的操作溫度無法達(dá)到1300℃以下，由此可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：在正常的生產(chǎn)過程中熔渣對(duì)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(jīng)過大量的工業(yè)化摸索試驗(yàn)后，我們發(fā)現(xiàn)，Cr?O?與渣中的Fe?O?、Al?O?、FeO、MgO反應(yīng)生成復(fù)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(hù)層，可以阻止?fàn)t渣的進(jìn)一步侵蝕。阻止熔渣向耐火材料內(nèi)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(shí)現(xiàn)。

 

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(shù)據(jù)可知，達(dá)到渣臨界粘度25.42Pa·s的操作爐溫已經(jīng)到了1283℃，并且當(dāng)爐溫稍有降低時(shí)其粘度會(huì)陡增。為了保證排渣的順暢就須提高操作爐溫，此時(shí)想形成保護(hù)層是非常困難的，耐火材料長期暴露在較高的溫度中對(duì)其損傷是非常大的!所以，高溫操作、不能形成保護(hù)層是導(dǎo)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(guān)系到整個(gè)工廠的運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益，為此，針對(duì)出現(xiàn)的問題，我們進(jìn)行了分類和總結(jié)，旨在運(yùn)行中不斷優(yōu)化各種指標(biāo)。

 

3.1 穩(wěn)定操作工況

 

(1)嚴(yán)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(chǎn)生位移，特別是冷態(tài)新磚的初次保養(yǎng)，一定要嚴(yán)格按照時(shí)間進(jìn)行，各階段的恒溫時(shí)間只能延長、不能縮短。

 

(2)正常運(yùn)行中每天進(jìn)行原料煤和入爐煤漿灰熔點(diǎn)的分析。根據(jù)分析數(shù)據(jù)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(duì)爐磚造成的直接傷害。

 

(3)運(yùn)行中定期進(jìn)行氣化爐的切換，氣化爐負(fù)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(yùn)行超過30d后不再進(jìn)行聯(lián)投操作，聯(lián)投時(shí)盡量保證爐溫在900℃以上，避免低溫投料可能造成的震動(dòng)。

 

(4)定期進(jìn)行耐火磚的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整中心的比例，調(diào)整反應(yīng)中心區(qū)域的位置，保持耐火磚使用均勻，防止出現(xiàn)“木桶”效應(yīng)。

 

 

示意圖

 

3.2 優(yōu)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(hù)層。通過分析，煤灰成分中堿度不當(dāng)，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(dāng)比例為0.5左右時(shí)堿酸比例適中，而試驗(yàn)煤樣此比例為1.268，所以，應(yīng)當(dāng)向煤中導(dǎo)入部分酸性物質(zhì)。

 

經(jīng)過試驗(yàn)，向試驗(yàn)煤樣中加入當(dāng)?shù)厣衬械纳匙舆M(jìn)行堿酸比例的調(diào)整。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)向試驗(yàn)煤樣中加入相當(dāng)于煤灰分40%的沙子時(shí)，煤的粘溫特性得到了改善，灰熔點(diǎn)同時(shí)也得到了降低，粘溫特性如圖1。

 

 

圖2 粘溫特性圖

4. 運(yùn)行效果總估

 

(1)隨著對(duì)系統(tǒng)掌握能力的增強(qiáng)和對(duì)操作的不斷優(yōu)化，系統(tǒng)的開停車次數(shù)減少、聯(lián)投的次數(shù)也相應(yīng)減少，減少了對(duì)耐火磚產(chǎn)生“熱震”的次數(shù)。定期檢查耐火磚、更換工藝燒嘴保證了系統(tǒng)在可控范圍之內(nèi)。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(yōu)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(hù)層，磚的使用壽命有望增加。

 

供稿 | 余朋輝

 

審核 | 楊建軍 馬姍姍