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煤气化炉耐火砖问题探讨

编辑:寰洋耐材   浏览:   时间:2016-09-13

        根据耐火砖的蚀损机理, 煤熔渣对耐火砖的侵蚀主要包括三个过程,即溶解、渗透和冲刷磨损。对一定的炉衬材料而言,溶解过程受耐火材料上的渣边界层扩散过程所控制,溶解速率取决于温度的高低,因此,操作温度是影响耐火砖寿命的主要因素。从上焦使用过的三炉砖看,由于受煤质影响均不同程度在大于1 400 ℃高温运行一段周期,特别是2号炉,在大于1 400 ℃运行近1 000 h,最高操作温度达1 480 ℃,因此对砖的使用寿命造成了不同程度的影响。对于鲁南化肥厂以及渭河化肥厂的第一炉砖,由于均使用高灰熔点煤,其操作温度均在1 400 ℃以上,特别是渭河化肥厂,当测温热电偶损坏后,较长时间以CH4含量达70×10-6为参考运行,此值估算在1 500 ℃左右,因此造成了对耐火砖的严重损伤。根据经验,在适宜的操作温度以上,每增长100 ℃,耐火砖的蚀损率将增长近四倍,因此,选择高活性与低灰熔点的煤种,使气化炉在较低的操作温度下运行,是延长耐火砖寿命的重要途径。  

        由于熔渣的渗透将导致砖的变质带与原砖带间不同的热膨胀系数,当温度与压力急剧变化时,如开停车及发生操作故障时,变质带与原砖带间就将产生热应力裂纹,这种裂纹在多次的温度压力波动中,不断扩展加深直至砖层剥落。因此,在一定的操作温度条件下,开停炉次数的增加将会加剧耐火砖的蚀损。从1号炉与3号炉的使用情况看,其运行条件相近,但3号炉的开停炉次数相对少(每次开炉平均运行周期:1号炉为225 h,3号炉为305 h, 而国外装置在700 h)。所以这也是3号炉的耐火砖平均蚀损率比1号炉低的原因之一。  煤灰性质的差异同样会对耐火砖的使用寿命产生影响。煤灰渣中最易渗透的成分是SiO2和CaO, 其次是FeO、Al2O3, 因此,渣中含有较高SiO2和CaO时,对Cr砖的腐蚀也就越大。煤灰的组成确定了渣的粘度与温度的关系,在适宜的粘度和操作温度下,耐火砖表面将保持一层固态的煤渣层,这层挂渣将有助于防止进一步的渣冲蚀,起到以渣抗渣的效果。

        当进一步降低渣粘度,这层挂渣效果变差,另外的渣将直接冲蚀砖表面。当增加渣粘度,将会堵塞渣口而影响气化炉运行。因此,煤灰渣的粘温特性也是气化炉操作的重要参考数据。对于煤中灰量的多少,一般不会造成对砖寿命的较大的影响,但当灰含量太高(20 %),或气化炉大幅度超负荷运行,将会加大对耐火砖的冲刷磨损。美国依斯曼(Eastman)公司的一炉砖在气化炉超负荷(130 %负荷)条件下运行,比设计负荷下运行减少寿命33%,特别是加剧了渣口砖的蚀损。2.2 热面耐火砖的选材与结构设计问题  (1) 设计选材  设计选材对耐火砖的寿命至关重要。在材质的选择上,选择了抗渣性较好的含Cr2O3主材的耐火砖,由于纯的Cr2O3 材料不易烧结致密,气孔率较高,渣易渗透,所以在渣中引入了Al2O3材料,为提高铬质材料的热稳定性,引入了ZrO2材料,因此,铬铝锆型砖是熔渣气化炉较理想的耐火砖。 在设计选材时,存在二种主要的设计观点:一是全套热面砖采用优质砖(如上焦炉砖设计,全套采用了Zirchrom 90砖),二是根据炉内不同部位蚀损不同,采用不同材质的砖,达到整体蚀损均匀,同步换砖,降低整体费用的目的(如依斯曼装置,其拱顶及直筒上部采用Zrichrom 60砖,直筒中下部及渣口砖采用Anirex 90砖)。根据上焦三炉砖经验及其它装置经验,笔者认为,前者适合新投产装置,因为试车期间负荷低,高温区上移,且试车阶段工况较恶劣。采用优质砖可避免因试车一结束,就要投入大量的人力、财力和时间去更换耐火砖而影响正常生产。

 

耐火砖

        另外,还有一种做法,即在不同部位采用不同的砖厚度,由于给砖的制作及管理带来较多麻烦,一般不予推荐。  (2) 结构设计问题  在耐火砖的使用中,暴露出了设计上的问题。一是耐火砖上四周的舌槽结构问题,从三台气化炉拆下的残砖上观察,相当一部分砖的舌槽根部出现裂纹,这是由于在使用中该处应力集中而造成的,砖的剥落与掉砖常常源与该裂缝,因此,取消舌槽,尤其是在直筒部位及渣口砖上完全去掉该舌槽,以减少砖的内部应力,降低产生大块剥落的可能性,而且制造和筑炉质量都会得到较大的提高。二是拱顶背衬砖后预留的15~30 mm膨胀缝问题,在上焦及渭河化肥厂都出现拱顶超温(最高达580 ℃)而被迫停车,当用空心球填满该缝后,热点消失,因此,应尽量减小该膨胀缝以减少拱顶串气的可能性。三是拱顶气体涡流较强,不应设置测压或测温孔。四是进一步改进设计,将锥底(渣口)砖设计成可局部更换的锥底砖体结构。2。3 筑炉质量问题  筑炉质量好坏同样会影响耐火砖的使用寿命。主要是砖缝问题。在砖衬设计的技术要求中,对砖的横缝(1 mm)、竖缝(1。8 mm)以及砖缝灰浆的调配与使用都作了严格要求,但施工中往往出现偏差。当砖缝较宽时,由于灰浆抗渣性较差,所以砖缝蚀损较快,熔渣又通过砖缝加速对砖的侵蚀。同时由于砖缝的收缩,使砖层变动,导致部分砖局部应力集中,加速了耐火砖的蚀损。从2号炉耐火砖的检查发现,其上部凹陷剥落的砖的缝都较宽,部分砖缝已被冲刷成10~15 mm宽,深度已接近背衬砖的深沟。另外,在拱顶背衬砖后与保温浇铸料间的预留膨胀缝也应严格按设计要求施工,拱顶超温往往是该处施工质量造成。筑炉技术要求中,对砖的水平度、垂直度和椭圆度都作了严格规定,只有精心施工,确保筑炉质量,才能保证耐火砖达到较长的使用寿命。 
2.4 气化喷嘴的装配问题  气化喷嘴对耐火砖的使用寿命影响也较大。由于工艺负荷的调整或中心氧比例的调整都会使得喷嘴喷射张角与炉内高温区位置发生变化,因此,喷咀设计时应在工艺要求的负荷范围内设计适宜的流速与张角, 以保证耐火砖不受物料的直接冲刷。

        另外,在喷嘴本身内部构件的装配时,应充分保证设计要求值,防止物料偏喷而造成对耐火砖的直接冲刷与局部过氧超温蚀损。同时还应注意喷嘴中心线与气化炉中心线不一致的问题,即二条线形成了一夹角,此种情况下,将使反应区靠近耐火砖,加速砖的蚀损,出现这种情况,应在筑炉时加以修正。 2.5 耐火砖的国产化问题  耐火砖已成为德士古煤气化装置经济运行的制约因素,由于进口热面耐火砖价格昂贵,国产化问题已成为使用厂家关注的首要问题。近年来,国产的熔渣气化炉高铬砖已在鲁南化肥厂与渭河化肥厂投入使用,从砖的理化指标与实验使用情况比较,国产砖完全可以替代进口砖。根据近期某种进口的热面耐火砖报价,加上关税费折合人民币16.4万元/吨,还不包括运输费、银行手续费、保险费等。国产热面耐火砖报价为9万元/吨,现上海焦化有限公司四台炉,每年按使用三套热面耐火砖约130 t计,一年可节省人民币962万元。 
        3 结  论  (1) 气化炉操作温度是影响耐火砖使用寿命的主要因素,虽然德士古煤气化工艺对煤种的适应性较广,但从技术经济角度考虑,建议尽量选用活性高、灰熔点低的煤种,以达到降低操作温度,延长耐火砖寿命的目的。  (2) 进口耐火砖价格昂贵,国产化已成为现实,建议使用国产耐火砖。

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