Texaco水煤漿加壓氣化是潔凈煤氣化技術(shù)之一，具有高效，低污染，易自動控制等優(yōu)點。氣化爐是整個裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)襯耐火材料的質(zhì)量直接影響到爐子的操作穩(wěn)定性和使用壽命，但是其工況條件極為苛刻，要求高溫(1350~1450℃)、高壓(6.5MPa)、強還原氣氛和液態(tài)酸性排渣，伴隨著固體、液體、氣體的高速沖刷，且在開停車時有較大的溫度和壓力波動等，所有這些都對氣化爐用耐火襯里的使用壽命產(chǎn)生很大的影響。因此，了解氣化爐耐火襯里的使用條件和結(jié)構(gòu)特點，分析總結(jié)蝕損原因，從提高耐火材料的抗蝕損性能、保證爐磚的砌筑質(zhì)量，從提高耐火材料的抗蝕損性能、保證爐磚的砌筑質(zhì)量、嚴格烘爐曲線以及操作工況的控制等方面，來減緩氣化爐耐火磚的蝕損，實現(xiàn)煤氣化裝置的長周期運行。
1氣化爐耐火襯里設(shè)計結(jié)構(gòu)特點
Texaco水煤漿氣化中水煤漿經(jīng)高壓梅江泵加壓后連同外供的高壓氧通過爐頂工藝燒嘴進入氣化爐，在氣化室中水煤漿與氧發(fā)生非催化部分氧化，產(chǎn)生的合成氣從反應(yīng)室出來直接向下通過下降管進入激冷室完成合成氣的激冷洗滌。氣化爐工分為燃燒室及激冷室兩大部分，其中燃燒室進行燃燒、氣化反應(yīng)，內(nèi)部襯有耐火襯里，從里到外依次為高鉻磚、鉻剛玉磚、氧化鋁空心球磚、可壓縮層、澆注料(如圖1)。
圖1 氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)
其中向火面高鉻耐火磚是保證氣化爐正常運行的最關(guān)鍵部分。
2氣化爐耐火磚的理化性能指標
由于耐火磚中Cr2O3含量對抗熔渣的蝕損性非常關(guān)鍵，因而一般耐火磚型號均以Cr2O3的含量多少命名，煤氣化爐耐火磚的主要成分質(zhì)量組成及理化性能指標如表1。
圖1 國產(chǎn)90耐火磚理化性能指標
3氣化爐耐火磚的使用環(huán)境及要求
煤氣化爐操作條件為爐膛溫度不大于1400℃，操作壓力6.5MPa，煤漿濃度58%~64%，煤漿灰熔點小于1300℃，入爐煤量31.25t/h，排灰渣量4.2t/h。操作溫度控制在煤灰的灰熔點之上50℃，產(chǎn)生的渣呈液態(tài)沿耐火磚向火面留下，因而與耐火磚接觸的介質(zhì)為高溫煤氣的熔渣(組分見表2)。從熔渣組分可以看出，煤氣爐產(chǎn)生的熔渣為高鈣渣。
表2 煤氣和熔渣的組分分析
由于向火面高鉻磚時刻處于其高溫氣液固三相介質(zhì)的高速沖刷狀況下，同時受到其他因素的影響，因此對耐火磚性能要求極為苛刻;①具有較高的熱態(tài)強度，使耐火磚具有較好的耐沖刷性;②對酸性熔渣應(yīng)有較好抗?jié)B透性和抗侵蝕性;③較好的體積穩(wěn)定性，即較小的熱膨脹系數(shù)，以減少熱應(yīng)力的破壞;④較好的熱震穩(wěn)定性，減少爐溫劇變對耐火磚的侵蝕、剝落;⑤較小的氣孔率即較高的密度。
4氣化爐耐火磚蝕損原因分析
向火面耐火磚的使用條件及使用環(huán)境決定了高鉻耐火磚長期與高溫、高壓、低粘度、高流速的熔渣及一定還原性工藝介質(zhì)相接觸，局部還直接承受火焰沖刷和舔燒。熔渣的侵蝕滲透導(dǎo)致耐火磚組成的結(jié)構(gòu)的變化、熱應(yīng)力的破壞及熔渣和高速氣流的沖蝕是耐火磚蝕損的根本原因;氣化爐操作工況、耐火磚的砌筑質(zhì)量等是影響耐火磚蝕損的重要因素。
4.1熔渣對磚體的侵蝕滲透
熔渣對耐火磚的其實主要包括3個過程，即滲透、溶解和沖蝕磨損。煤中含有的Si、Al、Ca、Fe及其他微量金屬鹽類構(gòu)成了煤的成分，不同的煤種可形成不同種類的熔渣，熔渣通過對磚的熔解、滲透并在氣化爐內(nèi)強還原氣氛下雨耐火磚的組分形成低熔點化合物，改變了磚的組成，低熔點化合物不斷地被沖刷，導(dǎo)致耐火磚被逐漸剝蝕。實踐證明，CaO含量高的熔渣在高溫下與其他組分發(fā)生程度不同的反應(yīng)，形成新的低熔物相，較SiO2含量高的爐渣對Cr2O3基耐火材料的滲透侵蝕性更強(見圖2)，引起的結(jié)構(gòu)剝落次數(shù)和厚度變化更加嚴重。
圖2 熔渣的滲透性對比
另外，CaO含量高的熔渣灰熔點低，操作過程中不易在磚面形成附著渣層，起不到以渣抗渣的作用，流動熔渣在侵蝕滲透的同時，還會直接沖蝕磚體，加速耐火磚的蝕損。圖3為煤氣化爐向火面高鉻磚運行14000h后受高鈣熔渣侵蝕滲透狀況。
4.2熱應(yīng)力引起的破壞
在氣化爐內(nèi)、降溫過程中，由于各層磚的升、降溫速率不同，爐內(nèi)耐火磚砌體膨脹系數(shù)不同，耐火磚所受到的約束和阻力不同，在耐火磚的環(huán)向和垂直方向產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力大于向火面耐火磚的強度時，常在耐火磚的邊角處出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。另外，在磚與磚的位移面上還會發(fā)生摩擦，產(chǎn)生剪切力且具有局部撕裂作用，導(dǎo)致向火面耐火磚產(chǎn)生表面裂紋。這些表面裂紋也加速了熔渣侵蝕擴散，導(dǎo)致磚的表面結(jié)構(gòu)解體和剝落。
圖3 氣化爐高鉻磚受熔渣侵蝕滲透狀況
氣化爐緊急停車或發(fā)生操作故障時，爐溫急劇變化，也是向火面磚產(chǎn)生裂紋的主要原因，這可能導(dǎo)致由于熱應(yīng)力而引起向火面磚出現(xiàn)大面積剝落，厚度可達5~30mm不等(見圖4)。隨著裂紋的產(chǎn)生和爐渣的滲透，在耐火材料表面形成滲透層，由于滲透層在膨脹系數(shù)等諸多理化性能與原耐火材料存在差異，在渣滲透帶和未滲透層之間也形成應(yīng)力，隨著溫度的變化，會出現(xiàn)整體剝落。
圖4 氣化爐高鉻磚表面結(jié)構(gòu)解體和剝落
4.3熔渣和高速氣流的沖蝕破壞
向火面耐火磚在氣化爐內(nèi)除了受到高溫熔渣侵蝕外，還受到高速氣流和沿壁面流動的熔渣沖刷和磨損，亦或兩者共同作用，引起耐火磚損失。
在Texaco水煤漿氣化爐中，高溫高速氣流對向火面爐磚表面具有明顯的沖刷作用。其沖刷部位及沖刷程度，取決于Texaco工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)尺寸及煤漿/氧氣混合物所形成的物化效果。霧化角越大，對筒壁耐火磚的沖刷越嚴重，同時還伴隨著嚴重的燒蝕。另外，在工藝燒嘴出口(筒體磚上部K磚以下)附近氣化反應(yīng)最劇烈，氧氣也還未完全消耗，且該部位耐火磚表面熔渣較少，氣體沖刷與燒蝕同時產(chǎn)生作用，會加劇耐火磚的損毀。圖5為筒體K磚位置蝕損狀況。
圖5 氣化爐筒體K磚下部1437A磚燒蝕情況
熔渣在高溫下沿著爐壁自上而下流動的過程中，在侵蝕耐火磚的同時還會對耐火磚產(chǎn)生磨損作用。通常情況下，熔渣對耐火磚的流動磨損作用是比較小的，氣流通過摩擦作用帶動熔渣沿壁面向下流動的動量也不大，且部分熔渣附著在向火面表面，也減緩了熔渣及高速氣流對耐火磚的沖蝕。但是在局部湍流區(qū)和高速分離區(qū)，熔渣的流速較高，容易產(chǎn)生較大的磨損。熔渣和高速氣流對耐火磚的沖刷磨損主要發(fā)生再氣化爐燃燒室的出渣口出。在此處，高速氣流攜帶熔渣對錐底磚和其他突出部位產(chǎn)生強烈的沖刷磨損作用。
4.4氣化爐操作工況的影響
綜合國內(nèi)外Texaco水煤漿加壓氣化爐的研究和實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，操作溫度、生產(chǎn)負荷、開停車次數(shù)及工藝燒嘴霧化狀況等工藝操作因素，對向火面磚的蝕損影響比較大。
(1)操作溫度越高，侵蝕速率越大，磚壽命越短。在適宜的操作速度以上，每升高100℃，耐火磚的蝕損率將增長近4倍。在水煤漿氣化爐的工作環(huán)境下，耐火磚的使用壽命縮短的根本原因在于高溫會顯著改變煤灰渣的粘溫特性。溫度越高，粘度就越低，流動性越好，對磚的侵蝕和滲透越嚴重，侵蝕率就越大，壽命就越短。
(2)生產(chǎn)負荷越高，煤漿、氧氣流量越大，渣量也越大，操作壓力也相應(yīng)增大，這就為加速向火面磚的侵蝕和滲透提供了條件。同時由于渣量增大，清渣次數(shù)增加，對爐襯壽命帶來影響。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)負荷增加30%，熱面襯使用壽命降低33%。
(3)統(tǒng)計結(jié)果顯示，開停車一次，向火面磚侵蝕5~20mm，且煤渣中CaO含量高是更明顯。
(4)Texaco水煤漿工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸及安裝高度，直接影響到燒嘴霧化性能、火焰剛性及長度，從而影響到耐火磚的使用壽命。工藝燒嘴中心線是否與氣化爐中心線重合，操作工程中是否過氧，是造成氣化爐耐火磚局部嚴重蝕損的重要原因之一;另外，燒嘴運行后期煤漿噴頭磨損引起煤漿偏流，也會造成耐火磚局部蝕損加劇。
4.5 耐火磚砌筑質(zhì)量的影響
耐火磚的砌筑質(zhì)量是保證其使用壽命和確保氣化爐運行安全的重要因素。施工環(huán)境溫度、耐火泥漿調(diào)制、磚與磚之間灰縫間隙控制、以及爐墻的垂直度、同心度等都是重點質(zhì)量控制指標。其中耐火磚灰縫過小，磚體高溫膨脹，在環(huán)向和垂直方向產(chǎn)生應(yīng)力擠壓，導(dǎo)致耐火磚產(chǎn)生表面裂紋;灰縫過大，縫內(nèi)耐火泥的強度較低，高速氣流沖刷造成耐火泥脫落，耐火磚邊角沖蝕形成圓角，磚縫隨之擴大，加速蝕損。
5 減少和控制耐火磚蝕損的對策
5.1 提高向火面耐火磚抗侵蝕性能
提高耐火磚中Cr2O3的含量，可以顯著改善抗侵蝕性能。測井采用回轉(zhuǎn)抗渣法對不同材質(zhì)耐火材料進行了抗熔渣侵蝕能力的對比試驗，發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)耐火材料抗侵蝕性能優(yōu)劣的順序為：w(Cr2O3)=90%的高鉻磚>w(Cr2O3)=86%的高鉻磚>鉻剛玉磚>剛玉磚>氧化鋯磚。由此可見，提高耐火材料中的Cr2O3含量有利于提升其抗熔渣化學(xué)侵蝕的能力。因此，建議在侵蝕比較嚴重的部位或者熔渣中鈣鐵含量比較高的氣化爐內(nèi)采用Cr2O3含量比較高的耐火材料，例如w(Cr2O3)>90%的高鉻磚。另外，增大耐火磚的密度，使氣孔微細化，減少化學(xué)侵蝕的路徑，從而提高抗爐渣侵蝕性能。
5.2加強砌筑施工質(zhì)量控制
嚴格執(zhí)行筑爐技術(shù)標準，重點關(guān)注砌筑過程中的質(zhì)量控制要求：①保證筑爐環(huán)境溫度不低于-5℃。②澆注料施工及耐火泥漿調(diào)制用水為飲用水，水溫在10~25%為宜，其pH值在7.0~7.5，氯離子濃度不大于2.5mg/L。③耐火磚砌筑采用人工抹灰擠壓法，保證灰縫均勻飽滿;上下、內(nèi)外層之間灰縫相應(yīng)貫通橫向練成直線的情況，單環(huán)同徑爐墻上下兩層磚不應(yīng)有重縫。④嚴格控制以下參數(shù)：耐火磚橫向灰縫不大于1.0mm，豎向灰縫不大于1.8mm，保溫磚灰縫不大于3mm，爐墻表面平整度不大于5mm;爐墻垂直度不大于3mm/m，全高不大于15mm，同心度±5mm。⑤拱頂和筒體之間預(yù)留有35~50mm的膨脹空間，以備氣化爐升溫時耐火材料整體向上膨脹。
5.3嚴格按烘爐曲線升溫
由于耐火磚、澆注料等耐火材料在加熱過程中存在相變、熱膨脹、脫水反應(yīng)、摻加反應(yīng)等，因此氣化爐襯里砌筑完成后，應(yīng)按要求進行烘爐，以免砌體出現(xiàn)變形、開裂，甚至破壞氣化爐爐體等現(xiàn)象的發(fā)生。
氣化爐進行烘爐時，要制定詳細的烘爐升溫曲線(見圖7)，保證耐火磚及澆注料等耐火材料中的水分有充分的的時間逸出，且可以保證耐火材料溫度分布梯度的時間逸出，且可以保證耐火材料溫度分布梯度的穩(wěn)定性，避免爐溫變化過快引起耐火磚產(chǎn)生位移。
5.4選擇合適的煤種
灰分含量、灰熔點及粘溫特性使Texaco煤氣化工乙原料煤最關(guān)鍵的控制因素，決定了氣化爐的溫度控制，排渣性及耐火磚的長周期使用等。灰分含量低、灰熔點低、粘溫性好的煤比較適合Texaco水煤漿氣化工藝。另外，爐渣中的CaO對耐火磚的侵蝕相對其他氧化物較為突出，考慮選擇煤中CaO含量低的煤種，尤其選擇CaO含量比較低的優(yōu)質(zhì)媒的提高耐火磚中的Cr2O3含量可以提高鉻磚的抗侵蝕性，但煤中CaO含量低又會導(dǎo)致煤的灰熔點偏高，所以CaO含量也不宜過低。
圖7 氣化爐向火面磚更換烘爐升溫曲線
5.5改善氣化爐的工藝操作工況
嚴格控制爐膛操作溫度在1300~1350℃，比煤灰熔點流動溫度高50℃，使耐火磚表面能形成一層薄的熔渣，以渣抗渣，對耐火磚起保護作用，并防止渣口結(jié)渣。控制適當?shù)难趺罕葘刂坪脿t溫相當關(guān)鍵，有利于控制爐內(nèi)的氧化還原性氣氛，避免過氧操作，降低熔渣對耐火磚的侵蝕。
嚴格控制氣化爐的生產(chǎn)負荷，在不影響正常運行的條件下盡量降低操作溫度，并減少開停車次數(shù)，減少耐火磚在使用過程中受到的熱沖擊。
燒嘴霧化角度要與爐膛大小相匹配。若角度過大，會使耐火襯里受煤漿顆粒嚴重磨損;若過小，則會導(dǎo)致對耐火磚的沖刷、燒蝕區(qū)域上移。良好的工藝燒嘴配制和安裝，不僅可以使碳轉(zhuǎn)化率由94%提高到99%，而且大大減少對向火面磚的蝕損，提高耐火磚的使用壽命。目前，齊魯二化煤氣化爐采用三通道內(nèi)外混水煤漿氣化工藝燒嘴。
6結(jié)論
Texaco水煤漿氣化爐耐火磚蝕損控制是煤氣化裝置長周期運行的保證，也是煤氣化工藝設(shè)備綜合耐火磚蝕損原因進行滲入分析研究，從耐火磚材料性能、安裝施工質(zhì)量及操作規(guī)程的執(zhí)行等方面查找問題和不足，并加以改進，才能延長耐火磚使用壽命，不斷提高煤氣化裝置長周期經(jīng)濟運行的水平。