新型氣化爐耐火材料問題

時間：2022-10-05 16:21:08 大專畢業(yè)論文我要投稿

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新型氣化爐耐火材料問題

　　新型氣化爐耐火材料問題

　　摘要：簡單介紹了多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐燃燒室內(nèi)襯耐火材料的結(jié)構(gòu)和選用，分析了耐火磚的損蝕機(jī)理、燒蝕模式以及影響耐火磚使用壽命的因素，對提高耐火磚使用壽命的措施進(jìn)行了探討，對多噴嘴氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：水煤漿氣化爐耐火材料損蝕機(jī)理措施壽命

　　水煤漿氣化爐主要是將煤炭潔凈、高效地轉(zhuǎn)化為合成氣(主要成分CO+H2)。

　　其工作過程是水煤漿與氣化劑(O2)一起通過噴嘴，氣化劑高速噴出與煤漿并流混合霧化，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行火焰型非催化部分氧化反應(yīng)的工藝過程，即煤的氣化技術(shù)。

　　目前應(yīng)用最廣泛的氣化爐主要有美國德士古發(fā)展公司開發(fā)的水煤漿加壓氣爐(原Texaco，現(xiàn)GE)和中國自主開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐(以下簡稱OMB加壓氣化爐)。

　　OMB加壓氣化爐以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢已得到國內(nèi)外煤化工企業(yè)的廣泛認(rèn)可。

　　無論是GE還是OMB加壓氣化爐，在燃燒室向火面部位均采用鉻鋁鋯磚(俗稱高鉻磚)，目前內(nèi)襯耐火材料的使用壽命仍是影響氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一

　　一、OMB加壓氣化爐的工作環(huán)境以及對耐火材料的要求

　　水煤漿加壓氣化爐的工況條件極為苛刻，燃燒反應(yīng)室為強(qiáng)還原性氣氛，同時遭受酸性熔渣的侵蝕和高速流體的沖刷，且氣化爐內(nèi)的溫度場及流場是不均勻、不穩(wěn)定、甚至不連續(xù)的。

　　要求高溫(1250～1550℃) ，高壓 ( 2～8.5MP a )，強(qiáng)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材料特別是向火面耐火磚提出了嚴(yán)格的要求

　　1.必須有良好的的抗熔渣侵蝕性、抗?jié)B透性以及抗震性能

　　2.較好的高溫體積穩(wěn)定性能以抵抗溫度和壓力的波動

　　3.較高的熱態(tài)強(qiáng)度以抵抗熔融煤渣的沖刷和磨損

　　二、OMB加壓氣化爐加壓氣化爐耐火材料的結(jié)構(gòu)

　　氣化爐燃燒室內(nèi)襯耐火材料共分為拱頂、筒體、錐底和渣口四部分(圖1所示)。

　　1.拱頂——拱頂部分三層，從里到外分別為向火面磚、鉻剛玉澆注料、可壓縮料(主要做膨脹用)。

　　拱頂部位是受沖刷最為嚴(yán)重的部位，結(jié)構(gòu)為半球形，每一塊磚各有縱橫兩道嵌槽，砌筑成環(huán)狀后與上下左右各磚形成一個整體的合力，確保證了其穩(wěn)固。

　　拱頂有一道膨脹縫。

　　2.筒體——筒體部分三層，從里到外分別為向火面磚、背襯磚、隔熱磚，隔熱磚與爐壁之填充有20mm的巖棉，用作保溫隔熱，同時還為耐火磚徑向膨脹提供了空間。

　　筒體為圓柱形，共有兩道膨脹縫

　　3.錐底——錐底部分兩層，分別為向火面磚、鉻剛玉澆注料，錐底為圓錐形。

　　4.渣口——渣口部分三層，分別為向火面磚、背襯磚及鉻剛玉澆注料，渣口為圓柱形。

　　所有耐火磚從里向外弧長逐步增大，每層砌筑完成后在圓周方向就會形成一個整體。

　　三、OMB加壓氣化爐耐火材料的選擇

　　1.向火面磚

　　由于向火面直接與煤溶渣接觸，是氣化爐用耐火材料最苛刻的部位，所以向火面磚選用90鉻鋁鋯磚(俗稱高鉻磚，主要性能參數(shù)見表1)。

　　鉻鋁鋯磚所用原料為Cr2O3含量大于99[wiki]%[/wiki]的Cr2O3電熔合成料(體積密度大于5.1g/cm3)，同時添加有超細(xì)粉，經(jīng)混碾、成型后在高溫梭式窯中燒成。

　　該產(chǎn)品具有體積密度大(大于4.25g/cm3)、氣孔率低(小于16%)、常溫耐壓大(大于120MPa)、氧化鐵和氧化硅等雜質(zhì)含量少的優(yōu)點(diǎn)、同時具有很好的熱態(tài)穩(wěn)定性能，抗高溫蠕變性能等。

　　這些滿足了氣化爐向火面用耐火材料的要求，所以90鉻鋁鋯磚是目前氣化爐向火面耐材的最佳選擇。

　　2.背襯磚

　　背襯磚位于向火面磚背后，對氣化爐耐火材料整體起至關(guān)重要的力學(xué)支撐作用，并且能夠經(jīng)受高溫下[wiki]腐蝕[/wiki]性氣體的侵蝕。

　　12鉻剛玉磚(主要性能參數(shù)見表2)常溫強(qiáng)度很高(大于120MPa)，并且高純剛玉中添加12%以上的氧化鉻更增加了該制品抗腐蝕性氣體侵蝕性能。

　　3.隔熱磚

　　隔熱磚位于支撐磚之后，對氣化爐起保溫作用，使熱損失降低，使外壁溫度保持在設(shè)定值，是一種很好的節(jié)能材料;氧化鋁空心球磚除了導(dǎo)熱率低(0.8W/mk/1000℃)外，常溫、高溫強(qiáng)度是輕質(zhì)耐材中最好的，并且雜質(zhì)含量極低，具有很好的抗腐蝕性氣體的侵蝕能力和緩沖熱應(yīng)力能力。

　　是目前輕質(zhì)保溫耐火材料中最佳材料。

　　4.可壓縮層

　　可壓縮料具有容重小、導(dǎo)熱率低的特點(diǎn)，具有很好的保溫絕熱性能，同時又具有一定的強(qiáng)度，能夠有效緩沖高溫下里層耐火材料的徑向膨脹，而且施工十分方便。

　　5.耐火澆注料(鉻剛玉澆注料、氧化鋁空心球澆注料)

　　鉻剛玉澆注料用于球頂及錐底，澆注料和磚相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：無灰縫，即整體性好。

　　施工方便，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工，方便快捷、省工、省時、省力。

　　澆注料的抗氣體侵蝕性強(qiáng)，同時由于體積密度大于2.95g/cm3，使?jié)沧⒘暇哂泻芎玫臍饷苄浴?/p>

　　氧化鋁空心球澆注料具有保溫節(jié)能、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，適合氣化爐局部使用。

　　四、OMB加壓氣化爐爐襯損蝕機(jī)理和燒蝕模式

　　1.損蝕機(jī)理

　　氣化爐耐火材料的損蝕主要表現(xiàn)在向火面鉻鋁鋯磚的減薄，通過對實(shí)驗(yàn)室工作及使用后鉻鋁鋯磚的殘磚分析可知，其損蝕方式通常有兩種，分別為侵蝕與剝落。

　　侵蝕表現(xiàn)向火面處耐火材料逐漸向渣中溶解，或由于向火面處耐火材料的結(jié)合相被溶解后，向火面磚表層顆粒隨渣脫落，侵蝕是連續(xù)且緩慢的。

　　剝落主要發(fā)生在一些特殊階段，是向火面處耐火材料大塊地脫落到流動的液渣中，主要由于爐溫急劇波動和壓力驟然升降對于耐火材料熱震穩(wěn)定性造成了損害。

　　氣化爐的實(shí)際運(yùn)行中，還存在其他的侵蝕機(jī)理

　　各種氧化物在煤渣中的滲透及溶解情況如圖2、3、4所示

　　通過比較發(fā)現(xiàn)SiO2容易向高鉻耐火材料內(nèi)部深度滲透但不發(fā)生反應(yīng)。

　　然而，F(xiàn)eO不能向高鉻耐火材料內(nèi)部深度滲透，只是在臨近的界面處發(fā)生反應(yīng)生成Fe(Cr，Al)2O4尖晶石。

　　CaO的滲透與反應(yīng)介于以上兩種氧化物之間。

　　2.燒蝕模式

　　由于氣化爐內(nèi)的溫度場及流場是一個不均勻、不穩(wěn)定、甚至不連續(xù)的溫度場。

　　產(chǎn)生局部高溫的原因也較多，因此，很容易使Cr2O3 -Al2O3-ZrO 耐火磚表面受高溫作用而燒蝕損傷，甚至產(chǎn)生局部過燒熔化。

　　在正常情況下，這個燒蝕損傷過程是緩慢進(jìn)行的，只有在極端異常的爐內(nèi)高溫和反應(yīng)工況，燒蝕過程才會明顯加速。

　　根據(jù)觀察分析，耐火磚的燒蝕可分為高溫熔化型燒蝕和高溫氧化還原性燒蝕

　　氣化爐耐火磚的高溫熔化型燒蝕主要發(fā)生在富氧區(qū)、火焰舔燒區(qū)和氣化爐過氧工況。

　　這三個區(qū)域/工況都屬于氣化爐內(nèi)的局部高溫區(qū)。

　　耐火磚的主要成分是Cr2O3、ZrO和Al2O3，經(jīng)高溫?zé)贫伞?/p>

　　在爐內(nèi)正常溫度條件下，它們具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，而且通常在運(yùn)行中，耐火磚表面都覆蓋著熔化的爐渣，因此，爐內(nèi)高溫氣流不會與耐火磚表面直接接觸。

　　但在局部富氧區(qū)和高溫氣流直接舔燒耐火磚表面的區(qū)域，耐火磚表面組織軟化和強(qiáng)度下降，耐磨損沖刷性能和組織結(jié)合性能下降，部分結(jié)合相被直接燒損。

　　耐火磚燒蝕的速率受到多方面因素的影響，諸如氣化爐工況，包括氧煤比、燒嘴性能、渣口壓差、原料煤的灰分含量、灰渣組成特性、拱頂磚的型狀和氣化爐的負(fù)荷等，同時，耐火磚中存在的低熔點(diǎn)雜質(zhì)也會加速耐火磚的熔化燒蝕速度。

　　五、延長OMB加壓氣化爐耐火材料壽命的措施和注意事項(xiàng)

　　OMB加壓氣化爐耐火材料是保證氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　如何延長和保證耐火材料，特別是向火面鉻鋁鋯磚的使用壽命，是操作管理氣化爐的一項(xiàng)重要任務(wù)。

　　1.提高向火面磚的Cr2O3含量，提高其抗侵蝕能力(圖5所示)。

　　2.利用相變增韌技術(shù)改善耐火材料的熱震穩(wěn)定性

　　由于氣化爐在操作過程中，會由于這樣那樣的原因引起氣化爐溫度的波動，要求耐火材料具有高的抗熱沖擊能力，即具有高的熱震穩(wěn)定性。

　　利用ZrO2相變增韌原理，即通過四方ZrO2與單斜ZrO2之間的晶相轉(zhuǎn)變并伴隨有3～5%的體積效應(yīng)，在ZrO2顆粒周圍形成許多微裂紋，微裂紋可以緩沖由于溫度變化在制品內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高制品的抗熱沖擊能力，改善制品的熱震穩(wěn)定性

　　3.嚴(yán)格控制耐火磚的砌筑質(zhì)量

　　高質(zhì)量的耐火磚砌筑對耐火磚的長周期運(yùn)行起著極為關(guān)鍵的作用，控制砌筑質(zhì)量主要做好以下幾點(diǎn)

　　3.1確保向火面鉻鋁鋯磚的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求，同時尺寸偏差符合要求，盡可能多的出現(xiàn)正偏差，這樣雖然砌筑難度大點(diǎn)，但能夠保證較小的灰縫。

　　3.2在耐火磚的砌筑過程中，必須保證壁面垂直偏差，拱頂耐火磚內(nèi)徑偏差(以殼體中心線為參考)，拱頂、筒體及渣口同一截面內(nèi)徑偏差等符合要求。

　　燒嘴磚為整臺氣化爐內(nèi)襯重點(diǎn)部位，要求四個噴嘴的中心線必須保證在爐體中心線處相交，偏差不大于±2mm。

　　爐襯的垂直度公差為±3mm/3m，總高度上誤差不超過±6mm。

　　為了保證耐火磚的砌筑質(zhì)量，要求筒體部分每天砌磚層數(shù)不超過五層，拱頂每天砌磚層數(shù)不超過兩層。

　　所有灰縫必須飽滿

　　3.3通過計(jì)算，預(yù)留出合適的膨脹縫。

　　既要防止膨脹縫間隙過小導(dǎo)致耐火磚在徑向膨脹后的相互擠壓，也要防止膨脹縫間隙過大引起的局部竄氣超溫

　　4.合理的升溫

　　嚴(yán)格按烘爐曲線升溫。