四噴嘴氣化爐耐火磚蝕損原因分析及操作優化

朱 寶

(萬華化學集團股份有限公司 山東煙臺 264006)

1 耐火磚損毀機理

萬華化學集團股份有限公司煙臺工業園共有3臺Ф 3 400 mm的四噴嘴對置式水煤漿氣化爐，運行模式為2開1備，日投煤量2×1 500 t，操作壓力6.5 MPa，爐內采用的耐火磚分別由2家企業提供。在水煤漿氣化過程中，氣化爐的向火面磚與高溫、高壓、低黏度、高流速的熔渣及一定還原性工藝介質相接觸，其中耐火磚會與熔渣發生化學反應，使耐火磚的組成和結構發生變化，此變化是造成耐火磚損毀的內在原因，而溫度和壓力的波動、高速氣流及熔渣的機械沖刷、一定還原性工藝介質的氧化-還原氣氛轉化等是加速耐火磚損毀的外部因素。

(1) 熔渣對磚體的侵蝕滲透

熔渣對耐火磚的侵蝕主要包括滲透、溶解和沖刷磨損3個過程。氣化爐采用高溫液態排渣，渣蝕是爐磚遇到的主要問題之一。熔渣對耐火磚的侵蝕取決于渣和耐火材料的化學組成、操作溫度以及渣的熔點和流態，包括爐磚在渣中的溶解和渣在耐火材料中的滲透以及由此引起的結構性剝落。

(2) 熱應力引起的破壞

剝落是爐磚受到不均勻應力后所致，其中熔渣深入爐磚形成變質層引起結構應力，爐內溫度波動引起熱應力，金屬外殼引起機械應力，爐磚長時間在高溫下產生的蠕變應力，耐火材料在爐內氧化-還原氣氛中價態變化引起的體積效應以及碳素沉積等產生的應力。各種應力共同作用導致磚面薄弱處產生裂縫，裂縫不斷擴展并相互貫通形成龜裂，最終以片狀或塊狀形式離開磚體而形成剝落，造成對爐磚的損毀。

(3) 氧化-還原氣氛

還原性氣氛對爐磚的影響主要表現在2個方面，即氫氣和水蒸氣與耐火材料中的SiO2組分發生化學反應以及CO汽提分解沉積現象。水煤漿氣化過程在強還原氣氛下進行，而在停車期間，爐內轉變為氧化氣氛，這種氧化-還原氣氛的交替，導致爐磚組分價態發生變化，對爐磚產生較大影響。

(4) 機械磨損

爐磚的機械磨損主要來自于高速汽提和流動熔渣，不但強化了熔渣與爐磚的化學反應，并將低灰熔點的反應產物從磚表面帶走，而且加速了磚體變質層、裂紋部位的剝落進程。

2 影響爐磚實際使用壽命的因素

基于爐磚的損毀機理，氣化爐在實際操作中要經歷筑爐、風干、烘爐、投料升壓、日常操作、加減負荷、升降溫、停車降壓降溫、抽拔燒嘴等一系列操作，操作中如有不當都會影響爐磚的使用壽命。

(1) 高溫爐磚遇水熱震

在投料前進行水壓試驗時，由于爐頭閥內漏，很可能使爐磚因受到激冷而產生裂紋，該裂紋在氣化爐運行過程中受到各種因素的作用而不斷延長加深，進而影響氣化爐的正常運行。另外，在停車后拔燒嘴時，燒嘴冷卻水盤管可能會由于碰撞而發生破裂，此時水噴濺至爐壁上也會損毀爐磚。

(2) 長期非正常負荷運行

氣化爐長期在低負荷下運行時，無法使氧氣和煤漿能夠完全霧化反應，會導致爐內出現局部過氧而產生高溫區，也會出現局部壓力的紊亂波動，導致爐磚受影響而損毀。氣化爐長期超負荷運行時，燒嘴噴出的物料速度過快而對爐壁產生嚴重的沖刷，加速了爐壁的損毀。

(3) 正常操作中爐溫控制偏高

爐溫應根據煤質而定，一般高于煤灰熔點50～80 ℃比較合適。但有些操作人員習慣高溫低甲烷控制，以防止爐況或煤質稍有波動而引發渣口堵塞。但長期高溫運行，爐磚的損毀速度將會大幅加快。

(4) 運行中燒嘴偏噴

煤漿與氧氣流量不匹配或燒嘴磨損變形，均會引起燒嘴偏噴，如果調節不及時就會導致局部爐磚加速損毀。

(5) 開停車升降壓太快

由于操作原因，在開停車時升降壓太快使爐磚變質層加速脫落，也會導致爐磚的損毀。

(6) 烘爐時未按升溫曲線進行升溫

合格的筑爐和烘爐是爐磚長周期使用的前提，烘爐時升溫太快或是反復熄火，會由于應力而導致爐磚損毀。

(7) 渣口堵塞進行升溫熔渣

由于煤質或操作原因導致渣口發生堵塞時，必須緩慢平穩地升溫熔渣，但此過程會大大加劇爐磚的損毀速度。

(8) 氧氣流量波動

在原始開車的初期階段，由于氧氣調節閥的質量問題，導致閥位頻繁波動，相應的氧氣流量也頻繁波動，波動量達300 m3/h(標態)左右，有時甚至達到700 m3/h(標態)，氧氣總管壓力也時有波動。氧氣流量的波動必然會影響燒嘴霧化效果、爐內反應情況、溫度和壓力分布，進而對爐壁產生影響。

(9) 烘爐時發生閃爆

前期烘爐時，時有熄火情況發生，為了盡量減少爐溫的下降，熄火后抽負不足，再次點火時發生閃爆。發生閃爆時，渣口磚和拱頂磚都有可能出現松動或損壞。

(10) 筑爐缺陷

筑爐材料存放不當和未嚴格按圖紙和設計要求進行筑爐作業，會導致爐磚局部不合格，在運行過程中問題趨于嚴重，最終導致爐磚非正常損毀。

(11) 盲頭磚拔取困難

氣化爐停車后，盲頭磚需拔出檢查，但經常會出現盲頭磚斷在拱頂的現象，需敲碎后才能取出，在此過程中有可能造成拱頂磚損壞。

3 操作優化措施

氣化爐長周期平穩運行在一定程度上取決于耐火磚的使用壽命，只有精細化的操作、詳實的管理制度， 才能保證氣化爐運行的安全和穩定。針對影響耐火磚使用壽命的因素，落實了如下的操作優化措施。

(1) 水壓試驗時斷開煤漿進燒嘴短節，防止冷水進入氣化爐而激碎爐磚。

(2) 嚴禁氣化爐在低于70%的負荷下運行，考慮到雙爐70%負荷下運行后工序存在放空現象，正在進行更換小燒嘴的試驗，以期在不影響氣化爐運行的情況下實現節能降耗。

(3) 根據煤質嚴控爐溫，初期粗合成氣含甲烷體積分數一般控制在400×10-6左右，正常時控制在(600～700)×10-6。

(4) 開停車時的升降壓嚴格按操作規程執行。

(5) 找到了氣化爐升溫至650 ℃前易熄火的原因，采取相應的措施以最少的熄火次數按照升溫速率進行氣化爐的升溫。

(6) 由于采用堆取料機向煤倉上煤，容易造成大塊煤滾落至煤倉底部。為此，嚴控煤質，解決煤倉底部存在大塊煤的問題，減少因煤質原因而導致的渣口堵塞次數。

(7) 嚴格按照標準作業程序(SOP)進行烘爐，防止出現閃爆而損毀爐磚。

(8) 更換氧氣調節閥，基本解決了氧氣流量波動的問題。

(9) 工藝人員在氣化爐筑爐過程中全程監護，筑爐完成后一次驗收，然后進行烘爐，爐溫達到1 100 ℃后進行降溫，降溫后入爐檢查是否存在裂縫等問題。