氣化爐襯里的失效超溫分析

呂詩宏 ，熊 江 ，王 晗 ，范沐旭 ，方 旭

（1.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司-先進耐火材料國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；2.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

氣化爐是化工行業的關鍵設備，國內的氣化爐有很多種如GE的德士古水煤漿氣化爐，華東理工大學的水煤漿四噴嘴氣化爐，shell粉煤氣化爐，GSP粉煤氣化爐，航天粉煤氣化爐，Shell渣油氣化爐，德士古渣油氣化爐，以及各種天然氣氣化爐二段爐等。文章旨在從襯里材料設計，裝置設計，砌筑質量，操作工藝，設備等因素著手，對引起爐壁超溫的現象和耐火襯里的失效原因進行全面總結分析，并總結相應的處理措施，為更好的指導生產提供參考。

1 設計

1.1 襯里材料設計不合理

爐襯的設計是在廠家給出爐殼圖和工藝參數的條件下，確定爐襯總厚度，經過熱傳導計算，確定隔熱層、支撐層、熱面層磚厚度；利用熱膨脹計算，算出高度方向膨脹縫的大小及徑向膨脹縫的大小；設計磚圖時也要考慮每環磚之間灰縫的大小及層與層之間灰縫的大小；熱電偶磚的設計也需要考慮爐襯整體向上膨脹問題，以避免開車時剪切熱電偶。爐襯設計不合理，會影響傳熱及爐襯結構穩定性，運行過程中可能產生掉磚、膨脹縫擠壓、竄氣等，造成局部超溫。國外某企業的氣化爐在使用過程中出現了超溫情況，停爐檢修時發現爐襯設計不合理，導致部分材料在使用過程中缺失，引起超溫。

1.2 裝備設計不合理

氣化爐是一個高溫的裝置，爐內的降溫隔熱的方式主要有兩種：一種是耐火襯里進行阻隔，如德士古水煤漿氣化爐等，稱之為熱壁爐，另一種是通過強制性冷卻的方式，如shell干粉氣化爐，稱之為冷壁爐。熱壁爐的結構中也存在局部通過強制冷卻的位置，如水煤漿氣化爐的錐底部分的托磚板，其冷卻的方式主要靠下方的激冷環的冷卻作用。國內出現過幾次由于冷卻裝置設計不合理的因素造成強制冷卻的措施沒有達到目的。在開車過程中，托磚板沒有得到激冷環的保護作用，而暴露在很高的工作環境溫度之下。造成托磚板燒蝕變形，托磚板上方砌筑的耐火磚失去了支撐而掉落。耐火磚掉落后，失去耐火磚保護的鋼件又進一步惡化，導致氣化爐錐底部分出現嚴重超溫。

加強耐火襯里結構設計以及與襯里材料對接位置處結構的審核，把好合理性的第一道關，才能避免下一步因為結構不合理而導致耐火襯里失效，引起超溫的現象。

2 砌筑

2.1 砌筑磚縫不合理

氣化爐采用火泥砌筑，主要是為了填充不規則的磚縫和粘結磚塊，以形成具有一定整體性的結構。由于火泥屬于沒有燒結的材料，其高溫穩定性要差于耐火磚，在氣化爐的整體結構中屬于薄弱環節。相關的筑爐規范中對火泥縫的大小都有明確的要求。圖紙設計中提到火泥縫為1.2mm，最大不超過1.8mm，最小火泥縫沒有要求。GE公司對火泥縫的要求是，設計火泥縫為1.2 mm，最大不超過2mm；GB/50211-2004中，對高溫、有爐渣的爐內火泥縫的要求為不大于2.0mm。主要目的是為了防止灰縫過大，結構的密封性會變差。灰縫過大也會加大氣流熔渣對灰縫的沖蝕作用。國內某企業在砌筑過程中砌筑磚縫預留非常大，火泥縫的尺寸在5mm左右。在運行過程中，爐內氣流在襯里材料形成了回路，導致鋼殼的超溫。

2.2 膨脹縫處理不合理

在豎直式的氣化爐，如四噴嘴水煤漿氣化爐，shell渣油氣化爐內，由于豎直筒體的尺寸較大，在設置耐火材料時需要綜合考慮材料的膨脹量和托轉板的承壓能力。因此將豎直段分為幾段結構。耐火襯里在布置時，需要在兩段結構之間設置膨脹縫，以防止下部的材料膨脹時對上部的材料造成擠壓損毀。膨脹縫的位置處對應的是托磚板。托磚板是伸入襯里結構中的支撐構架。由于該位置距離爐內高溫區的距離比較短，容易出現較多的熱傳導。膨脹縫的處理尤為重要。國內某廠的渣油氣化爐，對超溫位置進行拆爐檢查時發現膨脹縫處理不合理，熱面磚、保溫磚、纖維材料貼合不密，存有一定空隙。空隙的存在導致熱量的傳出，該托磚板的溫度達到350℃。

針對施工過程中的火泥縫和膨脹縫不合理而導致的超溫問題，解決措施為在砌筑過程中加強施工前的技術交底工作，讓施工人員充分意識到每一步砌筑工作的重要性。同時加強砌筑過程中的質量巡查和監督工作，做好相關的隱蔽工程記錄。

3 操作工藝

3.1 氣化溫度過高

氣化溫度過高，會使得氣化爐襯里向火面上熔渣流失，結渣厚度薄，造成爐體直筒下部磚縫直接暴露于高溫氣流中，耐火磚較薄弱部位以及熔損大的部位因溫差應力導致不均勻膨脹，產生間隙裂紋，引起竄氣。

3.2 出渣口堵塞

陜西某企業氣化爐自2010年以來由于燃用高灰（高達25%）、高灰熔點（高達1380℃）煤，而且煤中SiO2含量較高，導致煤灰粘溫特性較差，投料后熔融的灰渣在爐內不易流動，在渣口處積聚，導致渣口堵塞。氣化爐正常運行時，燃燒室內熔融的灰渣在重力和合成氣的攜帶下一起離開燃燒室，由于煤質的大幅波動，導致爐壁掛渣增厚，熱電偶指示爐溫降低，此時若大幅提高爐溫，大量爐壁掛渣會瞬間被熔下堵塞渣口，不僅造成爐內氣流通道受阻，燃燒區域發生改變，而且導致流體在流動過程中的速度梯度改變，爐內熔渣在流動過程中所受的截切力變小，灰渣更不易流動和被帶走。

穩定煤種，穩定操作，避免氣化爐在運行過程中出現過大的溫度波動。根據壓差上漲趨勢正確判斷渣口積聚情況，靈活選用正常熔渣、減負荷熔渣、泄壓熔渣等熔渣方式，提溫熔渣過程要緩慢。

4 設備因素

4.1 燒嘴的因素

燒嘴在使用過程中受到高溫的燒蝕以及物料的磨損，在使用的壽命后期，燒嘴通道會出現較大的磨損，會導致物料的霧化角變大，磨損嚴重時會出現局部漏氧的情況出現。當霧化角變大時，火焰由原來的向下噴射變為擴散噴射，向四周擴散的火焰會帶來兩個負面作用。一是燃燒區集中在整個氣化爐的頂部，造成頂部襯里熱面過熱；二是火焰集中在上部會直接沖擊到氣化爐頂部的耐火磚，耐火磚被沖擊后，會因為磚體收到激烈的溫度波動，導致磚體熱震開裂掉塊。當磨損嚴重出現局部漏氧時，將會引起物料的偏流，氧氣富裕的區域形成富氧燃燒，產生很高的溫度，直接對耐火磚形成燒蝕，從而引起爐壁超溫。

4.2 爐殼因素

耐火襯里只起到阻隔熱的作用，沒有辦法起到密封的作用。當襯里材料內氣流屬于封閉氣的時候，其保溫隔熱效果沒有問題。但是當襯里材料的背襯產生了一個氣流通道，爐內的熱氣流通過通道，并在通道內形成與磚的熱交換，就會導致耐火襯里出現過熱現象。西部某企業渣口運行到一定時間后，錐底部出現了超溫現象，起初以為是耐火材料燒蝕導致，于是更換了全部的錐底耐火襯里。在重新開車時，發現錐底部分還是超溫。后來進行多方檢測，發現氣化爐筒身與錐部的焊縫處出現了一段小裂紋，正是因為小裂紋的存在，爐內的一部分氣流沒有經渣口向下流出，而是滲透磚層沿著裂紋竄出。熱氣流穿過了襯里結構，導致錐底部位的超溫。采取的措施是在裂紋處用鋼板進行補焊，阻隔氣流的通道，再次開車時超溫現象不再出現。

氣化爐爐殼，燒嘴等其他的配套設備出現問題時，也會造成耐火材料失效而超溫。只做耐火材料的工作是解決不了超溫現象的。需要對超溫處的其他影響因素進行分析，綜合判斷來解決超溫問題。

5 結語

引起氣化爐超溫的原因是多方面的，但主要的表現形式是起到保護作用的耐火襯里失效，從而導致熱量過多的傳導到爐壁。通過上述結構的設計，耐火襯里的施工，操作工藝的穩定程度，裝備的完整程度等方面，探尋引起氣化爐超溫的原因。針對不同的耐火襯里失效形式，采取相應的處理措施，保證襯里起到其應有的作用，實現氣化裝置的安全穩定長周期運行。