摻燒石油焦對耐火磚的影響

楊 路

(中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 惠來 515200)

氣化爐燃燒室內(nèi)襯向火面磚、背襯磚、隔熱磚三層保溫材料，可有效地隔絕高溫氣體對反應器殼體的威脅。氣化爐燃燒室內(nèi)反應劇烈，耐火磚受到高溫氣體的沖刷，不斷磨損、減薄,正常運行期間腐蝕速率為0.02mm/d。但在煤種發(fā)生異常時,耐火磚的侵蝕速率會大大加劇,特別是在摻燒石油焦后,氣化爐耐火磚侵蝕加劇，嚴重制約了氣化爐的安全、穩(wěn)定運行。

1 耐火磚掛渣減薄導致爐壁易超溫

正常情況下,在耐火磚的表面上會形成一層固態(tài)的渣膜，用來隔絕熔融狀的渣以及高溫氣體對耐火磚的侵蝕。首先，煤漿進入氣化爐后,和氧氣進行燃燒以及氣化反應，生成以CO和H2為主要組分的水煤氣，經(jīng)過反應后,剩余的大部分灰分以及很少一部分殘?zhí)寂鲎驳侥突鸫u表面,并被耐火磚壁面所捕獲。煤灰中的MgO、Fe2O3、Al2O3會與Cr2O3相結(jié)合形成致密的尖晶石，這便是固態(tài)渣膜。由于遠離耐火磚灰渣的溫度進一步升高，靠近渣膜外層的灰渣逐漸呈熔融狀向下流動，最終排出氣化爐燃燒室。由于渣膜的存在，隔絕了高溫煤氣以及高溫熔渣的滲透，加之背襯磚、隔熱磚的作用,氣化爐的爐壁溫度維持在～230 ℃，后期隨著耐火磚的減薄,爐壁溫度會逐漸升高，一般爐壁溫度<300 ℃即可維持運行。

在全煤工況運行期間,氣化爐爐壁溫度未發(fā)生異常，但在摻燒石油焦后,氣化爐爐壁溫度略有上漲。當石油焦的摻燒比例>30%時，發(fā)生數(shù)次壁溫超過300 ℃的現(xiàn)象。分析認為,造成壁溫升高的原因在于以下幾點:①石油焦的反應活性較差,為了維持氣化爐溫度以及提高石油焦的反應活性,必須維持較高的氧煤比,以此來提高氣化爐的操作溫度，這是壁溫升高的客觀條件;②由于石油焦的摻燒比例高,導致爐內(nèi)灰分少，造成爐壁掛渣減薄(見圖1)。

圖1 耐火磚局部掛渣情況

通過檢查氣化爐內(nèi)的耐火磚發(fā)現(xiàn),在氣化爐的耐火磚上有部分耐火磚完全沒有掛渣，且有些掛渣的地方未形成渣膜，而有些耐火磚上掛渣呈多孔狀,并沒有形成一定厚度的渣膜。其主要原因在于石油焦的摻燒比例,當石油焦中的灰分相對較低時，雖然可減少對耐火磚的侵蝕，但是在實際運行過程中發(fā)現(xiàn),摻燒石油焦后,在氣化爐的耐火磚上不足以形成足夠厚度的渣膜，有部分耐火磚暴露在高溫的氣化爐反應體系中(見圖2)。而耐火磚的灰縫是最薄弱的環(huán)節(jié)，灰縫的耐火泥會在氣流的卷吸過程中被沖刷干凈，磚縫最先暴露在環(huán)境中，高溫水煤氣會沿耐火磚的磚縫竄入，導致爐壁超溫。在處理爐壁超溫時,多次采用大幅降低氣化爐反應溫度的措施，使灰渣重新掛渣，這也間接證明了導致爐壁超溫的主要原因就是石油焦的摻燒比例過高、磚縫暴露、氣流反竄。

圖2 耐火磚局部侵蝕情況

而且,石油焦灰渣中除了含大量SiO2、CaO 和Fe2O3外，還含有相當多的侵蝕介質(zhì),即釩的氧化物(主要V2O5)，檢測顯示其含量達到4.5%(w)。V2O5的熔點僅670 ℃，與Cr2O3共存時，最低共熔溫度665 ℃。在氣化工況下，失去渣膜保護,暴露在氣化環(huán)境體系中的耐火磚很容易被熔蝕。

結(jié)合實際情況發(fā)現(xiàn)，在石油焦的摻燒比例超過40%時,容易發(fā)生爐壁超溫現(xiàn)象，運行不穩(wěn)定。摻燒比例為30%時,雖然爐壁溫度較全煤工況略有上升，但是通過初步計算可知，30%摻燒比例較全煤工況下產(chǎn)氣量略多。綜合考慮，在摻燒石油焦時應嚴格控制摻燒比例<30%，避免磚縫竄氣現(xiàn)象的發(fā)生。

2 摻燒石油焦導致耐火磚侵蝕加劇

摻燒石油焦后,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率逐漸下降，在全煤工況下氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率僅有98%，在摻燒石油焦(細灰不回燒工況)后,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率由全煤工況下的98%降至94%，且隨著摻燒的比例>30%，碳轉(zhuǎn)化率下降至90%以下。當碳轉(zhuǎn)化率<88%，氣化爐的壁面捕捉效率明顯下降。雖然爐壁的捕捉效率下降，但是氣化爐壁面捕捉的殘?zhí)碱w粒較正常工況下略有升高，被捕捉的殘?zhí)碱w粒便會消耗氧氣，降低耐火磚表面處的氧氣分壓。

通過進爐觀察發(fā)現(xiàn)，此種侵蝕情況多發(fā)在一次反應區(qū)，即燒嘴室上部蔓延至拱頂處，此處位于氣化反應的一次反應區(qū)。氣化反應的一次反應區(qū)屬于燃燒反應區(qū)，該區(qū)域溫度較高，火焰溫度達到2 200 ℃，灰渣在此流動性較好，且反應劇烈，熔渣不易形成穩(wěn)定渣膜。同時還發(fā)現(xiàn),氣化爐A的情況較氣化爐B的情況嚴重。

正常情況下,煤熔渣內(nèi)的Fe2O3被殘?zhí)歼€原成FeO，與渣中的MgO、Al2O3一起滲入耐火磚中，耐火磚中的Cr2O3、Al2O3反應形成Mg-Al-Cr-Fe復合尖晶石致密層,從而實現(xiàn)“以渣抗渣”。但是在本裝置上,由于石油焦摻燒比例過高,導致碳轉(zhuǎn)化率低，使熔渣中含有大量的未反應完全的碳元素。過量的碳元素導致了耐火磚孔洞性侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)所觀察到的耐火磚侵蝕情況，結(jié)合裝置運行期間的工藝參數(shù)分析可知,導致耐火磚孔洞性侵蝕的原因主要有以下幾方面：①在本裝置氣化環(huán)境體系中,由于氧氣分壓極低,氣化爐熔渣中的Fe2O3被還原成單質(zhì)Fe，不能形成Mg-Al-Cr-Fe復合尖晶石，失去穩(wěn)定的渣膜,這就導致反應后的融渣直接對耐火磚的表面進行侵蝕；②正常情況下,氣化爐內(nèi)氧氣分壓為10-8～10-10MPa，但是本裝置存在大量未反應完全的殘?zhí)?會進一步降低氣化爐體系環(huán)境中的氧氣分壓，使得Cr2+的形成變?yōu)榭赡埽墼?/p>

的Cr2O3被還原成單質(zhì)Cr并從熔渣中析出，使高鉻材料中的Cr2O3在渣中溶解-還原-析出,循環(huán)不斷進行，高鉻材料被熔渣嚴重侵蝕；③在此種氣氛環(huán)境中,未反應的殘?zhí)寂c耐火磚接觸后,易反應生成鉻的碳化物，造成耐火磚表面鼓泡。分析運行數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn),導致氣化爐A較氣化爐B情況嚴重的主要原因是氣化爐A摻燒石油焦運行的時間長達2個多月，而氣化爐B摻燒石油焦運行的時間不足1月。

本裝置耐火磚孔洞性侵蝕的主要原因是耐火磚上含有過量未反應的殘?zhí)迹斐审w系氧氣分壓極低，進而誘發(fā)耐火磚孔洞性侵蝕。要從根源上解決耐火磚的孔洞性侵蝕,還應從提高碳轉(zhuǎn)化率方面著手，提高氣化爐反應溫度，保證碳轉(zhuǎn)化率>95%，同時適當提高氣化爐的操作壓力,延長物料的停留時間，盡可能提高碳轉(zhuǎn)化率。

3 結(jié)語

通過對數(shù)次超溫期間的運行數(shù)據(jù)以及耐火磚侵蝕情況進行分析，可知要保證耐火磚使用壽命的措施包括以下幾點：①在氣化爐低負荷運行時,盡可能減少石油焦的摻燒比例，條件允許的情況下盡可能保持全煤工況運行，以此保證在氣化爐低負荷運行時,耐火磚表面可以形成足夠厚度、均勻的渣膜;②在氣化裝置高負荷運行時,控制石油焦的摻燒比例不大于30%，同時還應保證氣化爐操作溫度大于煤灰熔點溫度50～100 ℃,使其碳轉(zhuǎn)化率>95%，避免產(chǎn)生極低氧分壓條件下耐火磚的侵蝕;③在保證裝置安全運行的前提下，盡可能提高氣化爐的運行壓力，延長物料停留時間，提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率。