義馬綜能公司U-GAS氣化爐耐火襯里的優化策略

劉明忠

【摘 ?要】論文主要介紹河南能源義馬煤業綜能新能源有限責任公司使用的U-GAS氣化爐內襯耐火材料經過長時間開車運行，爐體表面出現多處過熱現象（溫度≥240℃），為解決該問題，確保裝置安全穩定運行，對U-GAS氣化爐設備襯里材料重新進行選型設計、制造、筑爐、烘爐等。論文以義馬綜能公司U-GAS氣化爐選用的博耐特磚為例，對其耐火襯里的設計選型及施工方法進行介紹，以期為今后的施工提供借鑒。

【Abstract】This paper mainly describes the refractory liner material of U-GAS gasifier used by Henan YMCIG-SES New Energy Company Limited after a long time of start-up and operation， there are many overheating phenomena on the surface of the furnace body （temperature ≥ 240 ℃）. In order to solve this problem and ensure the safe and stable operation of the unit， the paper re-designed， designed， manufactured， built furnace， oven and so on for the lining materials of U-GAS gasifier equipment. This paper introduces the design selection and construction method of the refractory lining of the U-gas gasifier selected by Yima comprehensive energy company as an example， so as to provide reference for the future construction.

【關鍵詞】U-GAS氣化爐;耐火襯里;澆注料;耐火磚

【Keywords】U-GAS gasifier; refractory liner; castable; refractory brick

【中圖分類號】TQ545 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）07-0192-02

1 概述

義馬煤業綜能新能源有限責任公司使用的U-GAS氣化爐，由美國SES提供氣化工藝包，東華設計院全面設計，張家港化工機械廠建造，氣化爐外殼是用鍋爐鋼板（16MnR）焊制的壓力容器，內襯耐火材料。耐火材料原設計使用澆注料的筑爐方式，經過長時間開停車運行，爐體表面出現多處過熱現象（溫度≥240℃）。為解決該問題，確保裝置安全運行，需要對U-GAS氣化爐設備襯里材料重新進行選型設計、制造、筑爐、烘爐等。施工界面為：U-GAS氣化系統內襯的襯里部位，具體是頂部橢圓封頭區域（1730mm）及下部斜插管道R1（？準560），更換內部原有的襯里材料及錨固釘附件，采用雙層襯里結構。

2 規范及標準

內襯設計及施工的各項技術要求必須符合國家現行有關標準。

3 結構設計

①U-GAS氣化爐反應器正常工作溫度為1050℃，殼體外壁設計溫度為100～130℃。具體設計如下：

第一，U-GAS氣化系統封頭口部位：A：耐熱層采用博耐特磚，襯里厚度為150mm（磚灰縫2mm左右）。B：隔熱層采用輕質澆注料，厚度為150mm。第二，U-GAS氣化系統封頭部位：A：耐熱層采用博耐特磚，襯里厚度為150mm（磚灰縫2mm左右）。B：隔熱層采用輕質澆注料，厚度為170mm。第三，U-GAS氣化系統封頭下口直段部位：A：耐熱層采用博耐特自流料，襯里厚度為150mm。B：隔熱層采用輕質澆注料，厚度為170mm。第四，錨固釘分別采用以下結構：（材質：06Cr25Ni20）Y形組合錨固釘S32（用于320mm雙層澆注料襯里）。筒體直段;Ω形錨固釘S170（用于170mm單層澆注料襯里）。橢圓封頭段：Ω形錨固釘S150（用于150mm單層澆注料襯里）。封頭上口：Ω形錨固釘S100（用于100mm單層澆注料襯里）。斜插管：R1。

②博耐特磚結構設計的優點如下：

第一，可避免在殼體上焊接固定件。第二，耐火磚四面帶有凹凸槽結構使磚與磚之間能緊密結合，提高了耐磨耐火層的整體性，并有效地隔絕爐內氣的滲透。第三，由于耐火磚已經經過1600℃高溫燒成，在裝置運行反應器鋼殼膨脹時耐火磚也會跟著膨脹，這樣會有效減小襯里裂紋，有效防止堿性氣體滲入襯里產生剝落[1]。第四，磚縫≤2mm，主要用于彌補磚在安裝時的不平整和縫隙。磚型采用四面榫卯結構，這樣能有效防止堿性氣體進入和含堿灰渣沖刷，有效地彌補膠泥填補縫隙后帶來的不穩定因素[2]。

4 磚縫設置

已知條件：反應器內部溫度為1050℃，筒體外殼溫度為130℃。設備固定支點在設備偏下部位（下部10.364m/上部20.1m）。根據設備材質Q345R在100℃時，該材料因溫度因素而膨脹，該材料熱膨脹系數為：12.2×10-6/℃，即100℃時其膨脹量為：1.22mm/m。

計算式：設備在外殼溫度為130℃時，其平均每1m膨脹量為：130℃×1.22mm/100℃=1.586mm。上部20.1m總長度的總膨脹量為：1.586×20.1=31.88mm，下部10.364m總長度的總膨脹量為：1.586×10.364=16.44mm。博耐特自流澆注料在815℃時，其重燒線變化率為：-0.2%，則博耐特自流澆注料在1050℃時磚的收縮量=-0.2×1050℃/815℃=-0.26%。上部20.1m總長度的總收縮量為：-0.26%×20.1×103=-52.26mm，下部10.364m總長度的總收縮量為：-0.26%×10.364×103=

-26.95mm。實際工況下按照安裝定位支點來計算的膨脹量：上部為31.88-（-52.26）=84.14mm，下部為16.44-（-26.95）=43.39mm。由此可得，在上部20.1m總長內可以設置8層支撐墊板，其每一層的預留量為10mm。在下部10.364m總長內可以設置4層支撐墊板，其每一層的預留量為10mm。整個上部在高度方向上需要設置12層支撐墊板，預留膨脹伸縮縫是12道，預留量為10mm，支撐墊板間距為2500mm。

上部圓體直徑為？準3960mm，下部圓體直徑為？準2800mm。則上部圓周線上收縮量為-0.26%×3960×π=-32.35mm，而下部圓周線上收縮量為-0.26%×2800×π=-22.87mm。根據計算要求對上、下部徑向方向做完襯里后進行伸縮縫切割，切割灰縫規格：深度為20～30mm;寬度為2～3mm，符合SH/T 3115—2000標準即可。上部圓體切割預計為10道，下部圓體切割預計為7道。切割伸縮縫其目的是防止澆注料因受熱而引起局部收縮不均勻;如果沒有預留切割縫，非常容易造成貫穿性裂紋，一旦滲透侵蝕澆注料就會導致裂紋增大，造成殼體外部熱點。

建議在做澆注料施工中加入少量的耐高溫不銹鋼弓形鋼纖維，以便增加相互間的銜接強度。

5 博耐特自流料及磚材料技術指標

5.1 博耐特自流料

體積密度2.7～3.0g/cm3;

耐壓強度110℃×24h≥65MPa，815℃×3h≥65MPa;

抗折強度110℃×24h≥8MPa，815℃×3h≥8MPa;

Al2O3≥86%;

CaO≤10%;

Fe203≤0.3%;

膨脹系數7.9×10-6/℃-1。

5.2 博耐特磚

體積密度2.7～3.0g/cm3;

耐壓強度≥110MPa;

抗折強度≥12MPa;

Al2O3≥88%;

CaO≤10%;

Fe2O3≤0.3%

膨脹系數7.8×10-6/℃-1。

6 施工流程工藝

①流程：施工準備→錨固釘、筋版焊接并清渣→博耐特自流料施工→博耐特磚砌筑→輕質澆注料施工→工程驗收→烘爐→生產投運。

②施工現場環境溫度必須在5～40℃，施工最佳溫度為15～30℃。當溫度低于5℃時，需采取保暖措施，可采用電加熱或蒸汽加熱。襯里材料自然養護時間為3～5天。

③砌磚主要控制項目標準。

墻面垂直度允許偏差<2mm/m，<10mm/全高;

磚內表面偏心度允許偏差R：±3mm;

封頭磚內表面半徑公差允許偏差<5mm，R：±5mm;

膨脹縫厚度偏差的允許偏差+2mm，-1mm。

7 結語

①U-GAS氣化爐使用耐火磚后的隔熱效果顯著，從生產運行角度來講，滿足現行1.2MPa壓力氣化爐運行的安全需要。②U-GAS氣化爐作為循環流化床氣化爐中的典型代表，其1.2MPa的運行壓力，介于高壓氣流床與常壓流化床之間，造成耐火內襯選擇的無法確定性，然而耐火磚為其耐火內襯提供了可選擇性。③耐火磚較現行常規的澆注料襯里結構來說，有明顯的優越性，但平方米內價格較高，推廣難度較大，根據當前的價格評估，耐火磚的價格一般在澆注料的2.5倍左右。④耐火磚在該次U-GAS氣化爐上的應用，系耐火磚在循環流化床氣化爐中的首次應用，對國內內襯技術的發展有著重要的驗證意義。

【參考文獻】

【1】郝守昌.新型氣化爐耐火材料有關問題的探討[J].中國化工貿易，2013，40（08）：116-117.

【2】郭文元，費名儉，王輔臣.氣化爐拱頂耐火隔熱襯里層傳熱關鍵影響因素分析[J].大氮肥，2011，34（04）：229-233.