水煤漿氣化爐耐火材料的選擇及延長使用壽命的措施

王洪營，楊悅敬，王志剛

(1.河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700；2.中石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

水煤漿氣化技術(shù)具有環(huán)保性能好、生產(chǎn)穩(wěn)定性好、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單及投資低等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的煤氣化技術(shù)之一[1-2]。氣化爐是水煤漿氣化技術(shù)的核心設(shè)備，目前，氣化爐的內(nèi)襯有耐火磚及水冷壁兩種形式，耐火磚具有熱效率高和技術(shù)成熟等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于水煤漿氣化技術(shù)。耐火磚材料的微觀結(jié)構(gòu)和耐侵蝕性等指標(biāo)直接決定了氣化爐的操作穩(wěn)定性及使用壽命，影響水煤漿氣化質(zhì)量和效率[3]。

1 水煤漿氣化爐耐火材料的選擇

水煤漿加壓氣化技術(shù)工況條件較為苛刻。首先，氣化爐內(nèi)燃燒室溫度最高超過1 400 ℃，操作壓力最高可達(dá)8.7 MPa；其次，氣化爐內(nèi)存在的強(qiáng)還原氣氛和高溫環(huán)境，對氣化爐內(nèi)襯耐火材料會造成侵蝕影響；最后，液態(tài)熔融態(tài)排渣時伴隨著固、液、氣三相高速沖刷，開停車過程中存在溫度和壓力的劇烈變化。滿足以上工況條件均需要高質(zhì)量的氣化爐耐火材料。

氣化爐爐內(nèi)的溫度一般要高于爐渣的熔點(diǎn)，故爐內(nèi)爐渣以液態(tài)形式存在，隨著高速氣流沿爐內(nèi)壁下行，一部分液態(tài)熔渣沉積在爐壁上，另一部分從渣口排出。由于液態(tài)渣在沖刷爐襯耐火材料的同時，還與爐襯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而侵蝕爐襯，因此要求爐襯耐火材料須具備較高的抗沖刷能力和抗侵蝕能力。

由于爐內(nèi)高溫高壓的工況環(huán)境，因此要求耐火材料須具備優(yōu)良的抗高溫蠕變性能?？垢邷厝渥冃阅苁悄突鸩牧系闹匾u價(jià)指標(biāo)。優(yōu)良的抗高溫蠕變性能可保證爐襯用耐火材料在較長使用時限內(nèi)不發(fā)生表皮破壞現(xiàn)象。

綜上所述，爐內(nèi)耐火磚需滿足以下性能要求：優(yōu)良的抗熔渣侵蝕性能；高的熱態(tài)強(qiáng)度；優(yōu)異的高溫體積穩(wěn)定性。因此，根據(jù)氣化爐內(nèi)的工況特點(diǎn)，耐火磚的選擇包括向火面磚、背襯磚、隔熱磚、鉻鋼玉澆注料和可壓縮纖維層料等5種材料。

1.1 向火面磚

由于Cr2O3的二面角較大，與煤熔渣不發(fā)生潤濕作用，可最大程度降低熔渣的侵蝕和滲透；同時，由于煤熔渣可直接接觸向火面，對耐火材料性能要求最為苛刻，故水煤漿氣化爐向火面磚須選用高性能的90鉻鋁鋯磚(俗稱高鉻磚)。高鉻磚的制備過程：以純度不低于99%的Cr2O3電熔合成材料為主，再加入一定量的超細(xì)粉，通過混碾、成形及高溫梭式窯中燒制等工藝過程。高鉻磚物理化學(xué)性能特點(diǎn)為體積密度大、氣孔率低、常溫耐壓大、氧化鐵和氧化硅等雜質(zhì)含量低等，具備良好的熱穩(wěn)定性和抗高溫侵蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 背襯磚

向火面磚背后即為背襯磚，12鉻剛玉磚常溫強(qiáng)度很高，抗腐蝕性氣體侵蝕性能優(yōu)良，主要起到支撐向火面耐火材料的作用，同時也能抵抗高溫條件下腐蝕性氣體的侵蝕。

1.3 隔熱磚

背襯磚之后即為隔熱磚，一般選用氧化鋁空心球磚作為隔熱磚，其導(dǎo)熱率低，保溫隔熱效果好，可有效減少氣化爐的熱損失，降低能耗；同時，氧化鋁空心球磚在常溫、高溫條件下均具備較高的強(qiáng)度，材質(zhì)輕且雜質(zhì)含量極低，具備優(yōu)異的抗侵蝕及抗熱應(yīng)力性能[4]。

1.4 鉻剛玉澆注料

鉻剛玉澆注料主要用于氣化爐的球頂及錐底部分，具有良好的整體性及易施工等優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)遇到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工時，使用鉻剛玉澆注料不僅方便快捷，而且節(jié)省工時。另外，鉻剛玉澆注料由于抗氣體侵蝕性強(qiáng)、體積密度大及氣密性好，因此能夠大大增加氣化爐的使用壽命。

1.5 可壓縮纖維層料

由于可壓縮纖維層料的容重小且熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，故具備優(yōu)異的保溫絕熱性能，同時可有效降低里層耐火材料高溫條件下的徑向膨脹作用[5]。另一方面，壓縮纖維層料施工非常便利，可節(jié)約制造成本。

氣化爐用耐火材料主要特點(diǎn)見表1。

表1 氣化爐內(nèi)襯用耐火材料特點(diǎn)

2 影響耐火材料的主要影響因素

煤氣化裝置中的環(huán)境特點(diǎn)：高溫、高壓、操作波動及煤渣等的侵蝕。采用高鉻耐火材料的耐火磚在不同工況和不同煤質(zhì)條件下使用壽命不同。影響耐火磚壽命的因素：

(1)原料煤種。煤渣侵蝕程度隨著煤渣成分不同而各異；

(2)操作溫度；

(3)火焰撞擊和氧化還原氣氛；

(4)穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的操作條件(如高頻率地開爐和停爐)；

(5)操作壓力和侵蝕。

煤渣侵蝕是決定耐火材料性能的關(guān)鍵因素，煤灰組分對耐火磚的侵蝕情況見圖1。由圖1可看出，煤渣向耐火材料內(nèi)部滲透與鉻的氧化物發(fā)生反應(yīng)。在滲透和反應(yīng)方面，SiO2和CaO滲入耐火材料內(nèi)部，而FeO則僅在界面處反應(yīng)堆積。

圖1 煤渣組分對耐火磚的侵蝕情況

上述侵蝕結(jié)果表明， SiO2更傾向于向材料內(nèi)部進(jìn)行深度滲透而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； FeO主要在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Fe(Cr,Al)2O4尖晶石，而不會進(jìn)一步向材料內(nèi)部進(jìn)行深度滲透；而CaO的滲透作用與化學(xué)反應(yīng)過程則介于 SiO2和 FeO之間。

3 提高耐火材料使用壽命的措施

3.1 增加Cr2O3比例

氣化爐爐渣主要含有CaO,SiO2,MgO,Al2O3及Fe2O3等多種氧化物。氧化物與爐渣中的多種金屬氧化物相比，Cr2O3的溶解度最小，表明Cr2O3具有一定的抗?fàn)t渣侵蝕能力。另一方面，Cr2O3可與爐渣中的Al2O3,Fe2O3及MgO反應(yīng)轉(zhuǎn)化為復(fù)合尖晶石(Mg,Fe)O·(Al,Cr,Fe)2O3，形成一層致密的保護(hù)層，可以有效防止?fàn)t渣的進(jìn)一步侵蝕。因此，通過增加Cr2O3比例可提高抗侵蝕性能。

隨著爐渣中CaO含量的增加，鉻鋁鋯耐火材料的抗侵蝕能力下降，在爐渣CaO含量相同的條件下，Cr2O3含量高的鉻鋁鋯材料抗侵蝕性能較好。

3.2 相變增韌技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)操作時，氣化爐爐內(nèi)溫度會因各種原因發(fā)生較大的波動變化，這就要求耐火材料須具備較高的抗熱沖擊性能，即高的熱震穩(wěn)定性。通過四方晶型ZrO2和單斜晶型ZrO2之間的晶相轉(zhuǎn)變，利用ZrO2相變增韌原理，結(jié)合晶相轉(zhuǎn)變時3%～5%的體積效應(yīng)，ZrO2顆粒周圍可形成大量微裂紋，進(jìn)而緩解溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，改善制品的抗熱沖擊能力，提升制品的熱震穩(wěn)定性。

3.3 減小氣孔孔徑

溫度在1 400 ℃以上時，氣化爐爐渣呈液態(tài)，同時還處于2.0～8.5 MPa的高壓環(huán)境，迫使?fàn)t渣通過爐體氣孔通道滲透至耐火材料內(nèi)部，加劇耐火層整體結(jié)構(gòu)的破壞。在耐火磚的生產(chǎn)過程中，可通過添加一定量的超細(xì)粉，最大程度地填充耐火材料顆粒之間的空隙，進(jìn)而減小耐火磚的氣孔孔徑，減少爐渣熔體的滲透，提高耐火材料抗?fàn)t渣滲透及侵蝕的能力。同時，低的氣孔率可有效提高和改善耐火材料力學(xué)強(qiáng)度和抗沖刷磨損性能。

3.4 添加燒結(jié)合成料

由礦相組成理論可知：通過電熔合成材料制得的制品具有較大的體積密度、較小的蠕變率及優(yōu)異的高溫抗?fàn)t渣侵蝕性能等特點(diǎn)；而通過燒結(jié)合成材料制得的制品具有較好的耐剝落性能、易燒結(jié)及高的力學(xué)性能等特點(diǎn)。因此，制品制備過程中以電熔合成材料為主，添加適量的燒結(jié)合成材料，可揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮2種合成材料的優(yōu)勢，不僅改善耐火材料的燒結(jié)性能，同時也提升耐火材料的抗沖刷磨損性能和耐剝落性。

爐渣中鈣硅比的高低，是影響氣化爐內(nèi)襯耐火材料使用壽命的關(guān)鍵因素之一。鈣硅比越高，耐火材料抗渣的侵蝕性越差，使用壽命越低；鈣硅比越低，耐火材料抗渣的侵蝕性越好，使用壽命越高。

4 結(jié)束語

水煤漿氣化爐耐火材料必須具有高的抗熔渣沖刷和侵蝕能力以及良好的抗高溫蠕變性能。耐火材料在氣化爐內(nèi)主要經(jīng)受高溫、高壓、操作波動以及煤渣的侵蝕。通過提高耐火材料的Cr2O3含量，采用相變增韌技術(shù)、氣孔微細(xì)化技術(shù)和添加燒結(jié)合成原料等可提高耐火材料的抗侵蝕性能以及耐高溫性能。