氣化爐爐磚質量管控的資源投入與過程監測探討

婁興敏

（神華工程技術有限公司，北京 100011）

1 氣化爐爐磚質量管控的難點和意義

水煤漿氣化技術是國內采用較多的煤氣化工藝，該技術的應用核心設備為水煤漿氣化爐。在生產使用過程中，氣化爐內壁處于高壓高溫的工況，同時受到氣流的沖刷、熔渣的侵蝕和高溫不穩定造成的熱應力損毀，在這種情況下，合格的氣化爐內壁質量是項目建設過程中必須要達到的要求。當前水煤漿氣化爐的內壁爐磚主要是高鉻材料，成分以Cr2O3為主，典型的爐磚結構可分為4 層，分別為熱面磚、背襯磚、隔熱磚和纖維涂抹料，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 典型氣化爐內壁爐磚結構示意圖

多層爐磚耐火材料的選擇主要要考慮生產運行期間的穩定性，既要抗高溫、有足夠的抗蠕變強度，還要耐侵蝕，高溫下有良好的化學穩定性，所以在不同氣化技術和煤種條件下的耐火材料結構形式多有不同，但總體來說結構層數均較多，這就給筑爐質量管控帶來了一定難度。

作為水煤漿氣化裝置核心關鍵設備的氣化爐，設備結構通常分為反應室和激冷室上下兩部分。反應室的正常工作溫度在1 300℃～1 600℃，壓力在2.0 MPa～8.5 MPa，主要反應物質為C 和H2O，通過裂解和氧化產出H2和CO（粗煤氣），同時還有若干比較復雜的化學反應，所有反應結束后煤渣通過下降管落到下方激冷室中，經水洗通過連接鎖斗有序排出。

氣化爐外在體型龐大，爐磚砌筑工作需要氣化爐進場后方能開展，受限空間下人員出入相對困難，需要搭設直梯從激冷室下降管中攀爬到爐膛內，給過程監測帶來一定不便。

盡管在氣化爐投用前有著烘爐這一關鍵過程，烘爐結束后也可以再次對爐膛質量進行檢查，但受制于烘爐結束后距離裝置投料時間較短，而且即便有一定的質量瑕疵，只要不影響首次投用，造價成本較高的爐膛在短時間內也不具備整改條件，所以氣化爐筑爐和烘爐前期的資源投入和過程監測尤為重要，要保證一次成功率。

本文嘗試根據某實際案例（某大型煤化工裝置）氣化爐筑爐和烘爐中資源投入和過程監測的具體要求，分析研判該案例氣化爐筑爐過程中的必要因素，為類似工程建設提供一定參考。

2 烘爐過程質量管控的資源投入與監測

2.1 案例項目概況

案例項目為某大型煤化工裝置，其中氣化裝置采用GE 水煤漿氣化工藝，氣化爐于2019 年中制造完成到場，2020 年中開始筑爐，同年8 月份開始烘爐，年底完成投料，一次投產成功。

烘爐的主要目的有兩個，一是去除耐火材料中的吸附水和結晶水，二是檢驗筑爐耐火材料和筑爐質量，以防爐磚在生產運行過程中出現開裂情況。

為防止在第一次烘爐過程中因溫度過高引發爐磚不必要的開裂，本次烘爐恒定溫度設為800 ℃，為正常工作溫度的2/3 左右，因為烘爐持續時間在15 d～20 d，所以這個較低的烘爐曲線設定有利于較好地把控溫度，有效降低了烘爐過程中的斷火風險，后來的烘爐過程和最終效果也驗證了這點。

2.2 烘爐方案

該裝置共設置5 套氣化爐，采用3 開2 備，分為兩個系列。烘爐方案根據兩個系列的投用順序分別選用了大循環和小循環兩種方案，大循環與小循環的差別主要是氣化爐下部激冷室中預熱水的循環流程不同。其中，大循環流程為：灰水槽—低壓灰水泵—激冷水過濾器—氣化爐—渣池—渣池泵—真空閃蒸罐上段—真空閃蒸罐下段—沉降槽給料泵—沉降槽—灰水槽；小循環流程為：渣池—渣池泵—臨時跨線—激冷水過濾器—氣化爐—鎖斗—渣池。

兩種方案參與的設備不同，后者能使系統在短時間內較快地具備投用條件，前者則能帶動更多工藝流程內的設備，在完成烘爐工序的同時可以檢驗更多設備的性能，包括動設備等。需要注意的是烘爐過程中預熱水溫度應不超過80 ℃，所以對小循環流程的預熱水要采取必要的室外冷卻措施，如將渣池內的水通過地溝引入其他水池等。

對處于氣化爐反應室內的爐磚來說，兩種方案沒有差別，都是通過預熱燒嘴將燃料氣引入爐膛內進行燃燒以提供熱源，從而達到烘爐曲線。同樣需要注意的是烘爐過程中要做好溫度保持，如有中斷，需重新計算該溫度曲線下的烘爐時間。

2.3 烘爐效果

該裝置烘爐過程較為順利，在烘爐結束后打開人孔再次進入爐膛逐臺檢查，4 臺氣化爐部分耐火材料表面有細微裂縫，1 臺氣化爐的熱面磚有表層局部脫落情況。

在CO 和H2強還原氣氛、高溫環境中，盡管爐渣會與高鉻磚反應生成脫鋯層和尖晶石相以保護爐磚，但在爐溫降低時，爐渣（尤其是高鈉渣和高堿渣）尖晶石相中的二價鉻會被氧化成三價鉻，從而在反應層處形成FeCr2O4，對滲入磚內的爐渣無法起到阻礙作用，這樣的氣氛和長期作用，會對熱面磚形成滲透和沖蝕，從而進一步降低其使用壽命[1]。通常來說，氣化爐筒體處的耐火材料使用壽命不小于12 000 h，拱頂處為15 000 h，錐底處為6 000 h，渣口處為4 500 h。此處的使用壽命主要是指向火面的熱面磚，對起支撐作用的背襯磚和隔熱作用的隔熱磚則一般情況下不更換。

基于如上的研究結果和壽命保證期，對有表面細微裂縫的熱面磚可以不做處理，但對表層脫落的情況要予以同材料修補[2]。

2.4 小結

通過對比其他裝置同樣工藝的氣化爐烘爐后效果，該裝置烘爐較為成功，未出現因筑爐前期遺留質量隱患導致耐火材料重新砌筑的最不利情況，避免了重大經濟損失風險。

烘爐的方案選擇是該工序最重要的資源投入控制，務必要確保流程的貫通和方案的執行，做好溫度監控。

3 筑爐過程質量管控的資源投入與監測

筑爐與烘爐存在一定的時間關系，在筑爐結束后一段時間內應開始烘爐工作，這個經驗時間段數據跟裝置所在地理區域和項目建設季節存在一定關系。通常來說，筑爐和烘爐之間不能有太長的時間間隔，尤其是不能有劇烈的溫度變化，如夏季筑爐冬季烘爐，這種情況將會給爐膛質量造成一定隱患。

在控制筑爐工作環境的同時，還要做好人員、材料和方法的資源投入和過程監控。在該裝置筑爐工作實際開展前1 年即提前進行了質量策劃，包括質量目標、專業分包、隊伍選擇、材料控制和技術方案等，明確了管理目標、工期安排、投入資源、負責人和評價方式。

在工期安排上，應綜合考慮中交投產節點和烘爐持續時間來安排確定筑爐隊伍進場時間，可在招標方案上明確兩個系列同步砌筑的要求。在專業分包和隊伍選擇方面重視業績和口碑，選擇國內一流的專業設計團隊和施工團隊，并提前半年進行技術方案的對接，以充分貫徹專利技術商對爐膛尺寸的要求。對高鉻磚這種重金屬材料，因成本費用較高，更要嚴格把關原材料的檢驗[3]。

3.1 磚體尺寸設計

對水煤漿氣化爐反應室來講，有4 個尺寸比較重要：筒體內徑、錐體高度、錐體斜度、拱口高度，這些尺寸會直接影響到爐內反應效率，進而影響到投產負荷。為確保達到專利商要求的尺寸，所有磚數均要提前排出尺寸，包括磚的高度、層數、形狀等，耐火磚的制作要嚴格按預排尺寸進行，對關鍵部位的成型耐火磚還要進行預砌。尺寸設計和預砌均要在廠家完成，確保到場的磚體能嚴絲合縫地完成整體砌筑。

3.2 磚體砌筑要求

施工環境溫度宜保持在10 ℃～30 ℃，筑爐施工前要清除氣化爐內壁的浮銹等雜物，在砌筑之前要按照現行有關耐火磚標準里的尺寸偏差要求對熱面磚、背襯磚及隔熱磚進行外觀檢查，清除所有不合格磚。

耐火磚形狀是根據氣化爐的內徑要求設計的，故砌筑時應在圖紙規定的地方切割加工，如需額外切割加工必須經廠家設計同意，切割后的磚不能少于最初尺寸的一半。

每種類型的耐火磚必須用相匹配的耐火泥來砌筑；干、濕耐火泥不能相混，耐火泥要求攪拌均勻，泥桶、砌刀、攪拌器都不能被其他東西污染，泥漿固化后不得用敲打的方法來修正砌體質量的缺陷，如要修正，必須重新涂抹耐火泥砌筑。

耐火磚砌筑過程中，要檢查每層砌體水平度、各環形磚內徑是否與圖紙相符及是否同心于爐中心線，發現有偏差隨時調整，還應經常檢查磚層的高度，使磚層保持在合理的范圍內。所有的環形磚采用交錯砌筑，層與層采用內層低外層高階梯次序錯層砌筑。

砌筑過程中，建議在氣化爐內壁上分別作出隔熱磚及背襯磚的最高水平位置，作為與拱頂磚砌筑時的參照。

同時要注意熱電偶貫入磚（橢）圓孔的方向，因氣化爐運行時耐火磚是整體向上熱膨脹的，若熱電偶位于孔的下部，氣化爐運行時會將熱電偶切斷，所以砌筑時熱電偶應位于孔的上部，其上表面距孔頂部5 mm。

3.3 砌筑過程監測

必須要對所有磚體進行外觀檢查，及時排除尺寸偏差大于1.2 mm、裂紋大于0.3 mm 的不合格磚體；對水質要進行氯離子含量的測量，其質量濃度不能超過25 mg/L，同時pH 值宜在6.5～7.5。

要求所有砌體都采用擠漿法施工，所用灰縫泥漿應飽滿，泥漿飽滿度≥96%。背襯磚、熱面磚灰縫軸向寬度1 mm，環向寬度1.2 mm，隔熱磚灰縫寬度≤2 mm。

要求膨脹縫的結構、分布及數值應嚴格按廠家設計規定執行，其寬度允許偏差+5 mm～-1 mm，留設的膨脹縫應均勻平直，縫內不得夾雜有泥漿等異物。

為確?？缮炜s量的控制，可以在熱面磚與背襯磚及背襯磚與隔熱磚之間鋪貼一層厚度2.0 mm～3.0 mm的可燃材料，該材料在烘爐過程中會因燃燒而留下足夠的膨脹間隙，可以有效減少爐磚脹裂概率。

因砌筑順序為先筒體，后拱頂，最后為錐體，所以筒體下方要設置托磚板，在托磚板上部鋪貼厚度6 mm的纖維紙，其所有支撐筋板均需用厚度6 mm 的纖維紙包裹，做到砌筑過程中的成品保護。

為嚴格控制半徑誤差和水平度誤差，砌筑現場應制作測量桿，每根測量桿的長度應視襯里后的爐內半徑而定。半徑誤差測量時，測量桿的一端與爐墻的垂直表面接觸，另一端剛好擦過垂直中心線；水平誤差測量時，應將測量桿平放在砌體上表面，并緊靠中心線，測量桿上放置水平尺，以此檢查水平誤差。

在砌筑前的各項準備工作到位、技術交底完成、每位操作人員都明確砌筑要求后方能動工，同時砌筑第一排磚，尤其是對其水平度要嚴格檢查。因為砌筑的重要性，對該工序要求各方務必加強巡檢力度。

3.4 小結

該裝置氣化爐的砌筑過程重點管控在資源投入方面和事前事中控制方面，從原材料進場開始即安排專人全程負責。盡管砌筑過程需要每天攀爬高度11 m以上的直梯進入不斷抬升的作業面，但總體質量把控較好，工期和質量均得到了有效保證，為后期烘爐和投料成功奠定了基礎。

4 結 語

氣化爐爐磚的質量控制重在對資源投入的事前事中監控，包括人員、材料、方法和環境的有效把握，技術方案的提前對接，專業分包的合理選擇，材料進場時的驗收，爐磚砌筑過程中的尺寸監控，烘爐過程中的溫度監測等，只有做好如上工作，方能切實保證氣化爐爐磚質量和最終的烘爐效果，為生產投料提供一個合格的初始氣化爐爐膛。