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淺析氣化爐耐火磚的蝕損機理與爐溫操作思路

文檔作者：張永，李玉成，鄭學鵬，張奇，李東江文檔來源：山東華魯恒升化工股份有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月12日
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翟14毛生月。 土4。／．舷 Apr．2014 2014年4月 支 舷 Anr 20】4第37卷第2期 Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry voij7 No．2。淺析氣化爐耐火磚的蝕損機理與爐溫操作思路張永，李玉成，鄭學鵬，張奇，李東江(山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州253024)摘要：參照氣化爐的運行工況和爐磚、灰渣的化學成分，分析耐火磚的熱態(tài)微觀變化，總結耐火磚在使用過程中產生蝕損的幾種形式，提出延長耐火磚使用壽命的建議和操作注意事項。關鍵詞：氣化爐 耐火材料延長壽命操作在當前運行的潔凈煤氣化裝置中．氣化爐爐壁的耐熱結構不外乎兩種形式：即耐火材料(磚、澆注料等)隔熱和水冷壁隔熱．以保護爐壁工作在允許的溫度范圍內。爐磚隔熱的優(yōu)點是爐膛的熱散失少．工藝介質在爐體內反應效率較高：爐磚可以蓄熱．熱態(tài)投料，不需要專門的點火機構；內襯大修時，爐磚可以散裝搬運，施工相對方便。所以．耐火材料隔熱方式在潔凈煤氣化裝置中得到廣泛的應用。其缺點是爐磚耐熱和耐渣沖蝕的性能有一定限制．氣化爐的操作溫度和使用煤種也有局限：爐磚使用壽命隨煤質、操作工況的不同而有較大變化。1耐火磚的性能要求與化學組成氣化爐使用的主要耐火材料一般可分為耐火磚、不定形耐火材料、輔料等，其性能的評價指標主要包括耐高溫、抗渣沖蝕、抗熱震次數、熱傳導率等。目前行業(yè)中通用的主材成分是C卜Al—Zr系列耐火材料．根據耐火材料在爐內使用的位置和承擔的功能不同．其成分配比又有所不同。比如工作條件最苛刻的向火面耐火磚采用高鉻磚．磚內Cr20，含量不小于86％．而支撐磚和保溫磚中的Cr20，含量相對較低，A1：O，的含量較高。采用高鉻磚作為向火面耐火磚是因為Cr20，不但耐高溫，而且性質穩(wěn)定。CrzO，熔點2435℃，在一般濃度的酸、堿環(huán)境和H，S、SO，氣氛中都比較穩(wěn)定。相比之下，純A1，0，的耐高溫性能雖然也不錯，熔點在2000℃左右，但是Al：O，是一種比較活潑的兩性氧化物．它遇到酸堿均可發(fā)生反應。分別生成鋁鹽、偏鋁酸鹽或其他形式的低熔點共聚物。從而失去耐高溫性能。所以，在向火面耐火磚的組成成分中，Cr20，(含量不小于86％)是耐火材料的主體，用以保證磚的耐熱效果：A1，0，則起到支撐和加強作用．用于增加磚的強度和密實度；添加少量ZrO：的目的，是利用ZrO：的晶格結構隨溫度升降而變化的特性。當溫度在一定范圍內變化時．Z幻，的晶格結構會發(fā)生三種不同的變化，從低溫到高溫依次有單斜晶格、四方晶格和密排立方晶格三種形式．原子排列方式改變．在一定的溫度范圍內出現“熱縮冷脹”現象。這樣．在爐磚燒制和使用的過程中．就會在磚內產生大量的、無序的細微裂紋．微裂紋的出現消除了耐火磚熱脹冷縮過程中的應力集中．也避免了局部貫通性裂紋的產生，從而提高耐火磚的抗熱震性能。2耐火磚的蝕損原理在氣化爐正常運行周期中，發(fā)生沖蝕破損的主要是向火面耐火磚．以下對向火面耐火磚(簡稱向火磚)在運行中的蝕損方式及操作思路進行分析和探討。從向火磚使用后的表面檢查情況來看．其蝕損方式主要包括以下幾種。2．1熔融爐渣的化學溶解作用氣化爐的操作溫度在1 300 oC左右．最高不超收稿日期：2013—07—12：收到修改稿13期：2013—12—27。作者簡介：張永，男，1972年出生，高級工程師，1996年畢業(yè)于天津理]_大學流體傳動與控制專業(yè)．現任山東華魯恒升化_丁股份有限公司氣化車間主任。聯系電話：0534-2465365；E～mail：zhyzhjf006@163．corn。萬方數據78 Z冱镅 2014年第37卷過1 500℃．不會使爐磚產生直接的熔化。但熔融爐渣中的各種酸性氧化物、堿性氧化物對Cr20，、A1，O，(熔點也在2 000℃左右)發(fā)生的化學溶解卻會持續(xù)存在。雖然Cr20，在一般的酸堿環(huán)境中比較穩(wěn)定，但在高溫下會與灰渣中的CaO、FeO、MgO、SiO，、A120，等形成低熔點共聚物，從而溶解在灰渣中流失。影響化學溶解速率的因素主要有：灰渣黏稠度、灰渣的化學成分、燃燒室溫度?；以酿ざ仍降停珻aO、FeO、MgO等堿性氧化物在灰渣中的遷移速率越快．這些堿性氧化物與磚表面Cr20，接觸機會就越多．Cr20，溶人灰渣中的速度越快。同理，堿性氧化物含量百分比越高．它們與磚表面Cr20，接觸機會也越多．Cr20，溶人灰渣中的速度也會加快。與前二者相比，溫度變化的百分比不大時．分子熱運動速率的變化級數不會很大．其直接影響較?。饕菧囟葧淖兓以酿こ矶龋畯亩g接影響耐火磚的溶蝕速度。灰渣黏度影響爐磚壽命的情況也有很多。2012年7—8月．山東華魯恒升化工股份有限公司A爐因盲頭溫度偏高，實行降爐溫的補償操作．工藝氣中CH。含量從平時的0．2％．0．3％提升到0．6％～0．8％。為了維持穩(wěn)定運行．在原料煤供應方面給A爐“吃小灶”．將煤炭儲運環(huán)節(jié)分析出灰渣熔點(T4)較低的原料煤都優(yōu)先供給A爐使用，期間人爐煤的灰熔點分析數值不超過1 220℃．大多數在1 150。1 200℃．最低曾至1 120℃。當該運行周期結束。停爐進行檢查時。卻發(fā)現向火磚大幅減?。绕涫枪绊敶u．單周期損失爐磚的厚度超過50mm。很明顯．雖然操作溫度比平時低。但低熔點煤都供給了該爐使用，向火磚被低熔點、低黏度灰渣長期沖刷溶解．加快了蝕損速度．這種化學溶解的特點是所有能與灰渣接觸的表面均有較快蝕損。所以磚縫處的蝕損非常明顯。從圖1和圖2磚縫蝕損可以明顯看到爐磚被灰渣溶解的痕跡．圖1溶蝕的側壁磚縫圖2溶蝕的錐底磚縫2．2表層剝離表層剝離的誘發(fā)因素有兩種情況。①爐磚選材配比和制作過程存在缺陷．導致磚的抗熱震性能差，在烘爐、投料、停車降溫等溫度發(fā)生變化的過程中．表皮以下某深度處產生沿與表面平行方向的暗裂紋．當該裂紋擴展到一定程度．就會造成向火磚表層的剝離：②爐渣的浸漬造成表層剝離。在爐磚坯料的成型過程中．無論如何擠壓拍打，爐磚總會有一些孑L隙存在．向火磚中的A1，0，在使用中率先被灰渣中的堿性氧化物溶解流失．也會形成一些孔隙。熔融的灰渣就會浸漬到這些孔隙中。當停爐降溫時，灰渣凝固，再次烘爐投料時，灰渣隨向火磚一起升溫．直至再次熔化．總會有一些灰渣成分的熱脹冷縮系數與向火磚中的Cr20，骨架不同，這樣就會在降溫(凝固后)或升溫(熔化前)過程中將向火磚的表層撐掉．造成剝離．剝離形態(tài)見圖3和圖4．網3 剛剛剝落和即將剝落的磚片劁4剝落后落往錐J彘卜的磚片2．3燒熔流失氣化爐操作溫度在l 300℃左右．不會造成熔點2435 oC的Cr20，熔化。但是．當燒嘴存在嚴重偏噴時，就可能會出現局部燒熔。因為當前煤漿加壓氣化所采用的燒嘴大部分是三通道燒嘴．最外側萬方數據第2期 張永等．淺析氣化爐耐火磚的蝕損機理與爐溫操作思路 79通道為純氧，內側為煤漿與中心氧的混合物。外環(huán)氧雖然也參與霧化．但仍有大部分在外圍不能與煤漿均勻混合．當這些高壓氧氣與爐內高溫高壓的煤氣接觸時．其反應密度非常強．會在煤漿與中心氧的混合物外預先形成一只高溫的“火殼”．“火殼”溫度就有機會超過向火磚的熔點。正常工況下．該火殼的輻射熱會迅速被其所包裹的霧化煤漿吸收，使得煤漿干燥、干餾，并與中心氧發(fā)生反應，剩余部分再與“火殼”反應后產生的CO：發(fā)生二次反應．維持爐內的平均溫度在1 300oC左右。當燒嘴存在嚴重偏噴時．高溫“火殼”就會直接與向火磚接觸．“火殼”的熱量還沒有轉移給其所包裹的煤漿黑區(qū)，而成為燒蝕爐磚的能量。當然，這種過程也會有液態(tài)飛灰促進Cr20，熔化的助推作用。燒嘴偏噴造成氣化爐筒體向火磚豎直方向局部沖蝕加速的例子．很多單位都曾遇到過。向火磚除了以上幾種常見的蝕損方式外．在氣化爐故障狀態(tài)下也會存在其他破壞方式。比如泡水、爆震等，不過這都屬極個別情況．在此不作贅述．3提高耐火磚壽命的手段3．1從源頭上控制好耐火磚質量．尤其是向火磚質量耐火磚的質量指標包括：抗熱性能、抗渣性能、磚體強度、磚體密度、氣孔率(孔隙率)、抗熱震性能等。這些性能指標主要由耐火磚的材質配比、材料摻混均勻度、磚坯料擠壓密度、燒結過程等環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制來實現。耐火磚的材質配比、材料摻混均勻度直接影響爐磚的抗熱、抗渣溶蝕能力：耐火磚的氣孔率決定其抗渣沖蝕和抗表層剝離的性能：材料摻混均勻度、磚坯料擠壓密度會影響磚的強度：抗熱震性能則與材料成分、摻混均勻度坯料擠壓密度和燒結過程等均有關系。3．2耐火磚的砌筑質量與烘爐控制首先．耐火磚的砌筑尺寸偏差要?。鲶w表面平滑緊密，磚縫寬度不超規(guī)范要求：若磚縫超寬，運行中就會增加爐渣在該區(qū)域的停留時間．造成磚縫處溶蝕速度加快：其次，耐火泥漿的選材合適．既要滿足砌筑中對耐火磚的黏結要求和對磚縫的密封要求．又要盡可能選用CaO成分較低的材料，以免降低附近爐磚的耐熱能力：第三是砌筑時耐火泥漿要控制合理的加水量．若加水多，泥漿太稀，也會在烘爐或運行過程中產生不良影響：第四是烘爐時爐膛各處溫度要均勻．并控制合理的升溫速率。3．3原料煤的灰渣成分及灰渣熔點控制根據煤漿加壓氣化的原理．氣化爐采用液態(tài)排渣方式，其燃燒室溫度必須在煤炭灰熔點(舛)以上0～100℃．當灰渣熔點高于燃燒室溫度時．灰渣就會變成非常黏稠的瀝青狀膏體．甚至有一些轉化為近似固體的存在．堵塞渣口．導致渣VI壓差升高甚至超指標跳車。也可能黏附到下降管上破壞下降管．或形成的大塊渣塊停留在破渣機上部．阻斷排渣通道．出現多種故障。相反．當煤炭的灰渣熔點大幅度低于操作爐溫時．就會使得液態(tài)灰渣的黏度特別低．物理滲透能力強．灰渣中的CaO、FeO等成分的化學活性增加，從而加速對耐火磚孔隙的浸漬(停車降溫時易形成裂紋或表層剝離)和化學溶蝕。在氣化爐的操作中．目前各單位大部分都采用恒定操作的方法．將燃燒室熱電偶與工藝氣中的CH。及CO：、CO等成分含量相互參考，間接判斷燃燒室的操作溫度，然后通過氧煤比調整保持爐溫的穩(wěn)定。所以．煤炭的灰渣熔點應保持穩(wěn)定．其波動幅度必須限定在一定的范圍內。煤炭是由生物遺體被湮埋在地下．經過長期的生物化學作用與地質作用．逐漸形成的一種非均態(tài)有機巖，因地點不同或成礦年代不同．其化學成分有很大的變化．即使是同一礦點．也會因所在礦層位置的變化存在很大區(qū)別。煤炭中所含的無機成分，燃燒后形成灰渣．這些成分決定了煤炭的灰渣熔點。然而，和其他的氣體介質分析相比．煤炭灰分、灰熔點的分析時間相對較長，數據的獲取時間相對滯后。所以。要保證氣化爐所用的煤炭灰熔點穩(wěn)定，需要在選礦點、選煤層、儲運摻混和全過程分析監(jiān)控方面下很大的力氣。3．4工藝操作與氣化爐工藝參數控制工藝操作需要考慮的因素比較多．既要滿足介質反應的參數要求，保證運行效率和出力率．又要避免對設備造成過度損傷。一般來說。能夠對耐火磚的蝕損速率造成影響的因素主要有兩個．一是燃燒室溫度。二是出燒嘴的火焰形態(tài)、尺寸。對于采用耐火磚作為爐壁耐熱結構的氣化爐來說．其燃燒室運行溫度一般控制在l 300 oC左萬方數據Z么镅 2014年第37卷右．因為燃燒室熱電偶工作條件苛刻，易于失靈．所以常用工藝氣中的CHd含量來近似估算燃燒時溫度，CH。含量高，說明爐溫較低，相反，CH。含量低，則說明爐溫較高。行業(yè)內公認的CH。含量合理數值為0．05％。0．1％。當然．各單位會因各自的設備結構、操作習慣和使用的煤種不同而有一些區(qū)別?；谀突鸫u三種不同的蝕損機理．在工藝操作方面應注意以下幾方面。1)做好人爐原料煤的均勻摻配和預先分析工作．最大限度地保證人爐煤灰熔點及其黏溫特性的穩(wěn)定。即使入爐煤煤質存在不可避免的波動時．也要做到提前預知．準確掌握灰熔點等主要參數變動的幅度．以便于提前進行補償性爐溫調整。2)灰渣熔點變化時，采用浮動參數操作思路，不采用固定爐溫。通過上下調整燃燒室溫度．使灰渣黏度保持在合理水平．既不會出現燃燒室排渣口堵塞．又能在耐火磚表面黏覆一層具有一定黏度的粥狀灰渣。不過．浮動參數操作對相關的數據支持以及操作者的綜合素質要求都非常高．數據方面．除了儲運環(huán)節(jié)預先分析的煤質預警數據外．還需要對燃燒室溫度、工藝氣成分、爐壁溫度、渣口壓差、工藝氣成分等諸多參數進行綜合的分析判斷。氣化爐在運行過程中是通過爐壁向周圍緩慢傳熱的．所以從向火磚、支撐磚一直到外表層的鋼簡體存在一個溫度梯度．同樣．向火磚表面的灰渣黏附層也有一個溫度梯度．直接與向火磚表面接觸的灰渣溫度最低，黏稠度也最高，因此，這部分高黏稠度的灰渣流動速度非常慢．甚至有較短的時間近似于“固定”在向火磚的表面。氣化爐燃燒室溫度調整的目的．就是要實現這種狀態(tài)。由于灰渣這種狀態(tài)下黏稠度較高．不易于向耐火磚孔隙中滲透，出現耐火磚表層剝離的機會也較小。工藝氣成分和渣口壓差．是反映燃燒室灰渣黏稠度最直觀、最可靠的兩個參數。但是只有當灰渣過度黏稠．在排渣口處形成堆積甚至堵塞時．它們才反映出來．反饋時間相對滯后．而且容易造成減量生產甚至停車事件．所以．這兩個參數不能作為預調參數．只適合作為保障數據。3)做好燒嘴檢驗檢查和運行監(jiān)控．防止出現燒嘴偏噴工況。燒嘴的裝配尺寸偏差大會造成偏噴，在投料前應按圖紙進行精確的尺寸檢測．然后再通過冷態(tài)霧化實驗予以確認。燒嘴的過度磨損會造成偏噴．除選擇耐磨燒嘴材質外．也要控制好煤漿流速和煤漿品質．降低沖刷磨損的強度。燒嘴煤漿流道局部堵塞也會造成偏噴．要防止大顆粒異物進入產品煤漿槽中。4結束語以上是在有限運行工況中摸索出的一些淺顯認識，氣化反應是一種高溫的流態(tài)場反應體系．內部過程的變化復雜而迅速．多組分、多項態(tài)的物質，在瞬間完成多層次的化學反應。所以，在時間、空間上都存在很大的局限性．僅供參考。ANALYSIS 0N MECHANISM 0F FIREBRICK’S DETERIORATE ANDSKETCH OF FURNACE TEMPERATURE’S OPERATIONZhang Yong，Li Yucheng，Zheng Xuepeng，Zhang Qi，Li Dongjiang(Shandong Hualu Hengsheng Chemical Industry Co．，Ltd．，Dezhou 253024)Abstract：This article has analyzed the microcosmic changes of the firebrick’S thermal state based onthe gasifier’S operation state and the chemical component of the lime—ash．Several kinds of the firebnck’S deteriorate during application were reviewed．Suggestions on extendinglife of the firebrick and on operation precautions were presented．Key Words：gasifier；fireproofing；extend use-life；operation歡迎投稿、歡迎訂閱、歡迎刊登廣告

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