气化炉耐火材料频繁损坏的原因分析和对策.doc

气化炉耐火材料频繁损坏的原因分析和对策 摘 要：本文对我公司壳牌气化炉内侧耐火材料频繁损坏的原因进行分析和制定对策。对如何延长气化炉耐火材料的使用寿命，保证气化炉长周期运行进行探讨和总结。希望对从事壳牌气化炉的生产维护管理的相关人员，了解气化炉内件耐火材料运行情况起到一定的帮助，以保证气化炉长周期运行。 关键词：Shell粉煤气化；气化炉；耐火材料；损坏原因；对策1 前言XX煤气化装置采用Shell粉煤加压气化工艺技术, 其加压气化炉炉膛采用水冷壁结构和耐火材料。气化炉运行期间, 液态的渣层挂在耐火材料上向下流动, 从而对水冷壁起到保护作用, 可使气化反应在气化温度高达1500-1700的较高温度下进行, 因而碳转化率较高, 有效气成分( CO + H2 )和冷煤气效率也较高。由此可见, 耐火材料的正常状态对气化炉的稳定运行至关重要。水富煤气化装置从2012年5月试开车至今，已反复开停车15次，每次停车对气化炉内部进行检查，发现内部耐火材料都存在不同程度的损坏，尤其是2012年11月和2013年5月损坏较严重，损坏面积达到4.5和2.8。在烧嘴罩上方部分区域和烧嘴罩正下方区域耐火材料层较薄, 露出固定耐火材料所用的锚固钉, 锚固钉头部熔化严重,导致局部水冷壁管已裸露，时刻危机着气化炉的w稳定运行。2 Shell气化炉内部基本构造和耐火材料性能2.1 Shell气化炉内部基本构造气化炉是我公司XX煤代气装置引进壳牌煤气化工艺技术的核心设备。该设备采用独特的内外双层结构，外壳为压力容器，内件为膜式水冷壁结构，内外之间有一较大的环形空间。在内件水冷壁表面内侧衬有一层碳化硅含量较高的、由水冷壁上密集锚固钉固定的陶瓷衬里保护系统，这就是耐火材料。其目的一是为了保护水冷壁免受磨损、腐蚀和热冲击，二是调节燃烧过程的热输出并形成一个熔渣流动的良好表面。图1 壳牌气化炉结构示意图 图2 内侧耐火材料结构示意图2.2 耐火材料的性能在气化炉内是一个环境非常复杂的反应区域，在该区域内固体、液体、气体的高速冲刷，强还原性气氛和液态熔渣的侵蚀及开停车时较大的温度和压力波动，都对气化炉耐火材料造成剧烈的冲击，严重影响其使用寿命。因此，这就要求耐火材料具有以下性能：（1）良好导热性；（2）较好的抗熔渣侵蚀性；（3）较高的热态强度，以提高耐冲刷磨损性；（4）较好的热震稳定性，以承受温度的波动，减少裂纹和材料剥落；（5）合适的体积稳定性，使气化炉在温度和压力波动过程中有较好的整体性和密封性。3 耐火材料运行过程中出现的问题3.1 经过一个周期运行，局部耐火材料存在细微的裂纹，出现窜气、局部磨损等现象。图3 耐火材料产生裂纹图4 火眼表面耐火材料裂纹 3.2 在四个烧嘴罩下部耐火材料过烧较严重，频率较高。每次运行，下部耐火材料都会被烧损一部分，局部锚固钉被融化，露出水冷壁管。图5 烧嘴罩下部耐火材料烧损严重3.3 气化炉SUB、火眼冷箱内填充的耐火材料烧毁严重，烧毁深度最高达到150mm。导致环形空间温度急剧上升，严重影响装置的正常运行。另外冷箱内耐火材料烧损过深，对冷箱底部隔板和侧部水冷壁管将造成致命损坏。图6 火眼设计示意图（耐火材料填充深度达213mm）图7 火眼烧损示意图（耐火材料烧损深度达150mm）图8 SUB/IB烧损示意图3.2.4 耐火材料在施工成型后固化效果不理想，产生膨胀和流淌现象。图9 耐火材料施工后不固化且膨胀4 耐火材料损坏原因分析4.1 频繁开停车装置在运行期间频繁开停车，导致气化炉内温差变化大，气化炉在升温或降温过程中，由于其升、降温速率不同以及在热传递过程中耐火材料膨胀或收缩系数不同，会使耐火材料之间发生相对位移。这种相对位移会在位移面上产生磨擦剪切力并具有局部撕开作用，导致耐火材料产生表面裂纹。这些表面裂纹在以后反复开停车中逐步扩展，并由于熔融炉渣和还原性介质在裂纹中的侵蚀扩散，导致耐火材料局部表面剥落。4.2 炉温控制不当4.2.1 炉温控制较低。炉温控制较低是耐火材料损坏的直接原因。在较低温度下渣的流动能力变差,渣层逐渐积累变厚, 当渣层积累到一定的厚度后,在重力作用下大量的熔渣从炉膛内剥落, 从而容易将固定渣层耐火材料连带损坏。4.2.2 炉温控制过高。温度过高最直接的表现是，气化侧蒸汽产量瞬间上升，如果激冷量不够，造成炉渣流动性变好，极端情况会有耐火材料垮渣的风险。最直观的温度上升，对烧嘴、烧嘴罩会产生热应力，在烧嘴罩形成帘子渣流使煤烧嘴偏烧损坏烧嘴罩，烧嘴罩一旦损坏泄漏，烧嘴罩下部耐火材料冲刷损坏就会急剧加快。4.3 配煤的影响 配煤时多种煤的混合不均匀。由于煤混合得不均匀则有可能使灰含量较多的煤在某个局部或某一时段集中燃烧, 此时, 煤的灰熔点偏高。从国内其它煤气化装置的运行经验来看，煤种的灰分、灰熔点对渣的形成影响较大，一旦气化炉不能形成稳态的挂渣，将会影响气化炉以渣抗渣的原理实施，液态渣的溢流将直接导致气化炉水冷壁表面的固定耐火材料被烧损。4.4 化学侵蚀 气化炉耐火材料主要是由碳化硅含量较高的粉末混合搅拌浇筑而成，必然存在一些气孔。Shell气化炉气化反应产生气体的主要成分是 H2 和 CO，这 2 种气体具有很强的还原性，在扩散作用下，H2 和 CO 沿耐火材料表面的气孔向内渗透，在高温条件下与耐火材料中的 SiO2、Al2O3 等氧化物进行反应，其中 H2 与 SiO2 的反应如下：SiO（2s）+H（2g）=H2O(g)+SiO(g) 该反应破坏了耐火材料的结构，使耐火材料中的固态 SiO2 变成气态 SiO 逸出，导致耐火材料气孔或裂纹加大。4.5 施工质量影响4.5.1 材料选用不当 在气化炉内从锥形渣池渣屏到激冷管段以及SUB、火眼密封箱等因各部位所承受工况、温度、冲刷和腐蚀程度不同，因此在选择耐火材料时一定要慎重。耐火材料选择不当，将直接影响耐火材料使用寿命，严重时将导致模式水冷壁管受损。4.5.2 耐火材料混合比例不对 目前我们公司主要使用三种耐火材料：CALDERAM PS68HR、KERAPLAN SiC-F-85-LC、RESCOBOND AA22S。三种耐火材料都是由固体浇筑料和液体粘接剂化学反应混合搅拌的方式施工。在搅拌混合时，因环境温度和炉内温度气温和炉温时刻变化，两种混合物调和时比例一定要恰当，否则将影响耐火材料的固化和使用性能。表1：CALDERAM PS68HR化学成分化学分析Al2O3SiO2Fe2O3SiC%262.50.270表2：KERAPLAN SiC-F-85-LC化学成分化学分析Al2O3SiO2Fe2O3CaOSiC%8.84.00,11,8585表3：RESCOBOND AA22S化学成分化学分析Al2O3SiO2Fe2O3P2O5TiO2%807.21.04.52.44.5.3 筑炉质量不高气化炉筑炉对公司现有施工人员是一门新的技能，还比较陌生。施工人员都未经过专业的理论知识和技能培训。施工方法都是通过观察外来施工队伍施工和厂家说明书指导施工，整个施工过程都还处于摸索总结阶段，不太熟练，导致施工质量不高。4.5.4 烘炉不到位 耐火材料在气化炉内完成筑炉后，在使用之前要严格按照相关要求进行烘炉工作。烘炉的目的是通过合理科学的方法对设备进行加温，使耐火材料完成一系列的化学反应。一是为了除去耐火材料中的吸附水和部分结晶水，二是通过化学反应，培养一定的晶相结构，使耐火材料能达到一定的物化性能。以免在开车操作过程中，耐火材料中的水分急剧蒸发，因其内应力的作用，使耐火材料产生大量裂纹，炸裂和剥落等现象。以上 5种常见的耐火材料损坏方式是共同作用、 相互影响的。因而，任意一种损坏方式的发生都值得我们注意，每一种损坏的预防都对公司气化炉长周期运行具有积极的意义。5 延长耐火材料使用寿命的方法耐火材料的使用寿命不仅和原料煤种、气化温度、生产负荷、稳定运行等有关，还和自身的质量以及筑炉施工质量有关。5.1 改善工艺条件、减少开停车次数选择合适的工艺条件，对减少耐火材料损坏，延长耐火材料使用寿命很有意义。这要求我们在制定工艺条件时，选择合适的氧煤比、控制好炉温，防止渣口结渣，选择适宜的气化炉负荷，减少开停车次数等。 温度是影响耐火材料使用寿命的重要因素，气化炉反应温度太高，造成耐火材料的使用寿命下降。因此，在不影响正常运行的条件下，应选择较低的气化温度，并减少开停车次数，防止耐火材料因开停车频繁温度变化造成损坏。另外，控制适当的氧煤比也有利于控制炉内的还原性气氛，减少化学侵蚀。5.2 合理选煤并稳定煤源煤的灰分含量及煤熔渣成分对气化炉的操作温度及耐火材料的损坏有较大影响。原料煤种的灰熔融性温度高，就必须升高操作温度，才能保证气化炉的正常运行，但操作温度每升高 100 ，耐火材料的损坏率将会增加3倍4倍。因此，在条件允许的情况下，选择高活性与低灰熔融性温度的煤种，可在较低的温度下获得较高的气化效率，在较低的气化温度下，使耐火材料表面保持一层固态的熔渣层，起到以渣抗渣的效果，避免耐火材料连续损坏，从而延长耐火材料的使用寿命。另外稳定的气化煤种也可以延长耐火材料使用寿命。保持稳定的煤种，可以保证气化炉的稳定运行，减少因煤种变化引发炉温波动而造成的耐火材料损坏。5.3 合理选材气化炉耐火材料在高温气体和熔渣的高速冲刷、剧烈的热震荡及机械重力等多重因素的作用下，容易产生裂缝和跨渣剥落，这要求选择的耐火材料必须具备高强度的耐火、耐磨性及良好的抵抗强度。气化炉炉渣的主要成分为 Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO、 CaO 等氧化物，选用 SIC含量高的耐火材料，可以改善抗侵蚀性能。 SIC含量越高，抗侵蚀能力就越强。由于 SIC与渣中的 Fe2O3、Al2O3、FeO、MgO 反应生成复合间晶石，在耐火材料表面形成一个致密层，从而达到已渣抗渣的效果。5.4 精心筑炉、严格烘炉正确的筑炉能够有效地延长气化炉耐火材料使用寿命。正确筑炉不仅要保证耐火材料选材合理、搅拌混合比例恰当。还必须确保施工质量。为保证筑炉质量，公司针对气化炉筑炉还需培养专业施工人员，掌