1. 基本情況介紹
耐火材料是水煤漿加壓氣化爐的關(guān)鍵部件,其運行效果是氣化爐能否長周期、、經(jīng)濟運行的關(guān)鍵因素之一。本文就氣化爐在運行過程中耐火材料出現(xiàn)的問題進行分析,旨在找到影響壽命的關(guān)鍵因素,并從煤質(zhì)、操作、磚形等方面進行改進,以解決制約系統(tǒng)穩(wěn)定運行的瓶頸問題。某公司采用GE水煤漿加壓氣化技術(shù),運行模式為兩開一備,設(shè)計的運行壓力為6.5MPa,設(shè)計每臺氣化爐的處理煤量為1500t/d。氣化爐的耐火襯里采用國產(chǎn)化材料,依然是傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)。開車以來,氣化爐耐火襯里的向火面使用壽命一直較短,主要表現(xiàn)在錐底磚部分脫落和筒體磚侵蝕嚴重,現(xiàn)就這些現(xiàn)象進行分析并介紹解決方案。
2. 耐火襯里損壞機理分析
耐火材料在使用過程中,由于經(jīng)受高溫或者溫度激變、氣氛變化以及熔渣等的腐蝕、侵蝕,因而其損毀形態(tài)復(fù)雜、損壞機理多樣。歸納起來耐火材料的損毀形態(tài)主要有機械損壞和化學(xué)侵蝕兩大基本類型。
2.1 機械損壞
耐火材料的機械損壞主要包括熱剝落、結(jié)構(gòu)剝落和高溫熱疲勞以及機械沖擊等所造成的破壞。在氣化爐耐火材料使用過程中不可避免會出現(xiàn)“熱震”現(xiàn)象,這是造成耐火材料機械損壞的主要原因之一。
所謂熱震,即耐火材料的運行溫度發(fā)生較大變化時對其產(chǎn)生的影響。GE公司有一個關(guān)于熱循環(huán)的定義,即當溫度在1h內(nèi)發(fā)生100℃變化時的情況稱為一個熱循環(huán),我們也可以歸為熱震。氣化爐在烘爐、投料、停車過程中都易發(fā)生熱震現(xiàn)象,特別是在投料和停車過程中。在烘爐過程中,由于負壓和烘爐燃料控制不當可能會引起爐溫在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化,集中表現(xiàn)為氣化爐燃燒室上下溫差變大、局部溫度過高,此時整體的熱膨脹會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,輕則導(dǎo)致局部出現(xiàn)裂紋,重則出現(xiàn)磚被擠碎現(xiàn)象。在投料過程中,由于煤漿和氧氣均為溫度較低的介質(zhì),在1min內(nèi)先后進入爐內(nèi),此時爐溫一般在1000℃左右,從DCS上觀察爐溫的變化可以發(fā)現(xiàn),在投料的瞬間,爐內(nèi)溫度發(fā)生了先降后升的變化,降是因為冷介質(zhì)進入高溫環(huán)境內(nèi)會大量吸收熱量,升是因為當煤漿和氧氣溫度達到一定值時會進行劇烈的氧化反應(yīng)而燃燒,所以,每次投料相當于對氣化爐的耐火材料進行了兩次“熱震”。在停車過程中,為了保證氧氣管線和煤漿管線的清潔,要對兩條主要物料管線進行氮氣吹掃。每次停車進入氣化爐燃燒室內(nèi)的氮氣均從13MPa降至11.3MPa左右,約1000m3的氮氣進入,同樣會使耐火材料的溫度發(fā)生驟然降低,所以每次停車過程也相當于一次“熱震”。從運行過程中可以得出這樣一個結(jié)論:氣化爐的開停車次數(shù)越多,耐火材料發(fā)生機械損壞的幾率越高。
在系統(tǒng)運行的初期,由于大家對此種大型爐的認識不足,爐子運行不穩(wěn)定等諸多原因,導(dǎo)致氣化爐的開停車比較頻繁,個別時候還會進行較低溫度的聯(lián)投操作,是耐火材料壽命短的原因之一。
2.2 化學(xué)侵蝕
水煤漿加壓氣化爐用的耐火材料由多種高熔點化合物構(gòu)成,其中主要成分均為Cr?O?,目前向火面所用耐火材料的Cr?O?含量可以高達90%以上,其余的為Al?O?、ZrO?等成分。在這些化合物中,有的具有同質(zhì)多晶現(xiàn)象,即同一化合物有多種晶體結(jié)構(gòu)(晶型)。當條件變化時,會由一種晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶型。一種化合物若有幾種晶型,在一定溫度與壓力下只有自由能很低的一種晶型能穩(wěn)定存在。例如,一種化合物有晶型I與晶型Ⅱ兩種,當溫度低于某一值時,只有晶型I能穩(wěn)定存在;當溫度升至某一值時,則發(fā)生晶型I與晶型Ⅱ之間的轉(zhuǎn)變,當溫度高于這一溫度時,只有晶型Ⅱ能穩(wěn)定存在。對于水煤漿加壓氣化爐的耐火材料而言,在不考慮其他因素而只考慮溫度時,對溫度的要求為不大于1500℃。由于晶型轉(zhuǎn)變常伴隨有體積(或密度)與其他性質(zhì)的變化,因此,當耐火材料內(nèi)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時,就可能發(fā)生開裂、疏松或粉化現(xiàn)象,從而影響其整體使用壽命。
若熔渣浸透進入耐火材料內(nèi)部的氣孔中,不僅會促進耐火材料的熔解蝕損,而且是導(dǎo)致材料化學(xué)侵蝕而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落進而加快其損毀的重要原因。因為一旦熔渣浸透進入耐火材料內(nèi)部的氣孔,便會立即與之反應(yīng),導(dǎo)致工作表面變質(zhì),其結(jié)果則會在高溫條件下造成被浸透區(qū)域變得非常疏松。有人做過相關(guān)的試驗,當溫度達到1300℃時,熔渣對耐火磚內(nèi)部的滲透深度可以達到30mm。對于水煤漿加壓氣化技術(shù)本身而言,在現(xiàn)有的煤種范圍內(nèi),絕大多數(shù)煤種的操作溫度無法達到1300℃以下,由此可以得出這樣一個結(jié)論:在正常的生產(chǎn)過程中熔渣對耐火材料的侵蝕幾乎是不可避免的。為了延長耐火材料的使用壽命,在經(jīng)過大量的工業(yè)化摸索試驗后,我們發(fā)現(xiàn),Cr?O?與渣中的Fe?O?、Al?O?、FeO、MgO反應(yīng)生成復(fù)合尖晶石(Mg、Fe)O(Al、Cr、Fe)?O?,在耐火材料表面形成一致密的保護層,可以阻止爐渣的進一步侵蝕。阻止熔渣向耐火材料內(nèi)部浸透的有效的方法是提高熔渣的黏度,這可通過控制熔渣的粘溫特性來實現(xiàn)。
公司煤的粘溫特性較差,具體如表1。
表1 煤的粘溫特性
從表中的數(shù)據(jù)可知,達到渣臨界粘度25.42Pa·s的操作爐溫已經(jīng)到了1283℃,并且當爐溫稍有降低時其粘度會陡增。為了保證排渣的順暢就須提高操作爐溫,此時想形成保護層是非常困難的,耐火材料長期暴露在較高的溫度中對其損傷是非常大的!所以,高溫操作、不能形成保護層是導(dǎo)致耐火磚壽命短的另一主要原因。
3. 如何延長耐火襯里的使用壽命
耐火襯里的使用壽命直接關(guān)系到整個工廠的運行成本和經(jīng)濟效益,為此,針對出現(xiàn)的問題,我們進行了分類和總結(jié),旨在運行中不斷優(yōu)化各種指標。
3.1 穩(wěn)定操作工況
(1)嚴格按照烘爐曲線烘爐,防止由于爐溫變化過快引起耐火磚產(chǎn)生位移,特別是冷態(tài)新磚的初次保養(yǎng),一定要嚴格按照時間進行,各階段的恒溫時間只能延長、不能縮短。
(2)正常運行中每天進行原料煤和入爐煤漿灰熔點的分析。根據(jù)分析數(shù)據(jù)來控制合適的氧煤比,控制好爐溫,既要防止渣口堵塞造成的熱量積聚,又要防止溫度過高對爐磚造成的直接傷害。
(3)運行中定期進行氣化爐的切換,氣化爐負荷盡量不要太高,保證燒嘴霧化良好,減少意外跳車的幾率。燒嘴運行超過30d后不再進行聯(lián)投操作,聯(lián)投時盡量保證爐溫在900℃以上,避免低溫投料可能造成的震動。
(4)定期進行耐火磚的測量。根據(jù)測量數(shù)據(jù)適時調(diào)整中心的比例,調(diào)整反應(yīng)中心區(qū)域的位置,保持耐火磚使用均勻,防止出現(xiàn)“木桶”效應(yīng)。
示意圖
3.2 優(yōu)化灰渣的粘溫特性
由于煤種灰渣的粘溫特性差,造成操作彈性小,難以形成保護層。通過分析,煤灰成分中堿度不當,在這里我們用(CaO+Fe?O?+MgO)/(SiO?+Al?O?)來衡量,此比例一般在0.1~1之間。當比例為0.5左右時堿酸比例適中,而試驗煤樣此比例為1.268,所以,應(yīng)當向煤中導(dǎo)入部分酸性物質(zhì)。
經(jīng)過試驗,向試驗煤樣中加入當?shù)厣衬械纳匙舆M行堿酸比例的調(diào)整。通過試驗可知,當向試驗煤樣中加入相當于煤灰分40%的沙子時,煤的粘溫特性得到了改善,灰熔點同時也得到了降低,粘溫特性如圖1。
圖2 粘溫特性圖
4. 運行效果總估
(1)隨著對系統(tǒng)掌握能力的增強和對操作的不斷優(yōu)化,系統(tǒng)的開停車次數(shù)減少、聯(lián)投的次數(shù)也相應(yīng)減少,減少了對耐火磚產(chǎn)生“熱震”的次數(shù)。定期檢查耐火磚、更換工藝燒嘴保證了系統(tǒng)在可控范圍之內(nèi)。從幾次入爐檢查情況看,耐火襯里幾乎無較大裂紋,整體熱膨脹性良好。
(2)通過優(yōu)化灰渣的粘溫特性,氣化爐的溫度操作彈性加大,在耐火材料表面逐漸形成了保護層,磚的使用壽命有望增加。
供稿 | 余朋輝
審核 | 楊建軍 馬姍姍