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耐火材料在新型水煤浆加压气化炉内衬上的应用

时间:2018-02-24 09:40 作者:艾米点击:

  简介

  耐火材料作为新型多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉的主要组成部分,对气化炉的长周期稳定运行有着重要意义,本文分析了耐火材料的使用工况,对如何延长耐火材料的使用寿命提出了具体的措施。

  兖矿国泰化工有限公司日处理1000吨煤多喷嘴对置式新型气化炉装置,是具有自主知识产权的多喷嘴水煤浆加压气化技术,为我国能源和煤化工市场提供了新的具有自主知识产权技术,目前该技术己得到大范围推广和应用。内衬耐火材料是影响该气化炉长周期稳定运行的主要因素之一,现就气化炉内衬耐火材料的应用进行介绍。

  1 新型气化炉的工况条件和耐火材料的结构

  1.1 工况条件

  多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉内气氛为强还原性,CO+H2含量一般在80%以上,只含有少量C02和H20,还可能含有微量的H2S、NH3和N2。熔渣通常为酸性熔渣,即溶渣中Si02和Al203含量一般大于CaO、MgO碱性渣额的总量。

  1.2 耐火材料的结构

  该气化炉内衬耐火材料共分三层,从里到外依次为铬铅锆质耐火材料、铬刚玉质耐火材料、氧化铝空心球质耐火材料(图1所示)。其中向火面铬铝锆质耐火砖是保证气化炉正常运行的关键部分。炉内耐火材料结构从上到下依次为拱顶、筒体、锥底三部分。为了便于耐火砖的局部史换,拱顶、筒体、锥底都设计成可独立更换。多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉在炉体直段设置了两道托砖板,目的在于降低耐火材料在使用过程中由于温度变化而产生的累积尺寸变形,减少对烧嘴、热电偶等部件的剪切作用。托砖板位置的炉壁外部设有散热片,强化该部位的散热效果,防止通过膨胀缝导致该处的炉壁温度过高。

  2 新型气化炉耐火材料简介

  2.1 向火面耐火砖

  由于向火而直接与煤溶渣接触,是气化炉中耐火材料使/I]条件苛刻的部位,所以向火而砖选用90铬铝锆砖(髙铬砖)。铬铝锆砖所用原料为Cr203含量大于99[wiki]%[/wiki]的Cr203电熔合成料(体积密度大于5.1g/cm3),同时添加有超细粉,经混碾、成型后在高温梭式窑中烧成。该产品具有体积密度大(大于4.25g/cm3)、气孔率低(小于16%)、常温耐压大(大于120Mpa)、氧化铁和氧化硅等杂质含量少的优点,同时具有很好的热态稳定性能、抗髙温蠕变性能等。这些满足了气化炉向火面用耐火材料的要求,所以90铬铝锆砖是目前气化炉向火面耐火材料的选择。

  2.2 背衬砖

  背衬砖位于向火面砖背后,对气化炉耐火材料整体起着重要的力学支撑作用,并且能够经受髙温下腐蚀性气体的侵蚀。12铬刚玉砖常温强度很高(大于120Mpa),并且高纯刚玉中添加12%以上的氧化铬更增加了该制品抗腐蚀性气体侵蚀的性能。

  2.3 隔热砖

  隔热砖位于背衬砖之后,对气化炉起保温作用,使热损失降低,使外壁温度保持在设定值,是一种很好的节能材料;氧化铝空心球砖除了导热率低(0.8W/mk/1000°C)外,常温、高温强度是轻质耐火材料中的,并且杂质含量极低,具有很好的抗腐蚀性气体的侵蚀能力和缓冲热应力能力,是目前轻质保温耐火材料中的材料。

  2.4 其他辅材

  2.4.1可压缩层

  可压缩料具有容重小、导热率低的特点,具有很好的保温绝热性能,同时又具有一定的强度,能够有效缓冲髙温下里层耐火材料的径向膨胀,而且施工十分方便。

  2.4.2耐火浇注料

  (铬刚玉浇注料、氧化铝空心球浇注料)。铬刚玉浇注料用于拱顶及锥底,浇注料和砖相比具有以下优点:无灰缝,即整体性好;施工方便,特别是复杂结构的施工,方便快捷、省工、省时、省力。浇注料的抗气体侵蚀性强,同时由于体积密度大于2.95Mg/cm3,使浇注料具有很好的气密性。氧化铝空心球浇注料具有保温节能、施工方便等优点,适合气化炉局部使用。

  3 耐火砖的烧蚀模式

  气化炉内的温度场及流场是一个不均匀、不稳定、甚至不连续的温度场(图2所示)。产生局部高温的原因较多。因此,很容易使Cr203-Al203-ZrO耐火砖表面受高温作用而烧蚀损伤,甚至产生局部过烧熔化。在正常情况下,这个烧蚀损伤过程是缓慢进行的,只有在极端异常的炉内高温和反应工况,烧蚀过程才会明显加速。根据观察分析,耐火砖的烧蚀可分为高温熔化型烧蚀和高温氧化还原性烧蚀。

  气化炉耐火砖的高温熔化型烧蚀主要发生在富氧区、火焰舔烧区和气化炉过氧工况。这三个区域/工况都属于气化炉内的局部高温区。耐火砖的主要成分是Cr203、ZrO和A1203,经高温烧制而成。在炉内正常温度条件下,它们具有良好的稳定性,而且通常在运行中,耐火砖表面都覆盖着熔化的炉渣,因此,炉内高温气流不会与耐火砖表面直接接触。但在局部富氧区和高温气流直接舔烧耐火砖表而的区域,耐火砖表而组织软化和强度下降,耐磨损冲刷性能和组织结合性能下降,部分结合相被直接烧损。耐火砖烧蚀的速率受到多方而因素的影响,诸如气化炉工况,包括氧煤比、烧嘴性能、渣口压差、原料煤的灰分含量、灰渣组成特性、拱顶砖的型状和气化炉的负荷等,同时,耐火砖中存在的低熔点杂质也会加速耐火砖的熔化烧蚀速度。

  4 延长耐火材料使用寿命的措施和注意事项

  多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉耐火材料是保证气化炉长周期稳定运行的关键材料。延长耐火材料的使用寿命,是气化炉操作管理的一项重要任务。

  1、操作温度对耐火材料蚀损的影响非常关键。运行过程中要严格控制操作温度。一般选择操作温度比煤灰熔点FT温度高50-80°C。温度过高则对耐火砖产生强烈损坏。

  2、严格控制砌筑质量,按烘炉曲线升温。耐火砖的砌筑与烘炉是保证炉体成为一个整体、延长使用寿命的一个重要环节。

  3、通过对煤种的选择掺烧,控制熔渣的成分,在保证灰熔点的基础上,严格控制炉煤中Ca、Fe、Mg的含量,降低熔渣的侵蚀性。

  4、稳定各项工艺指标,延长气化炉的运行周期,防止炉温急剧波动和压力骤然升降,减少耐火材料由于热震稳定性造成的损害。

  5 结束语

  新型多喷嘴对置式水煤浆加压煤气化技术已日趋成熟。随着耐火材料工艺环境的改进,耐火材料应用已达到一个较为理想的周期,为新型煤气化技术的推广打下了坚实的基础。

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