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氣化爐高鉻磚的磨損及耐火材料壽命延长措施

时间:2020-02-11 11:41 作者:耐火材料生産廠家點擊:

氣化爐內高鉻磚腐蝕和磨損的原因

GE水煤漿氣化爐,其殼體(包括燃燒室與激冷室)主體及鍛件材質均采用SA387Grade11ClasS2,經過正火+回火精煉和真空脫氣處理,在500℃以下具有良好的高溫強度、抗氧化性、抗硫化物腐蝕性。其中,核心設備——氣化爐燃燒室分爲三部分:上部爲拱頂,(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉澆注料、纖維塗抹料(可壓縮料)砌築,拱頂高鉻磚設計使用壽命一般爲15000h;中部爲筒體,(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉磚、隔熱磚、纖維塗抹料(可壓縮料)砌築,筒體高鉻磚設計使用壽命一般爲12000h;下部爲錐底和渣口,(由內向外)采用高鉻磚和鉻剛玉澆注料砌築,錐底高鉻磚設計使用壽命一般爲6500h,渣口高鉻磚設計使用壽命一般爲4000h。

氣化爐燃燒室設計內襯4層耐火材料——高鉻磚、鉻剛玉磚、隔熱磚、纖維塗抹料(可壓縮料),其作用分別爲:高鉻磚使用Cr90磚(Cr2O3),爲高密度高鉻磚,能夠保護絕熱耐火材料免于渣蝕、氫蝕及火焰損害;氣化爐支撐襯裏層爲高密度低鉻高鋁材料(Cr2O3與Al2O3),即鉻剛玉磚,主要作用爲支撐拱頂磚,可大大減輕氣化爐的重量;隔熱磚(保溫層)爲氧化鋁空心球磚(鐵含量低),可有效降低金屬殼體的溫度,提高殼體耐CO腐蝕的能力;纖維塗抹料(可壓縮料)是由碎耐火纖維制成的絕熱材料(一些設計中也使用25.4mm厚的耐火氈),可在耐火磚被加熱發生膨脹的情況下被壓縮,對殼體起到絕熱保護的作用。
 

氣化爐內高鉻磚腐蝕和磨損的原因分析

1、高溫燒蝕

水煤漿氣化爐的操作溫度由煤的灰熔點和煤灰粘溫特性決定,水煤漿在氣化爐內的主要反應爲裂解反應和氧化反應,正常工況下操作溫度控制在約1350℃。操作溫度對高鉻磚的使用壽命影響很大,氣化爐操作溫度越高,灰渣的粘度越低,流動性越好,其對高鉻磚的燒蝕和滲透就越嚴重,侵蝕速率就越大,高鉻磚的使用壽命就越短。例如,某煤化工企業水煤漿氣化裝置,正常工況下氣化爐氧煤比控制在480~500m3/m3,氣化爐出口粗合成氣中的甲烷含量爲(1500~1800)×10-6,2016年10月份時,由于原料煤煤質不穩定,煤灰分高達16.6%、煤灰熔點達1480℃,5台在運氣化爐同時出現堵渣現象,當時爲了維持正常排渣,氣化爐操作溫度控制較高,氧煤比控制在520~540m3/m3,氣化爐出口粗合成氣中的甲烷含量爲(100~200)×10-6,異常工況持續了35d,由于渣口堵塞嚴重,終導致2#爐、3#爐、4#爐被迫停車;檢修氣化爐時發現,氣化爐高鉻磚燒蝕和滲透非常嚴重,渣口高鉻磚使用不到2000h就被迫更換,而由于高鉻磚更換難度大,無法實現5台氣化爐運行,在長達15d的時間內,只能4台氣化爐運行且沒有備爐。

由于原料煤煤質不穩定而引起的氣化爐高爐溫操作對爐磚的使用壽命影響極大,在氣化爐爐溫高于正常操作溫度100℃操作的35d內,高鉻磚的燒蝕速率明顯增大,耐火材料使用壽命縮減2000?5000h。

2、高壓下的化學侵蝕

水煤漿氣化爐燃燒室在6.15MPa的操作壓力下進行著裂解反應和氧化反應,産生主要成分爲H2和CO的粗合成氣,燃燒室內耐火材料——高鉻磚會被這2種強還原性氣體籠罩,而任何耐火材料本體必定存在一些微細的縫隙和氣孔,這將成爲氣化爐內氣體進入爐磚的通道,氣體向耐火材料內部滲透,並與高鉻磚中的SiO2、Fe2O3等氧化物反應,破壞爐磚的結構和強度,影響其使用壽命。因此,對水煤漿氣化爐耐火磚的砌築質量要求非常苛刻,如果耐火磚的砌築質量不合格,很可能短時間內就能使耐火磚損壞,大大影響耐火磚的使用壽命,危及氣化爐的安全、穩定運行。

3、灰渣和氣流的沖刷

運行過程中,水煤漿氣化爐內會持續不斷地産生高溫氣體和熔融態灰渣,這2種介質充滿了氣化爐,以一定的流速向下流動,會對耐火材料——高鉻磚壁面造成嚴重的沖刷和磨損,即産生沖蝕性損傷。

4、氣化爐的頻繁開停車

某煤化工企業水煤漿氣化爐采用五開兩備運行模式,單台氣化爐投煤量1500t/d,自2010年5月投運以來每套工藝燒嘴平均使用壽命不到30d,年更換工藝燒嘴多達60余次,頻繁地開停車對氣化爐耐火材料——高鉻磚的使用壽命造成嚴重影響,筒體高鉻磚使用壽命僅10000h、錐底高鉻磚使用壽命僅4500h、渣口高鉻磚使用壽命僅2500h,其使用壽命均未達到設計要求。爲此,該煤化工企業于2012年3月成立了工藝燒嘴攻關小組,采取相應的措施後,每套工藝燒嘴的平均使用壽命超過65d,年更換工藝燒嘴次數降至約26次,開停車次數的減少使得氣化爐耐火材料——高鉻磚的使用壽命明顯延長,高鉻磚的使用壽命均達到設計要求,甚至超過了設計使用壽命,其中5#爐高鉻磚的使用壽命更是達到了15647h。可見,氣化爐開停車次數對氣化爐耐火材料的使用壽命影響很大,據統計,開車投料次數每增加1倍,對氣化爐耐火材料的侵蝕速度會增大1倍。

5、氣化爐負荷高

氣化爐高負荷運行,進入氣化爐的煤漿流量和氧氣流量大,渣量也必然大,勢必加速高鉻磚的沖刷和燒蝕,對高鉻磚的使用壽命頗有影響。
 

氣化爐耐火材料壽命延長措施

通過多年來對氣化爐操作經驗的總結和對氣化爐爐磚檢修的觀察,筆者認爲,要保證水煤漿氣化爐耐火材料——高鉻磚安全、穩定、長期運行,關鍵要把控好以下幾點:首先,生産中要加強對原料煤煤質的監管,准確掌握煤的灰熔點,確定適宜的氣化爐操作溫度並控制穩定;其次,不斷地對氣化爐工藝燒嘴進行攻關以延長其使用壽命,對氣化爐相關工藝參數嚴格監控,盡量避免氣化爐不必要的停車,大幅降低氣化爐開停車次數;再者,當原料煤煤質發生變化時,操作人員—定要仔細觀察、精心操作,氧煤比調整一定要緩慢,不能操之過急,避免將挂在爐壁上的渣全部熔掉,進而燒蝕和沖刷氣化爐耐火磚,縮減其使用壽命。具體措施如下所示:

1、做好耐火材料的砌築、養護和優化

(1)耐火材料的砌築嚴格遵照《工業爐砌築工程施工及驗收規範》(GB50211—2004),熱面磚和背襯磚的砌築按一類砌體要求進行砌築,耐火火泥和澆築料嚴格按照使用說明配比,澆築料配制完畢後需在30min內使用,澆築後至少需24h才能幹燥。

(2)所有相鄰耐火磚層應錯縫砌築,所有垂直磚縫要錯開,磚縫連接處必須充滿耐火火泥,以防運行中竄氣;所有耐火磚都必須使用認可的火泥砌築;所有耐火磚都必須按照從爐體中心線的設計半徑開始砌築;所有耐火磚尺寸不得小于原耐火磚尺寸的1/2。

(3)砌築氣化爐爐磚主要控制參數:橫向磚縫小于1.0mm,豎向磚縫小于1.8mm,垂直度±5mm,水平度±4mm,同心度±5mm;高鉻磚火泥灰縫不大于1.2mm,鉻剛玉磚火泥灰縫不大于2mm;筒體磚與拱頂磚對接處要預留膨脹縫,膨脹縫35~50mm,且膨脹縫中不允許有多余的火泥。

(4)新砌築爐磚應自然通風幹燥48h後才能開始烘爐升溫,烘爐分爲150℃、350℃、600℃、800℃、1000℃五個階段,每個階段均恒溫24h,烘爐期間的升溫速率控制在25℃/h,總烘爐升溫時間200h以上才具備投料使用條件;如果需進入爐內檢查,需將氣化爐降至常溫,降溫速率控制在50℃/h以內。

某煤化工企業對其5#氣化爐錐底磚和渣口磚砌築進行了優化(見表2):首先,更改了錐底結構設計,即錐底斜面砌築高鉻磚由5種磚型減至4種,灰縫由4個減至3個,層數由3層增至4層,錐底向火面耐火磚厚度增大50mm,錐底高度由1037mm增至1087mm;其次,將渣口磚更改爲易更換的結構,設計上增大了單個磚(型)的體積,減少了薄弱環節,有利于保持整體結構的穩定。

某煤化工企業對其5#氣化爐錐底磚和渣口磚進行優化改進後,試驗運行結果表明:砌築結構設計的改變,便于渣口磚的單獨更換,且不會對錐底磚造成影響;大大增強了渣口向火面耐火磚抗沖刷、抗侵蝕的能力,渣口高鉻磚的使用壽命達到6300h。

2、嚴格控制氣化爐的操作溫度

據原料煤的分析數據,確定適宜的氣化爐操作溫度。例如,測得原料煤的灰熔點爲1350℃,以此溫度作爲氣化爐的操作溫度,運行72h;氣化爐排渣順暢後,將操作溫度降低50℃(即1300℃),以此溫度作爲氣化爐的操作溫度,再運行72h;若氣化爐排渣還是比較順暢,再降低氣化爐操作溫度50℃(即1250℃),再運行72h;以此類推,直到氣化爐排渣不順暢且不能堅持運行24h,在此對應的氣化爐操作溫度的基礎上增加50℃,即爲氣化爐的適宜操作溫度。氣化爐的托盤溫度控制在249℃,不允許超過265且長時間操作。氣化爐出口粗合成氣溫度控制在245℃。洗滌塔出口粗合成氣組分參考正常工況下的工藝參數(見表1)操作。氣化爐表面溫度控制采用控制室趨勢圖控制和現場巡檢檢面溫度控制采用控制室趨勢圖控制和現場巡檢檢測2種手段:控制室據趨勢控制氣化爐表面溫度在285℃以下;現場測溫每2h測量1次,控制測量數據在290℃以下。

3、耐火材料的質量、運輸、堆放等執行嚴格的標准

(1)氣化爐燃燒室耐火材料(向火面耐火磚、背襯磚、保溫層、可壓縮層)的質量要求:向火面耐火磚爲鉻含量90%以上的高鉻磚;背襯磚爲鉻含量12%的鉻剛玉磚;保溫層爲Al2O3含量98%的空心球磚;可壓縮層爲小3mm聚乙烯可燃材料(50m2)在氣化爐爐頭和4個高溫熱偶處添加厚度爲6mm的耐火陶瓷纖維,共計25m2。

(2)高標准、高規格地執行耐火材料的運送、堆放和檢查,是確保耐火材料使用壽命的重要環節。耐火磚運輸、裝卸過程中要注意輕拿輕放,嚴禁耐火磚墜落;多層裝車時,層與層之間用麻袋隔開,每層要排緊,空隙處用麻袋塞緊,防止運輸中耐火磚之間相互碰撞而損壞。耐火材料運至現場後,按材質和編號的不同分類堆放在氣化爐平台上,堆放場所必須注意防潮。

4、優化氣化爐相關運行參數

(1)氣化爐的適宜操作溫度確定後,據氣化爐的操作溫度時時對氧煤比進行跟蹤調節,以維持氣化爐操作溫度穩定,在煤漿流量一定的情況下,對氧氣閥開度進行小幅多次微調(每次調節0.1%閥位),並據操作參數趨勢圖的走向控制穩定,不允許大幅調整氧氣閥的閥位;至于中心氧的比例,嚴格按照要求(精確到小數點後3位)精細化操作。

(2)氣化爐激冷水量據氣化爐負荷時時調控,激冷水量一般控制在440-500m3/h(激冷水量過低,會使激冷環水量少和下降管水膜薄,不能充分保護氣化爐激冷環和下降管;激冷水量過高,會增大對激冷環的磨損)。

(3)對氣化爐工藝燒嘴進行攻關,延長氣化爐工藝燒嘴的使用壽命,以減少氣化爐開停車次數;氣化爐各項參數操作穩定,減少誤操作,避免工況波動及不必要的氣化爐停車事故發生。

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