新型气化炉的耐火问题
文摘:简要介绍了多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉燃烧室耐火衬里的结构和选择，分析了耐火砖的侵蚀机理、烧蚀方式及影响耐火砖使用寿命的因素，探讨了提高耐火砖使用寿命的措施，对多喷嘴气化炉的稳定运行具有重要意义。
关键词:腐蚀机理，水煤浆气化炉耐火材料寿命测定
水煤浆气化炉主要是将煤清洁高效地转化为合成气(主要成分为CO+H2)。
其工作过程是水煤浆和气化剂(O2)一起通过喷嘴，气化剂高速喷出与煤浆混合雾化，在气化炉内进行火焰式非催化部分氧化反应，即煤气化技术。
目前应用最广泛的气化炉主要有美国德士古发展公司开发的水煤浆加压气化炉(原德士古，现GE)和我国自主研发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉(以下简称OMB加压气化炉)。
OMB加压气化炉以其独特的技术优势得到了国内外煤化工企业的广泛认可。
无论是GE还是OMB的加压气化炉，燃烧室的受火面都使用铬铝锆砖(俗称高铬砖)。目前，内衬耐火材料的使用寿命仍然是影响气化炉长期稳定运行的主要因素之一。
一、OMB加压气化炉的工作环境和对耐火材料的要求
水煤浆加压气化炉的工作条件极其恶劣。燃烧反应室有强烈的还原气氛，被酸性渣侵蚀，被高速流体冲刷。气化炉内的温度场和流场是不均匀、不稳定甚至不连续的。
它要求温度高(1250 ~ 1550℃)、压力高(2 ~ 8.5 MPa)、强还原性气氛和液态酸性排渣，并伴有固体、液体和气体的高速冲刷，开停工时温度和压力波动大。
这些都对气化炉用耐火材料，尤其是火面耐火砖提出了严格的要求。
1.它必须具有良好的抗渣侵蚀性、抗渗透性和抗震性能。
2.高温下体积稳定性好，能抵抗温度和压力的波动。
3.高热强度，抗熔渣侵蚀和磨损。
二、OMB加压气化炉用耐火材料的结构
气化炉燃烧室耐火衬里分为拱顶、圆筒、锥底和出渣口四部分(如图1)。
1.跳马？拱顶有三层，从里到外分别是面砖、铬刚玉浇注料和可压缩材料(主要用于膨胀)。
拱顶是侵蚀最严重的部分，其结构呈半球形。每块砖都有两个垂直和水平的凹槽。铺成环形后，与上、下、左、右砖形成整体合力，保证其稳定性。
金库里有一个伸缩接头。
2.气缸？筒体内有三层，分别是面砖、背砖、隔热砖、保温砖和炉墙，由内向外填充20mm岩棉，用于保温，也为耐火砖的径向膨胀提供空间。
汽缸是圆柱形的，有两个伸缩接头。
3.锥底？锥底有两层，即面砖和铬刚玉浇注料，锥底为圆锥形。
4.渣嘴？渣口有三层，即耐火砖、背衬砖和铬刚玉浇注料，渣口为圆柱形。
所有耐火砖的弧长由内向外逐渐增加，砌筑完成后每层在圆周方向会形成一个整体。
三、OMB加压气化炉耐火材料的选择
1.防火瓷砖
由于炉边与煤渣直接接触，是气化炉用耐火材料要求最高的部分，炉边砖选用90铬铝锆砖(俗称高铬砖，主要性能参数见表1)。
铬铝锆砖的原料为Cr2O3含量大于99[wiki]%[/wiki](体积密度大于5.1g/cm3)的Cr2O3电熔合成料，同时加入超细粉，经混合、研磨、成型后在高温梭式窑中烧结。
该产品具有体积密度高(大于4.25g/cm3)、气孔率低(小于16%)、耐室温压力高(大于120MPa)、氧化铁、氧化硅等杂质少、热稳定性好、抗高温蠕变等优点。
这些都满足了气化炉火面耐火材料的要求，所以90 Cr-Al-Zr砖是目前气化炉火面耐火材料的最佳选择。
2.背衬砖
背衬砖位于迎火砖的后面，对气化炉整体耐火材料起着重要的机械支撑作用，并能承受高温下【维基】腐蚀性气体的侵蚀。
12铬刚玉砖(主要性能参数见表2)常温下强度很高(120MPa以上)，在高纯刚玉中加入12%以上的氧化铬，进一步提高了该产品的耐腐蚀性。
3.隔热砖
保温砖，位于支撑砖的后面，起到保温气化炉，减少热量损失，保持外壁温度在设定值的作用，是一种很好的节能材料。氧化铝空心球砖除了导热系数低(0.8W/mk/1000℃)，常温和高温强度最好，杂质含量极低，具有良好的耐腐蚀性和热应力缓冲能力。
是目前轻质隔热耐火材料中的最佳材料。
4.可压缩层
可压缩材料具有体积密度小、导热系数低的特点，保温性能好，同时具有一定的强度，能有效缓冲高温下内部耐火材料的径向膨胀，施工非常方便。
5.耐火浇注料(铬刚玉浇注料、氧化铝空心球浇注料)
球顶和锥底采用铬刚玉浇注料。与砖相比，浇注料有以下优点:无灰缝，即整体性好。
施工方便，特别是复杂结构，方便快捷，省工省时省力。
该浇注料具有很强的抗气体侵蚀能力，同时由于体积密度大于2.95g/cm3，具有良好的气密性。
氧化铝空心球浇注料具有保温、节能、施工方便等优点，适合气化炉就地使用。
四。OMB加压气化炉内衬侵蚀机理及烧蚀模式
1.腐蚀机理
气化炉耐火材料的侵蚀主要表现为火面铬铝锆砖变薄。根据实验室工作和使用后的铬铝锆砖残砖分析，通常有两种侵蚀方式，即侵蚀和剥落。
侵蚀表现为火面耐火材料逐渐溶解成渣，或火面耐火材料结合相溶解后，火面砖的表面颗粒随渣脱落，侵蚀是连续而缓慢的。
剥落主要发生在一些特殊阶段，即耐火材料在火表面脱落成流动的液态渣，这主要是由于炉温的急剧波动和压力的突然升降，破坏了耐火材料的热震稳定性。
在气化炉的实际运行中，还存在其他侵蚀机理。
各种氧化物在煤渣中的渗透和溶解如图2、3和4所示。
通过比较发现，SiO2容易深入高铬耐火材料内部而不发生反应。
而FeO不能深入到高铬耐火材料中，只能在相邻界面反应生成Fe(Cr，Al)2O4尖晶石。
CaO的渗入和反应介于上述两种氧化物之间。
2.消融模式
因为气化炉内的温度场和流场是不均匀的、不稳定的，甚至是不连续的。
造成局部高温的原因很多。因此容易造成Cr2O3 -Al2O3-ZrO耐火砖表面被高温烧蚀损坏，甚至造成局部过烧熔化。
一般情况下，这种烧蚀损伤过程是缓慢的，只有在炉内极端异常的高温和反应条件下，烧蚀过程才会明显加快。
根据观察和分析，耐火砖的烧蚀可分为高温熔化烧蚀和高温氧化还原烧蚀。
气化炉耐火砖的高温熔融烧蚀主要发生在富氧区、舔焰区和气化炉过氧化氢工况区。
这三个区域/工况都属于气化炉内的局部高温区域。
耐火砖的主要成分是Cr2O3、ZrO、Al2O3，高温烧制而成。
在炉内常温下，它们具有良好的机械稳定性，而且通常在运行中，耐火砖表面被熔渣覆盖，所以炉内的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舐耐火砖表面的区域，耐火砖表面结构软化，强度下降，耐磨耐侵蚀性能和结构的结合性能下降，部分结合相被直接烧损。
耐火砖的烧蚀率受多种因素的影响，如气化炉的工况，包括氧煤比、燃烧器性能、渣口压差、原煤灰分、灰成分特性、拱顶砖形状、气化炉负荷等。同时，耐火砖中的低熔点杂质也会加快耐火砖的熔化和烧蚀速度。
动词 （verb的缩写）延长OMB加压气化炉耐火材料寿命的措施及注意事项
OMB加压气化炉耐火材料是保证气化炉长期稳定运行的关键。
如何延长和保证耐火材料，特别是耐火面铬铝锆砖的使用寿命，是气化炉操作管理的一项重要任务。
1.增加迎火砖的Cr2O3含量，提高其耐腐蚀性(如图5)。
2.利用相变增韧技术提高耐火材料的热震稳定性。
在气化炉运行过程中，气化炉的温度会因为这样或那样的原因而波动，这就要求耐火材料具有高抗热震性，即高热震稳定性。
基于ZrO2的相变增韧原理，即通过四方ZrO2和单斜ZrO2之间的相变并伴随3-5%的体积效应，在ZrO2颗粒周围形成许多微裂纹，可以缓冲制品中因温度变化而产生的热应力，提高制品的抗热震性，提高制品的热震稳定性。
3.严格控制耐火砖的砌筑质量。
优质耐火砖砌体对耐火砖的长期运行起着关键作用。控制砌体质量应做到以下几点。
3.1保证火面铬铝锆砖各项性能指标满足技术要求的同时，尺寸偏差满足要求，正偏差尽可能多，这样虽然砌筑难度更大，但能保证灰缝更小。
3.2在砌筑耐火砖的过程中，必须保证墙面的垂直偏差、拱顶耐火砖的内径偏差(以壳体中心线为基准)和拱顶、筒体、渣口同一截面的内径偏差符合要求。
燃烧器砖是整个气化炉内衬的关键部件。要求四个喷嘴的中心线必须相交于炉体中心线，偏差不大于？2毫米.
炉衬的垂直度公差是多少？3mm/3m，总高度误差不超过？6毫米.
为了保证耐火砖的砌筑质量，要求圆筒部分的砌筑层数不超过5层，拱顶的砌筑层数不超过2层。
所有灰缝必须饱满。
3.3通过计算，预留合适的伸缩缝。
既要防止径向膨胀后耐火砖因伸缩缝间隙过小而相互挤压，又要防止伸缩缝间隙过大而造成局部窜气和过热。
4.合理的温升
严格按照烤箱曲线升温。
耐火砖的砌筑和烘烤是保证炉体成为一个整体，延长使用寿命的重要环节。
优化操作
5.1操作温度对耐火材料的侵蚀非常重要。
操作时应严格控制操作温度。
一般工作温度比煤灰熔点FT高50-80℃。
过高的温度会对耐火砖造成强烈的损坏。
5.2通过选择混合燃烧的煤种，控制炉渣的成分，在保证灰熔点的基础上，严格控制炉煤中Ca、Fe、Mg的含量，降低炉渣的腐蚀性。
5.3稳定各项工艺指标，延长气化炉运行周期，防止炉温大幅波动和压力骤升骤降，减少热震稳定性对耐火材料的损害。
6.紧急情况的处理
异常情况，如压力上升和下降、车辆跳闸等。在起动和停止过程中，应妥善处理。如果处理不当，如压力、温度波动等，会对炉衬造成一定的损坏。
不及物动词结束语
OMB加压气化技术已日趋成熟。随着对耐火材料认识的提高，操作人员的操作水平有了很大的提高，经验也有了一定的积累，耐火材料的使用寿命明显延长。
目前，气化炉拱顶耐火砖的使用寿命已超过10000小时，耐火砖的侵蚀率明显下降，为气化系统的长周期、安全、稳定、高效运行奠定了坚实的基础。
但是，延长气化炉耐火砖的使用寿命还有很大的空间，需要我们更加努力才能有所突破。
参考
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