气化炉高铬砖的磨损及耐火材料寿命延长措施

气化炉高铬砖的磨损及耐火材料寿命延长措施

气化炉内高铬砖腐蚀和磨损的原因

GE水煤浆气化炉，其壳体(包括燃烧室与激冷室)主体及锻件材质均采用SA387Grade11ClasS2，经过正火+回火精炼和真空脱气处理，在500℃以下具有良好的高温强度、抗氧化性、抗硫化物腐蚀性。其中，核心设备——气化炉燃烧室分为三部分：上部为拱顶，(由内向外)采用高铬砖和铬刚玉浇注料、纤维涂抹料(可压缩料)砌筑，拱顶高铬砖设计使用寿命一般为15000h;中部为筒体，(由内向外)采用高铬砖和铬刚玉砖、隔热砖、纤维涂抹料(可压缩料)砌筑，筒体高铬砖设计使用寿命一般为12000h;下部为锥底和渣口，(由内向外)采用高铬砖和铬刚玉浇注料砌筑，锥底高铬砖设计使用寿命一般为6500h，渣口高铬砖设计使用寿命一般为4000h。

气化炉燃烧室设计内衬4层耐火材料——高铬砖、铬刚玉砖、隔热砖、纤维涂抹料(可压缩料)，其作用分别为：高铬砖使用Cr90砖(Cr2O3)，为高密度高铬砖，能够保护绝热耐火材料免于渣蚀、氢蚀及火焰损害;气化炉支撑衬里层为高密度低铬高铝材料(Cr2O3与Al2O3)，即铬刚玉砖，主要作用为支撑拱顶砖，可大大减轻气化炉的重量;隔热砖(保温层)为氧化铝空心球砖(铁含量低)，可有效降低金属壳体的温度，提高壳体耐CO腐蚀的能力;纤维涂抹料(可压缩料)是由碎耐火纤维制成的绝热材料(一些设计中也使用25.4mm厚的耐火毡)，可在耐火砖被加热发生膨胀的情况下被压缩，对壳体起到绝热保护的作用。

气化炉内高铬砖腐蚀和磨损的原因分析

1、高温烧蚀
水煤浆气化炉的操作温度由煤的灰熔点和煤灰粘温特性决定，水煤浆在气化炉内的主要反应为裂解反应和氧化反应，正常工况下操作温度控制在约1350℃。操作温度对高铬砖的使用寿命影响很大，气化炉操作温度越高，灰渣的粘度越低，流动性越好，其对高铬砖的烧蚀和渗透就越严重，侵蚀速率就越大，高铬砖的使用寿命就越短。例如，某煤化工企业水煤浆气化装置，正常工况下气化炉氧煤比控制在480~500m3/m3，气化炉出口粗合成气中的甲烷含量为(1500~1800)×10-6，2016年10月份时，由于原料煤煤质不稳定，煤灰分高达16.6%、煤灰熔点达1480℃，5台在运气化炉同时出现堵渣现象，当时为了维持正常排渣，气化炉操作温度控制较高，氧煤比控制在520~540m3/m3，气化炉出口粗合成气中的甲烷含量为(100~200)×10-6，异常工况持续了35d，由于渣口堵塞严重，终导致2#炉、3#炉、4#炉被迫停车;检修气化炉时发现，气化炉高铬砖烧蚀和渗透非常严重，渣口高铬砖使用不到2000h就被迫更换，而由于高铬砖更换难度大，无法实现5台气化炉运行，在长达15d的时间内，只能4台气化炉运行且没有备炉。

由于原料煤煤质不稳定而引起的气化炉高炉温操作对炉砖的使用寿命影响极大，在气化炉炉温高于正常操作温度100℃操作的35d内，高铬砖的烧蚀速率明显增大，耐火材料使用寿命缩减2000?5000h。

2、高压下的化学侵蚀
水煤浆气化炉燃烧室在6.15MPa的操作压力下进行着裂解反应和氧化反应，产生主要成分为H2和CO的粗合成气，燃烧室内耐火材料——高铬砖会被这2种强还原性气体笼罩，而任何耐火材料本体必定存在一些微细的缝隙和气孔，这将成为气化炉内气体进入炉砖的通道，气体向耐火材料内部渗透，并与高铬砖中的SiO2、Fe2O3等氧化物反应，破坏炉砖的结构和强度，影响其使用寿命。因此，对水煤浆气化炉耐火砖的砌筑质量要求非常苛刻，如果耐火砖的砌筑质量不合格，很可能短时间内就能使耐火砖损坏，大大影响耐火砖的使用寿命，危及气化炉的安全、稳定运行。

3、灰渣和气流的冲刷
运行过程中，水煤浆气化炉内会持续不断地产生高温气体和熔融态灰渣，这2种介质充满了气化炉，以一定的流速向下流动，会对耐火材料——高铬砖壁面造成严重的冲刷和磨损，即产生冲蚀性损伤。

4、气化炉的频繁开停车
某煤化工企业水煤浆气化炉采用五开两备运行模式，单台气化炉投煤量1500t/d，自2010年5月投运以来每套工艺烧嘴平均使用寿命不到30d，年更换工艺烧嘴多达60余次，频繁地开停车对气化炉耐火材料——高铬砖的使用寿命造成严重影响，筒体高铬砖使用寿命仅10000h、锥底高铬砖使用寿命仅4500h、渣口高铬砖使用寿命仅2500h，其使用寿命均未达到设计要求。为此，该煤化工企业于2012年3月成立了工艺烧嘴攻关小组，采取相应的措施后，每套工艺烧嘴的平均使用寿命超过65d，年更换工艺烧嘴次数降至约26次，开停车次数的减少使得气化炉耐火材料——高铬砖的使用寿命明显延长，高铬砖的使用寿命均达到设计要求，甚至超过了设计使用寿命，其中5#炉高铬砖的使用寿命更是达到了15647h。可见，气化炉开停车次数对气化炉耐火材料的使用寿命影响很大，据统计，开车投料次数每增加1倍，对气化炉耐火材料的侵蚀速度会增大1倍。

5、气化炉负荷高
气化炉高负荷运行，进入气化炉的煤浆流量和氧气流量大，渣量也必然大，势必加速高铬砖的冲刷和烧蚀，对高铬砖的使用寿命颇有影响。


气化炉耐火材料寿命延长措施
通过多年来对气化炉操作经验的总结和对气化炉炉砖检修的观察，笔者认为，要保证水煤浆气化炉耐火材料——高铬砖安全、稳定、长期运行，关键要把控好以下几点：首先，生产中要加强对原料煤煤质的监管，准确掌握煤的灰熔点，确定适宜的气化炉操作温度并控制稳定;其次，不断地对气化炉工艺烧嘴进行攻关以延长其使用寿命，对气化炉相关工艺参数严格监控，尽量避免气化炉不必要的停车，大幅降低气化炉开停车次数;再者，当原料煤煤质发生变化时，操作人员—定要仔细观察、精心操作，氧煤比调整一定要缓慢，不能操之过急，避免将挂在炉壁上的渣全部熔掉，进而烧蚀和冲刷气化炉耐火砖，缩减其使用寿命。具体措施如下所示：

1、做好耐火材料的砌筑、养护和优化

(1)耐火材料的砌筑严格遵照《工业炉砌筑工程施工及验收规范》(GB50211—2004)，热面砖和背衬砖的砌筑按一类砌体要求进行砌筑，耐火火泥和浇筑料严格按照使用说明配比，浇筑料配制完毕后需在30min内使用，浇筑后至少需24h才能干燥。

(2)所有相邻耐火砖层应错缝砌筑，所有垂直砖缝要错开，砖缝连接处必须充满耐火火泥，以防运行中窜气;所有耐火砖都必须使用认可的火泥砌筑;所有耐火砖都必须按照从炉体中心线的设计半径开始砌筑;所有耐火砖尺寸不得小于原耐火砖尺寸的1/2。

(3)砌筑气化炉炉砖主要控制参数：横向砖缝小于1.0mm，竖向砖缝小于1.8mm，垂直度±5mm，水平度±4mm，同心度±5mm;高铬砖火泥灰缝不大于1.2mm，铬刚玉砖火泥灰缝不大于2mm;筒体砖与拱顶砖对接处要预留膨胀缝，膨胀缝35~50mm，且膨胀缝中不允许有多余的火泥。

(4)新砌筑炉砖应自然通风干燥48h后才能开始烘炉升温，烘炉分为150℃、350℃、600℃、800℃、1000℃五个阶段，每个阶段均恒温24h，烘炉期间的升温速率控制在25℃/h，总烘炉升温时间200h以上才具备投料使用条件;如果需进入炉内检查，需将气化炉降至常温，降温速率控制在50℃/h以内。

某煤化工企业对其5#气化炉锥底砖和渣口砖砌筑进行了优化(见表2):首先，更改了锥底结构设计，即锥底斜面砌筑高铬砖由5种砖型减至4种，灰缝由4个减至3个，层数由3层增至4层，锥底向火面耐火砖厚度增大50mm，锥底高度由1037mm增至1087mm;其次，将渣口砖更改为易更换的结构，设计上增大了单个砖(型)的体积，减少了薄弱环节，有利于保持整体结构的稳定。

某煤化工企业对其5#气化炉锥底砖和渣口砖进行优化改进后，试验运行结果表明：砌筑结构设计的改变，便于渣口砖的单独更换，且不会对锥底砖造成影响;大大增强了渣口向火面耐火砖抗冲刷、抗侵蚀的能力，渣口高铬砖的使用寿命达到6300h。

2、严格控制气化炉的操作温度

据原料煤的分析数据，确定适宜的气化炉操作温度。例如，测得原料煤的灰熔点为1350℃，以此温度作为气化炉的操作温度，运行72h;气化炉排渣顺畅后，将操作温度降低50℃(即1300℃)，以此温度作为气化炉的操作温度，再运行72h;若气化炉排渣还是比较顺畅，再降低气化炉操作温度50℃(即1250℃)，再运行72h;以此类推，直到气化炉排渣不顺畅且不能坚持运行24h，在此对应的气化炉操作温度的基础上增加50℃，即为气化炉的适宜操作温度。气化炉的托盘温度控制在249℃，不允许超过265且长时间操作。气化炉出口粗合成气温度控制在245℃。洗涤塔出口粗合成气组分参考正常工况下的工艺参数(见表1)操作。气化炉表面温度控制采用控制室趋势图控制和现场巡检检面温度控制采用控制室趋势图控制和现场巡检检测2种手段：控制室据趋势控制气化炉表面温度在285℃以下;现场测温每2h测量1次，控制测量数据在290℃以下。

3、耐火材料的质量、运输、堆放等执行严格的标准

(1)气化炉燃烧室耐火材料(向火面耐火砖、背衬砖、保温层、可压缩层)的质量要求:向火面耐火砖为铬含量90%以上的高铬砖;背衬砖为铬含量12%的铬刚玉砖;保温层为Al2O3含量98%的空心球砖;可压缩层为小3mm聚乙烯可燃材料(50m2)在气化炉炉头和4个高温热偶处添加厚度为6mm的耐火陶瓷纤维，共计25m2。

(2)高标准、高规格地执行耐火材料的运送、堆放和检查，是确保耐火材料使用寿命的重要环节。耐火砖运输、装卸过程中要注意轻拿轻放，严禁耐火砖坠落;多层装车时，层与层之间用麻袋隔开，每层要排紧，空隙处用麻袋塞紧，防止运输中耐火砖之间相互碰撞而损坏。耐火材料运至现场后，按材质和编号的不同分类堆放在气化炉平台上，堆放场所必须注意防潮。

4、优化气化炉相关运行参数

(1)气化炉的适宜操作温度确定后，据气化炉的操作温度时时对氧煤比进行跟踪调节，以维持气化炉操作温度稳定，在煤浆流量一定的情况下，对氧气阀开度进行小幅多次微调(每次调节0.1%阀位)，并据操作参数趋势图的走向控制稳定，不允许大幅调整氧气阀的阀位;至于中心氧的比例，严格按照要求(精确到小数点后3位)精细化操作。

(2)气化炉激冷水量据气化炉负荷时时调控，激冷水量一般控制在440-500m3/h(激冷水量过低，会使激冷环水量少和下降管水膜薄，不能充分保护气化炉激冷环和下降管;激冷水量过高，会增大对激冷环的磨损)。

(3)对气化炉工艺烧嘴进行攻关，延长气化炉工艺烧嘴的使用寿命，以减少气化炉开停车次数;气化炉各项参数操作稳定，减少误操作，避免工况波动及不必要的气化炉停车事故发生。