淺談粉煤氣化爐用SiC- Al2O3- Cr2O3系搗打料及其實踐應(yīng)用

周 濤，盈生才，周敏良，任 雋

(1.上海皕濤耐火材料有限公司 上海 201913； 2.中石化安慶分公司 安徽安慶 246002)

淺談粉煤氣化爐用SiC- Al2O3- Cr2O3系搗打料及其實踐應(yīng)用

周 濤1，盈生才1，周敏良2，任 雋2

(1.上海皕濤耐火材料有限公司 上海 201913； 2.中石化安慶分公司 安徽安慶 246002)

介紹粉煤氣化爐水冷壁的特點，分析了煤灰的熔點、黏度、灰分含量及爐膛溫度、耐火搗打料對水冷壁掛渣的影響。通過引入Cr2O3，提高了碳化硅搗打料抗煤渣侵蝕的能力；特種排濕劑的加入，縮短了烘爐時間并降低了烘爐溫度。實際運行結(jié)果表明，SiC- Al2O3- Cr2O3系搗打料有助于水冷壁的掛渣，起到了以渣抗渣的效果。

氣化爐；水冷壁；搗打料；掛渣

煤化工是煤炭潔凈、高效利用的重要途徑，通過高溫、高壓的化學(xué)過程，將含碳原料轉(zhuǎn)化成CO和H2，已在合成氨、甲醇、制氫、烯烴、發(fā)電等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。煤氣化過程的核心設(shè)備是在高溫、高壓下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的氣化爐，按所處理原料的形態(tài)可分為粉煤氣化爐和水煤漿氣化爐，按氣化爐爐膛襯里結(jié)構(gòu)可分為以德士古為代表的耐火磚結(jié)構(gòu)和以殼牌為代表的水冷壁結(jié)構(gòu)。

1 氣化爐水冷壁的特點

煤粉和氧氣在氣化爐燃燒室反應(yīng)，溫度為1 400～1 600 ℃，操作壓力約4.0 MPa。氣化爐水冷壁分為主水冷壁、上部盤管和渣口盤管三部分，水冷壁和急冷室由耐熱低合金鋼制成，水冷壁向火面焊有耐熱鋼抓釘和厚20 mm左右的碳化硅搗打料保護(hù)層，在碳化硅及運行過程中形成的固態(tài)渣層的保護(hù)下，水冷壁水管中水的溫度在270 ℃左右。

水冷壁水管有管式和盤式2種排列方式，采用管式排列(如殼牌爐)的合成氣旋流向上出爐，采用盤式排列(如航天爐)的合成氣向下出爐。水冷壁采用全密封垂直管(盤管)結(jié)構(gòu)，與爐膛為耐火磚結(jié)構(gòu)的氣化爐相比，壁溫降低110 ℃左右。由于水冷壁將原耐火磚爐壁的散熱用于生產(chǎn)蒸汽，故氣化爐效率較高。由于爐壁溫度不會高于水冷壁溫度，因此，不存在爐壁超溫的問題。

與耐火磚結(jié)構(gòu)的氣化爐相比，水冷壁氣化爐投資少、使用壽命長、維修費用低(無需配備專業(yè)烘爐隊及費用)，優(yōu)化烘爐僅需5 d左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。近幾年，一大批國產(chǎn)水冷壁氣化爐，如航天爐、第2代清華爐、SE- 東方爐相繼投產(chǎn)、運行。

2 影響水冷壁掛渣的因素

氣化爐在正常運行過程中，將煤粉、氧氣和蒸汽通過燒嘴高速噴入氣化爐燃燒室內(nèi)，射流引起卷吸并高度湍流，瞬間燃燒形成的熔融液態(tài)灰渣被燒嘴產(chǎn)生的旋流甩至水冷壁表面并在水冷壁循環(huán)水的冷卻下固化，附著于耐火材料表面形成原始渣層。在爐溫和冷卻水的雙重作用下，渣層不斷固化增厚或熔化減薄，初始渣層逐漸增厚，熱阻逐漸增大。當(dāng)氣化爐內(nèi)的渣層達(dá)到動態(tài)平衡后，水冷壁上的渣層可分為流動層、過渡層和固定層，流動層和過渡層隨氣化反應(yīng)的進(jìn)行不斷更新，因而渣層的厚度直接關(guān)系到氣化爐的安全運行。煤灰的熔點和黏度、爐膛溫度、氧煤比、耐火材料的性能對掛渣均有影響，其中氣化爐用耐火搗打料的不斷更新、升級則顯得尤為重要。

3 水冷壁搗打耐火襯里組成的確定

為防止水冷壁被熔渣腐蝕和損傷及提高熱傳導(dǎo)效率，使熔渣流動順暢，水冷壁表面需搗打厚約20 mm的搗打料，這就要求耐磨襯里有較高的導(dǎo)熱性，且在還原性氣氛中有良好的抗煤渣的侵蝕性。在武漢科技大學(xué)、中石化安慶分公司有關(guān)專家的協(xié)助下，結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)，成功開發(fā)出了氣化爐爐膛專用SiC- Al2O3- Cr2O3系碳化硅搗打料。

碳化硅是碳元素與硅元素以共價鍵結(jié)合的化合物，具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫、耐磨、抗沖刷、耐腐蝕等特點，具有很高的熱導(dǎo)率，500 ℃時為64.4 W/(m·K)，能將水冷壁渣層的熱量迅速傳遞至水冷壁。Al2O3經(jīng)高溫處理后的主晶相為α- Al2O3(剛玉)，密度3.9 g/cm3，耐火度2 250 ℃，莫氏硬度 9.0，具有高耐磨、抗腐蝕的特性。Cr2O3具有α- Al2O3晶體結(jié)構(gòu)，熔點2 435 ℃，對酸堿有很好的穩(wěn)定性，可與Al2O3，SiO2等氧化物形成固熔體，提高熔渣的黏度，可有效阻止熔渣的滲透。

氣化爐用碳化硅搗打料由高純度、大顆粒碳化硅、剛玉、鉻剛玉超細(xì)粉、磷酸鋁鉻結(jié)合劑、外加劑在特定的條件下配制而成，屬氣硬性搗打料，在空氣中就能固化。其強(qiáng)度的形成是由于膠體結(jié)合劑在35～240 ℃下脫水濃縮、發(fā)生聚合反應(yīng)，并與碳化硅、剛玉、微粉產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合。磷酸鋁鉻、高溫氧化物微粉、剛玉、鉻剛玉、納米級Cr2O3等原料在1 100～1 450 ℃下產(chǎn)生陶瓷結(jié)合，形成多晶復(fù)合相。高溫下納米級的氧化鉻與氧化鋁微粉形成固熔體，增強(qiáng)了襯里抗侵蝕性和耐磨性。

氣化爐運行時，受爐溫、煤質(zhì)等因素的影響，熔渣的黏度會下降，液態(tài)熔渣掛渣不密實，此時熔渣會對水冷壁上的抓釘以及碳化硅搗打料產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象。隨著溫度的升高，各氧化物在渣中的溶解量逐漸增大，而在相同溫度下，Cr2O3在煤熔渣中的溶解度相對最小，這就保證了材料的整體性。熔渣對Cr2O3材料的潤濕性較差，從而延緩了Cr2O3在熔渣中的溶解。Cr2O3材料溶解至渣中之后，會增大熔渣的黏度，甚至可以在材料表面形成均勻的保護(hù)層，堵塞材料的氣孔，從而抑制熔渣滲透。

在水冷壁耐火襯里料中，應(yīng)降低SiO2的含量，因為耐火材料中的SiO2無論是游離態(tài)還是結(jié)合態(tài)，都能與氣化爐內(nèi)的氫氣反應(yīng)，生成氣態(tài)產(chǎn)物而從耐火材料中逸出，進(jìn)而破壞耐火材料的組織結(jié)構(gòu)，使其強(qiáng)度降低，加速了耐火襯里的損毀，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiO2(s)+H2(g)→H2O(g)+SiO(g)。

4 產(chǎn)品性能

國產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品性能比較見表1。

5 使用方法

(1)爐內(nèi)搭好腳手架，提供足夠的照明，鑿去水冷壁上所需修補處的原襯里，將爐壁、水管壁上的松散澆注料清理干凈，再用吸塵器吸去游離顆粒和粉塵，按設(shè)計要求焊牢抓釘。

(2)氣化爐用耐火搗打料的施工溫度為5～30 ℃。若環(huán)境溫度低于5 ℃時，應(yīng)以適當(dāng)?shù)募訜岱绞綄⑹┕きh(huán)境預(yù)熱至要求的溫度；如果施工現(xiàn)場的溫度高于30 ℃，應(yīng)采取降溫措施，以滿足施工要求。

表1 國產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品性能比較

(3)在施工過程中不得隨意改變不定形耐火材料的配比，不應(yīng)在攪拌好的耐火搗打料內(nèi)任意加水或其他物料。耐火搗打料需采用特種攪拌機(jī)攪拌，攪拌機(jī)及上料斗、稱量容器等均應(yīng)清洗干凈。耐火襯里材料使用人工搗固施工，攪拌好的耐火搗打料應(yīng)在30 min內(nèi)施工完畢，不得使用已初凝的耐火材料?；旌夏突鸩牧系挠盟仨毞稀渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，且溫度保持在5～25 ℃。施工用的工具和盛裝耐火材料的器具應(yīng)干凈且處于待用狀態(tài)。

(4)碳化硅搗打料、鉻剛玉搗打料由粉料、固化劑和高溫膠體配制而成。碳化硅搗打料粉料用高溫膠體調(diào)整可塑性，混合料中不能加水。

(5)施工時使用HOBART式強(qiáng)力型攪拌器，B型槳葉和攪拌罐體應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)；槳葉與攪拌器各側(cè)間隙不得超過6 mm，如果間隙過大或混合器內(nèi)的耐火材料量大于或小于容量的1/3，攪拌效率和材料質(zhì)量將下降；攪拌速率應(yīng)維持在175～210 r/min。

(6)根據(jù)攪拌機(jī)的容量和每次的用量，碳化硅搗打料粉料先加入攪拌機(jī)中，攪拌1 min后加入總用量80%的高溫膠體，繼續(xù)攪拌3～4 min后加入固化劑，再攪拌2～3 min后加入剩余的高溫膠體，直至攪拌均勻。

(7)攪拌好的碳化硅搗打料切成塊后，小心裝填至所需襯里表面的適當(dāng)部位。每次加料厚度不得超過20 mm并用橡皮錘搗打。搗打時，錘頭與錘頭重疊2/3，反復(fù)搗打密實、無空隙。特別應(yīng)注意的是在管件四周將搗打料充分填滿，并搗打密實。

(8)在滿足碳化硅搗打料施工的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能減少高溫膠體和固化劑的加入量，最佳的固化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右。

(9)施工的耐火搗打料襯里應(yīng)外觀平整，無空洞、剝落或夾雜物，個別2 mm以下的裂縫可填充修補，大于2 mm的裂縫需參照有關(guān)修理標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(10)施工后的碳化硅搗打料應(yīng)在10 ℃以上的干燥通風(fēng)的環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)2～3 d，濕度太大時可用空氣干燥機(jī)對碳化硅搗打料襯里進(jìn)行通風(fēng)。

6 烘爐制度

(1)氣化爐用的碳化硅搗打料和鉻剛玉搗打料系氣硬性搗打料，是一種雙組分結(jié)合的搗打料，由干粉料、膠體、促凝劑、特種排濕劑等在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中混合成可塑性較強(qiáng)的油灰狀泥料，含有一定量的游離水和結(jié)晶水。膠體在一定溫度下濃縮、聚合反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)分會在襯里內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，為了讓物理水、結(jié)晶水和揮發(fā)分緩慢蒸發(fā)，禁止急熱襯里，否則水分將急劇蒸發(fā)而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致襯里結(jié)構(gòu)損壞。此外，應(yīng)確保耐火襯里材料在受熱狀態(tài)下能均勻、緩慢充分膨脹，使其性能達(dá)到使用時的狀態(tài)，避免熱應(yīng)力集中而損壞襯里，確保耐火襯里在氣化爐運行過程中不產(chǎn)生裂紋和剝落。

(2)由于在搗打料中加入的特種排濕劑可在50～100 ℃溫度范圍內(nèi)分解形成納米級的毛細(xì)孔，有利于搗打料膠體中的水分和揮發(fā)分的快速排除，烘爐時間可由84 h縮短至64 h，烘爐最高溫度由進(jìn)口料的450 ℃降至320 ℃，故可利用爐壁管道中的過熱蒸汽作熱源進(jìn)行烘爐，無需烘爐機(jī)烘爐，不但降低了檢修成本，而且大大縮短了檢修周期。氣化爐用GSJ- 75，GSJ- 85和CAJ- 3.1搗打料適用的烘爐曲線見圖1。

7 應(yīng)用

水冷壁氣化爐用碳化硅搗打料自2008年投放市場以來，先后在中石化安慶分公司化肥廠、河南龍宇煤化工有限公司、河南中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司、新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司、天津華能電廠、洛陽永龍能化有限公司等企業(yè)的氣化爐爐膛及輸氣管道上獲得應(yīng)用。據(jù)用戶反饋，此搗打料在鋪設(shè)、烘爐及使用過程中均未出現(xiàn)脫落、中空及明顯的減薄現(xiàn)象，保證了平整、均勻掛渣，實現(xiàn)了以渣抗渣的設(shè)計初衷。對部分減薄的水冷壁管表面鋪設(shè)此搗打料，經(jīng)幾個運行周期后檢查，在保證熱傳導(dǎo)的同時未發(fā)現(xiàn)搗打料脫落等現(xiàn)象。實踐表明，SiC- Al2O3- Cr2O3搗打料在高溫下能形成固熔體，阻止了煤熔渣向搗打料襯里的滲透，確保了襯里的使用壽命，取得了令人滿意的使用效果。

圖1 氣化爐用GSJ- 75,GSJ- 85和CAJ- 3.1搗打料適用的烘爐曲線

8 結(jié)語

(1)在搗打料中引入Cr2O3，顯著提高并改善了材料的抗熔渣的侵蝕性，起到了水冷壁以渣抗渣的作用。

(2)煤灰的熔點、黏度、灰分含量及爐膛溫度、碳化硅搗打料對氣化爐水冷壁掛渣的影響較大。

(3)多年的實踐證明，SiC- Al2O3- Cr2O3系搗打料在煤化工氣化爐上的應(yīng)用是切實可行的。

ABriefDiscussionofSiC-Al2O3-Cr2O3SeriesofRammingMassforPulverizedCoalGasifieranditsPracticalApplication

ZHOU Tao1, YING Shengcai1, ZHOU Minliang2, REN Jun2

(1.Shanghai Bitao Refractories Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2.SINOPEC Anqing Company, Anqing 246002, China)

The characteristics of water- cooled wall of pulverized coal gasifier is introduced, and the influences of melting point, viscosity, ash content of coal ash, furnace temperature and refractory ramming material on adhering slag on water- cooled wall are analyzed. By introducing Cr2O3, slag erosion resistant ability of silicon carbide ramming material is improve; by adding special moisture removal agent, drying time is shortened and drying temperature is decreased. Actual operation results show that SiC- Al2O3- Cr2O3series of ramming mass is helpful of adhering slag on water- cooled wall, and has played a role of protecting slag with slag.

gasifier; water- cooling wall; ramming mass; adhering slag

本文作者的聯(lián)系方式：13851306898@163.com

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1006- 7779(2017)02- 0035- 04

2016- 05- 30)