四噴嘴氣化爐耐火磚蝕損原因分析及操作優(yōu)化

朱 寶

(萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司 山東煙臺(tái) 264006)

1 耐火磚損毀機(jī)理

萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司煙臺(tái)工業(yè)園共有3臺(tái)Ф 3 400 mm的四噴嘴對置式水煤漿氣化爐，運(yùn)行模式為2開1備，日投煤量2×1 500 t，操作壓力6.5 MPa，爐內(nèi)采用的耐火磚分別由2家企業(yè)提供。在水煤漿氣化過程中，氣化爐的向火面磚與高溫、高壓、低黏度、高流速的熔渣及一定還原性工藝介質(zhì)相接觸，其中耐火磚會(huì)與熔渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使耐火磚的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此變化是造成耐火磚損毀的內(nèi)在原因，而溫度和壓力的波動(dòng)、高速氣流及熔渣的機(jī)械沖刷、一定還原性工藝介質(zhì)的氧化-還原氣氛轉(zhuǎn)化等是加速耐火磚損毀的外部因素。

(1) 熔渣對磚體的侵蝕滲透

熔渣對耐火磚的侵蝕主要包括滲透、溶解和沖刷磨損3個(gè)過程。氣化爐采用高溫液態(tài)排渣，渣蝕是爐磚遇到的主要問題之一。熔渣對耐火磚的侵蝕取決于渣和耐火材料的化學(xué)組成、操作溫度以及渣的熔點(diǎn)和流態(tài)，包括爐磚在渣中的溶解和渣在耐火材料中的滲透以及由此引起的結(jié)構(gòu)性剝落。

(2) 熱應(yīng)力引起的破壞

剝落是爐磚受到不均勻應(yīng)力后所致，其中熔渣深入爐磚形成變質(zhì)層引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力，爐內(nèi)溫度波動(dòng)引起熱應(yīng)力，金屬外殼引起機(jī)械應(yīng)力，爐磚長時(shí)間在高溫下產(chǎn)生的蠕變應(yīng)力，耐火材料在爐內(nèi)氧化-還原氣氛中價(jià)態(tài)變化引起的體積效應(yīng)以及碳素沉積等產(chǎn)生的應(yīng)力。各種應(yīng)力共同作用導(dǎo)致磚面薄弱處產(chǎn)生裂縫，裂縫不斷擴(kuò)展并相互貫通形成龜裂，最終以片狀或塊狀形式離開磚體而形成剝落，造成對爐磚的損毀。

(3) 氧化-還原氣氛

還原性氣氛對爐磚的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，即氫氣和水蒸氣與耐火材料中的SiO2組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及CO汽提分解沉積現(xiàn)象。水煤漿氣化過程在強(qiáng)還原氣氛下進(jìn)行，而在停車期間，爐內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘹夥?，這種氧化-還原氣氛的交替，導(dǎo)致爐磚組分價(jià)態(tài)發(fā)生變化，對爐磚產(chǎn)生較大影響。

(4) 機(jī)械磨損

爐磚的機(jī)械磨損主要來自于高速汽提和流動(dòng)熔渣，不但強(qiáng)化了熔渣與爐磚的化學(xué)反應(yīng)，并將低灰熔點(diǎn)的反應(yīng)產(chǎn)物從磚表面帶走，而且加速了磚體變質(zhì)層、裂紋部位的剝落進(jìn)程。

2 影響爐磚實(shí)際使用壽命的因素

基于爐磚的損毀機(jī)理，氣化爐在實(shí)際操作中要經(jīng)歷筑爐、風(fēng)干、烘爐、投料升壓、日常操作、加減負(fù)荷、升降溫、停車降壓降溫、抽拔燒嘴等一系列操作，操作中如有不當(dāng)都會(huì)影響爐磚的使用壽命。

(1) 高溫爐磚遇水熱震

在投料前進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，由于爐頭閥內(nèi)漏，很可能使?fàn)t磚因受到激冷而產(chǎn)生裂紋，該裂紋在氣化爐運(yùn)行過程中受到各種因素的作用而不斷延長加深，進(jìn)而影響氣化爐的正常運(yùn)行。另外，在停車后拔燒嘴時(shí)，燒嘴冷卻水盤管可能會(huì)由于碰撞而發(fā)生破裂，此時(shí)水噴濺至爐壁上也會(huì)損毀爐磚。

(2) 長期非正常負(fù)荷運(yùn)行

氣化爐長期在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，無法使氧氣和煤漿能夠完全霧化反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)出現(xiàn)局部過氧而產(chǎn)生高溫區(qū)，也會(huì)出現(xiàn)局部壓力的紊亂波動(dòng)，導(dǎo)致爐磚受影響而損毀。氣化爐長期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燒嘴噴出的物料速度過快而對爐壁產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷，加速了爐壁的損毀。

(3) 正常操作中爐溫控制偏高

爐溫應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)而定，一般高于煤灰熔點(diǎn)50～80 ℃比較合適。但有些操作人員習(xí)慣高溫低甲烷控制，以防止?fàn)t況或煤質(zhì)稍有波動(dòng)而引發(fā)渣口堵塞。但長期高溫運(yùn)行，爐磚的損毀速度將會(huì)大幅加快。

(4) 運(yùn)行中燒嘴偏噴

煤漿與氧氣流量不匹配或燒嘴磨損變形，均會(huì)引起燒嘴偏噴，如果調(diào)節(jié)不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致局部爐磚加速損毀。

(5) 開停車升降壓太快

由于操作原因，在開停車時(shí)升降壓太快使?fàn)t磚變質(zhì)層加速脫落，也會(huì)導(dǎo)致爐磚的損毀。

(6) 烘爐時(shí)未按升溫曲線進(jìn)行升溫

合格的筑爐和烘爐是爐磚長周期使用的前提，烘爐時(shí)升溫太快或是反復(fù)熄火，會(huì)由于應(yīng)力而導(dǎo)致爐磚損毀。

(7) 渣口堵塞進(jìn)行升溫熔渣

由于煤質(zhì)或操作原因?qū)е略诎l(fā)生堵塞時(shí)，必須緩慢平穩(wěn)地升溫熔渣，但此過程會(huì)大大加劇爐磚的損毀速度。

(8) 氧氣流量波動(dòng)

在原始開車的初期階段，由于氧氣調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量問題，導(dǎo)致閥位頻繁波動(dòng)，相應(yīng)的氧氣流量也頻繁波動(dòng)，波動(dòng)量達(dá)300 m3/h(標(biāo)態(tài))左右，有時(shí)甚至達(dá)到700 m3/h(標(biāo)態(tài))，氧氣總管壓力也時(shí)有波動(dòng)。氧氣流量的波動(dòng)必然會(huì)影響燒嘴霧化效果、爐內(nèi)反應(yīng)情況、溫度和壓力分布，進(jìn)而對爐壁產(chǎn)生影響。

(9) 烘爐時(shí)發(fā)生閃爆

前期烘爐時(shí)，時(shí)有熄火情況發(fā)生，為了盡量減少爐溫的下降，熄火后抽負(fù)不足，再次點(diǎn)火時(shí)發(fā)生閃爆。發(fā)生閃爆時(shí)，渣口磚和拱頂磚都有可能出現(xiàn)松動(dòng)或損壞。

(10) 筑爐缺陷

筑爐材料存放不當(dāng)和未嚴(yán)格按圖紙和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行筑爐作業(yè)，會(huì)導(dǎo)致爐磚局部不合格，在運(yùn)行過程中問題趨于嚴(yán)重，最終導(dǎo)致爐磚非正常損毀。

(11) 盲頭磚拔取困難

氣化爐停車后，盲頭磚需拔出檢查，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)盲頭磚斷在拱頂?shù)默F(xiàn)象，需敲碎后才能取出，在此過程中有可能造成拱頂磚損壞。

3 操作優(yōu)化措施

氣化爐長周期平穩(wěn)運(yùn)行在一定程度上取決于耐火磚的使用壽命，只有精細(xì)化的操作、詳實(shí)的管理制度， 才能保證氣化爐運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。針對影響耐火磚使用壽命的因素，落實(shí)了如下的操作優(yōu)化措施。

(1) 水壓試驗(yàn)時(shí)斷開煤漿進(jìn)燒嘴短節(jié)，防止冷水進(jìn)入氣化爐而激碎爐磚。

(2) 嚴(yán)禁氣化爐在低于70%的負(fù)荷下運(yùn)行，考慮到雙爐70%負(fù)荷下運(yùn)行后工序存在放空現(xiàn)象，正在進(jìn)行更換小燒嘴的試驗(yàn)，以期在不影響氣化爐運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

(3) 根據(jù)煤質(zhì)嚴(yán)控爐溫，初期粗合成氣含甲烷體積分?jǐn)?shù)一般控制在400×10-6左右，正常時(shí)控制在(600～700)×10-6。

(4) 開停車時(shí)的升降壓嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行。

(5) 找到了氣化爐升溫至650 ℃前易熄火的原因，采取相應(yīng)的措施以最少的熄火次數(shù)按照升溫速率進(jìn)行氣化爐的升溫。

(6) 由于采用堆取料機(jī)向煤倉上煤，容易造成大塊煤滾落至煤倉底部。為此，嚴(yán)控煤質(zhì)，解決煤倉底部存在大塊煤的問題，減少因煤質(zhì)原因而導(dǎo)致的渣口堵塞次數(shù)。

(7) 嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序(SOP)進(jìn)行烘爐，防止出現(xiàn)閃爆而損毀爐磚。

(8) 更換氧氣調(diào)節(jié)閥，基本解決了氧氣流量波動(dòng)的問題。

(9) 工藝人員在氣化爐筑爐過程中全程監(jiān)護(hù)，筑爐完成后一次驗(yàn)收，然后進(jìn)行烘爐，爐溫達(dá)到1 100 ℃后進(jìn)行降溫，降溫后入爐檢查是否存在裂縫等問題。