氣化爐襯里的失效超溫分析

呂詩宏 ，熊 江 ，王 晗 ，范沐旭 ，方 旭

（1.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司-先進耐火材料國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；2.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

氣化爐是化工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)的氣化爐有很多種如GE的德士古水煤漿氣化爐，華東理工大學(xué)的水煤漿四噴嘴氣化爐，shell粉煤氣化爐，GSP粉煤氣化爐，航天粉煤氣化爐，Shell渣油氣化爐，德士古渣油氣化爐，以及各種天然氣氣化爐二段爐等。文章旨在從襯里材料設(shè)計，裝置設(shè)計，砌筑質(zhì)量，操作工藝，設(shè)備等因素著手，對引起爐壁超溫的現(xiàn)象和耐火襯里的失效原因進行全面總結(jié)分析，并總結(jié)相應(yīng)的處理措施，為更好的指導(dǎo)生產(chǎn)提供參考。

1 設(shè)計

1.1 襯里材料設(shè)計不合理

爐襯的設(shè)計是在廠家給出爐殼圖和工藝參數(shù)的條件下，確定爐襯總厚度，經(jīng)過熱傳導(dǎo)計算，確定隔熱層、支撐層、熱面層磚厚度；利用熱膨脹計算，算出高度方向膨脹縫的大小及徑向膨脹縫的大?。辉O(shè)計磚圖時也要考慮每環(huán)磚之間灰縫的大小及層與層之間灰縫的大?。粺犭娕即u的設(shè)計也需要考慮爐襯整體向上膨脹問題，以避免開車時剪切熱電偶。爐襯設(shè)計不合理，會影響傳熱及爐襯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，運行過程中可能產(chǎn)生掉磚、膨脹縫擠壓、竄氣等，造成局部超溫。國外某企業(yè)的氣化爐在使用過程中出現(xiàn)了超溫情況，停爐檢修時發(fā)現(xiàn)爐襯設(shè)計不合理，導(dǎo)致部分材料在使用過程中缺失，引起超溫。

1.2 裝備設(shè)計不合理

氣化爐是一個高溫的裝置，爐內(nèi)的降溫隔熱的方式主要有兩種：一種是耐火襯里進行阻隔，如德士古水煤漿氣化爐等，稱之為熱壁爐，另一種是通過強制性冷卻的方式，如shell干粉氣化爐，稱之為冷壁爐。熱壁爐的結(jié)構(gòu)中也存在局部通過強制冷卻的位置，如水煤漿氣化爐的錐底部分的托磚板，其冷卻的方式主要靠下方的激冷環(huán)的冷卻作用。國內(nèi)出現(xiàn)過幾次由于冷卻裝置設(shè)計不合理的因素造成強制冷卻的措施沒有達到目的。在開車過程中，托磚板沒有得到激冷環(huán)的保護作用，而暴露在很高的工作環(huán)境溫度之下。造成托磚板燒蝕變形，托磚板上方砌筑的耐火磚失去了支撐而掉落。耐火磚掉落后，失去耐火磚保護的鋼件又進一步惡化，導(dǎo)致氣化爐錐底部分出現(xiàn)嚴(yán)重超溫。

加強耐火襯里結(jié)構(gòu)設(shè)計以及與襯里材料對接位置處結(jié)構(gòu)的審核，把好合理性的第一道關(guān)，才能避免下一步因為結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致耐火襯里失效，引起超溫的現(xiàn)象。

2 砌筑

2.1 砌筑磚縫不合理

氣化爐采用火泥砌筑，主要是為了填充不規(guī)則的磚縫和粘結(jié)磚塊，以形成具有一定整體性的結(jié)構(gòu)。由于火泥屬于沒有燒結(jié)的材料，其高溫穩(wěn)定性要差于耐火磚，在氣化爐的整體結(jié)構(gòu)中屬于薄弱環(huán)節(jié)。相關(guān)的筑爐規(guī)范中對火泥縫的大小都有明確的要求。圖紙設(shè)計中提到火泥縫為1.2mm，最大不超過1.8mm，最小火泥縫沒有要求。GE公司對火泥縫的要求是，設(shè)計火泥縫為1.2 mm，最大不超過2mm；GB/50211-2004中，對高溫、有爐渣的爐內(nèi)火泥縫的要求為不大于2.0mm。主要目的是為了防止灰縫過大，結(jié)構(gòu)的密封性會變差?；铱p過大也會加大氣流熔渣對灰縫的沖蝕作用。國內(nèi)某企業(yè)在砌筑過程中砌筑磚縫預(yù)留非常大，火泥縫的尺寸在5mm左右。在運行過程中，爐內(nèi)氣流在襯里材料形成了回路，導(dǎo)致鋼殼的超溫。

2.2 膨脹縫處理不合理

在豎直式的氣化爐，如四噴嘴水煤漿氣化爐，shell渣油氣化爐內(nèi)，由于豎直筒體的尺寸較大，在設(shè)置耐火材料時需要綜合考慮材料的膨脹量和托轉(zhuǎn)板的承壓能力。因此將豎直段分為幾段結(jié)構(gòu)。耐火襯里在布置時，需要在兩段結(jié)構(gòu)之間設(shè)置膨脹縫，以防止下部的材料膨脹時對上部的材料造成擠壓損毀。膨脹縫的位置處對應(yīng)的是托磚板。托磚板是伸入襯里結(jié)構(gòu)中的支撐構(gòu)架。由于該位置距離爐內(nèi)高溫區(qū)的距離比較短，容易出現(xiàn)較多的熱傳導(dǎo)。膨脹縫的處理尤為重要。國內(nèi)某廠的渣油氣化爐，對超溫位置進行拆爐檢查時發(fā)現(xiàn)膨脹縫處理不合理，熱面磚、保溫磚、纖維材料貼合不密，存有一定空隙?？障兜拇嬖趯?dǎo)致熱量的傳出，該托磚板的溫度達到350℃。

針對施工過程中的火泥縫和膨脹縫不合理而導(dǎo)致的超溫問題，解決措施為在砌筑過程中加強施工前的技術(shù)交底工作，讓施工人員充分意識到每一步砌筑工作的重要性。同時加強砌筑過程中的質(zhì)量巡查和監(jiān)督工作，做好相關(guān)的隱蔽工程記錄。

3 操作工藝

3.1 氣化溫度過高

氣化溫度過高，會使得氣化爐襯里向火面上熔渣流失，結(jié)渣厚度薄，造成爐體直筒下部磚縫直接暴露于高溫氣流中，耐火磚較薄弱部位以及熔損大的部位因溫差應(yīng)力導(dǎo)致不均勻膨脹，產(chǎn)生間隙裂紋，引起竄氣。

3.2 出渣口堵塞

陜西某企業(yè)氣化爐自2010年以來由于燃用高灰（高達25%）、高灰熔點（高達1380℃）煤，而且煤中SiO2含量較高，導(dǎo)致煤灰粘溫特性較差，投料后熔融的灰渣在爐內(nèi)不易流動，在渣口處積聚，導(dǎo)致渣口堵塞。氣化爐正常運行時，燃燒室內(nèi)熔融的灰渣在重力和合成氣的攜帶下一起離開燃燒室，由于煤質(zhì)的大幅波動，導(dǎo)致爐壁掛渣增厚，熱電偶指示爐溫降低，此時若大幅提高爐溫，大量爐壁掛渣會瞬間被熔下堵塞渣口，不僅造成爐內(nèi)氣流通道受阻，燃燒區(qū)域發(fā)生改變，而且導(dǎo)致流體在流動過程中的速度梯度改變，爐內(nèi)熔渣在流動過程中所受的截切力變小，灰渣更不易流動和被帶走。

穩(wěn)定煤種，穩(wěn)定操作，避免氣化爐在運行過程中出現(xiàn)過大的溫度波動。根據(jù)壓差上漲趨勢正確判斷渣口積聚情況，靈活選用正常熔渣、減負(fù)荷熔渣、泄壓熔渣等熔渣方式，提溫熔渣過程要緩慢。

4 設(shè)備因素

4.1 燒嘴的因素

燒嘴在使用過程中受到高溫的燒蝕以及物料的磨損，在使用的壽命后期，燒嘴通道會出現(xiàn)較大的磨損，會導(dǎo)致物料的霧化角變大，磨損嚴(yán)重時會出現(xiàn)局部漏氧的情況出現(xiàn)。當(dāng)霧化角變大時，火焰由原來的向下噴射變?yōu)閿U散噴射，向四周擴散的火焰會帶來兩個負(fù)面作用。一是燃燒區(qū)集中在整個氣化爐的頂部，造成頂部襯里熱面過熱；二是火焰集中在上部會直接沖擊到氣化爐頂部的耐火磚，耐火磚被沖擊后，會因為磚體收到激烈的溫度波動，導(dǎo)致磚體熱震開裂掉塊。當(dāng)磨損嚴(yán)重出現(xiàn)局部漏氧時，將會引起物料的偏流，氧氣富裕的區(qū)域形成富氧燃燒，產(chǎn)生很高的溫度，直接對耐火磚形成燒蝕，從而引起爐壁超溫。

4.2 爐殼因素

耐火襯里只起到阻隔熱的作用，沒有辦法起到密封的作用。當(dāng)襯里材料內(nèi)氣流屬于封閉氣的時候，其保溫隔熱效果沒有問題。但是當(dāng)襯里材料的背襯產(chǎn)生了一個氣流通道，爐內(nèi)的熱氣流通過通道，并在通道內(nèi)形成與磚的熱交換，就會導(dǎo)致耐火襯里出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。西部某企業(yè)渣口運行到一定時間后，錐底部出現(xiàn)了超溫現(xiàn)象，起初以為是耐火材料燒蝕導(dǎo)致，于是更換了全部的錐底耐火襯里。在重新開車時，發(fā)現(xiàn)錐底部分還是超溫。后來進行多方檢測，發(fā)現(xiàn)氣化爐筒身與錐部的焊縫處出現(xiàn)了一段小裂紋，正是因為小裂紋的存在，爐內(nèi)的一部分氣流沒有經(jīng)渣口向下流出，而是滲透磚層沿著裂紋竄出。熱氣流穿過了襯里結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錐底部位的超溫。采取的措施是在裂紋處用鋼板進行補焊，阻隔氣流的通道，再次開車時超溫現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

氣化爐爐殼，燒嘴等其他的配套設(shè)備出現(xiàn)問題時，也會造成耐火材料失效而超溫。只做耐火材料的工作是解決不了超溫現(xiàn)象的。需要對超溫處的其他影響因素進行分析，綜合判斷來解決超溫問題。

5 結(jié)語

引起氣化爐超溫的原因是多方面的，但主要的表現(xiàn)形式是起到保護作用的耐火襯里失效，從而導(dǎo)致熱量過多的傳導(dǎo)到爐壁。通過上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計，耐火襯里的施工，操作工藝的穩(wěn)定程度，裝備的完整程度等方面，探尋引起氣化爐超溫的原因。針對不同的耐火襯里失效形式，采取相應(yīng)的處理措施，保證襯里起到其應(yīng)有的作用，實現(xiàn)氣化裝置的安全穩(wěn)定長周期運行。