摻燒石油焦對多噴嘴對置式水煤漿氣化爐耐火磚的影響

楊 路

(寧波中金石化有限公司 浙江鎮(zhèn)海 315203)

寧波中金石化有限公司(以下簡稱寧波中金公司)的氣化裝置采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，氣化爐操作壓力為1.5 MPa(表壓)，日投煤(焦)量850 t。2015年5月，在全煤工況下運行一段周期后，開始逐步摻燒石油焦。作為國內(nèi)運行壓力最低、首次摻燒石油焦的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，在運行一段時間后多次發(fā)生氣化爐爐壁超溫問題，氣化爐被迫減負荷運行，氣化爐爐壁超溫現(xiàn)象成為亟待解決的問題。

1 耐火磚掛渣減薄

在正常情況下，煤漿進入氣化爐后與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成以CO和H2為主要組分的水煤氣，反應(yīng)后剩余的大部分灰分及少量殘?zhí)寂鲎驳侥突鸫u表面后被耐火磚壁面所捕獲，煤灰中的MgO、Fe2O3、Al2O3會與耐火磚中的Cr2O3結(jié)合形成致密的尖晶石，這便是固態(tài)渣膜。由于遠離耐火磚的灰渣溫度較高，故渣膜外層的灰渣呈熔融狀向下流動，最終排出氣化爐燃燒室。由于渣膜的存在，隔絕了高溫煤氣及高溫熔渣對耐火磚的滲透，加之背襯磚、隔熱磚的作用，氣化爐的爐壁溫度維持在230 ℃左右。隨著耐火磚在氣化爐運行過程中不斷減薄，氣化爐爐壁溫度會逐漸升高，一般爐壁溫度在300 ℃以下即可維持正常運行。

氣化裝置在初期處于全煤工況下運行，氣化爐的爐壁溫度未出現(xiàn)異常情況，但在摻燒石油焦后，爐壁溫度略有上升。由于受下游裝置的制約，氣化爐維持在60%的負荷下運行，且石油焦的摻燒比例逐漸提高，當石油焦的摻燒比例>30%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，發(fā)生壁溫數(shù)次超過300 ℃的現(xiàn)象，導(dǎo)致氣化爐隨之被迫減負荷運行。2015年6月23日至7月30日，石油焦摻燒比例約為40%，氣化爐降負荷次數(shù)達15次，因爐壁超溫停一對燒嘴2次，占異常工況的80%。造成爐壁溫度升高的原因：①石油焦的反應(yīng)活性較差，為了維持氣化爐溫度并提高石油焦的反應(yīng)活性，必須通過維持較高的氧煤比以提高氣化爐的操作溫度，這是爐壁溫度升高的客觀條件；②由于石油焦的摻燒比例較高，導(dǎo)致爐內(nèi)灰分較少，造成爐壁掛渣減薄。

如圖1所示，停車期間對氣化爐內(nèi)的耐火磚進行檢查，發(fā)現(xiàn)有部分耐火磚完全沒有掛渣，部分有掛渣的區(qū)域未形成渣膜，而存在渣膜掛渣的耐火磚上的掛渣呈多孔狀，并沒有形成一定厚度的渣膜，其主要原因在于石油焦的摻燒比例。石油焦的灰分含量相對較低，雖然可以減輕灰分對耐火磚的侵蝕，但在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)摻燒石油焦后難以在氣化爐的耐火磚上形成足夠厚度的渣膜，有部分耐火磚暴露在高溫的氣化爐反應(yīng)體系中。耐火磚的灰縫是最薄弱的環(huán)節(jié)，灰縫中的耐火泥在氣流的卷吸過程中被沖刷干凈，高溫水煤氣就會竄入耐火磚的磚縫，導(dǎo)致爐壁超溫。

石油焦灰渣中除了含有大量的SiO2、CaO和Fe2O3外，還含有相當多的侵蝕性介質(zhì)，主要為V2O5，經(jīng)檢測其質(zhì)量分數(shù)達到4.5%。V2O5的熔點僅670 ℃，其與Cr2O3共存時，最低共熔溫度為665 ℃，在氣化裝置運行工況下，失去渣膜保護的耐火磚很容易被侵蝕(見圖2)。

實際運行情況表明，該氣化裝置在石油焦摻燒比例超過40%時容易發(fā)生爐壁超溫現(xiàn)象，而石油焦摻燒比例為30%時雖然爐壁溫度較全煤工況略有上升(見表1)，但其產(chǎn)氣量比全煤工況下略多。經(jīng)綜合考慮，在摻燒石油焦時，其摻燒比例應(yīng)嚴格控制在<30%，以避免磚縫竄氣現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 全煤工況與石油焦摻燒比例30%工況下氣化爐爐壁溫度比較 ℃

2 耐火磚侵蝕加劇

氣化爐全煤工況下的碳轉(zhuǎn)化率在98%，摻燒石油焦后(細灰不回?zé)r)碳轉(zhuǎn)化率逐漸下降至94%，當石油焦摻燒比例超過30%后，碳轉(zhuǎn)化率進一步下降至90%以下。在碳轉(zhuǎn)化率降至88%以下后，氣化爐的壁面捕捉效率明顯下降，但捕捉殘?zhí)碱w粒的效率較正常工況略有上升，而被捕捉的殘?zhí)碱w粒會消耗氧氣，從而降低耐火磚表面處的氧氣分壓。

通過進爐觀察發(fā)現(xiàn)，此種侵蝕情況多發(fā)生在一次反應(yīng)區(qū)，即燒嘴室上部蔓延至拱頂處。氣化反應(yīng)的一次反應(yīng)區(qū)屬于燃燒反應(yīng)區(qū)，該區(qū)域溫度較高，火焰溫度達到2 200 ℃，灰渣在此處的流動性較好，且此處反應(yīng)劇烈，熔渣不易在此處形成穩(wěn)定的渣膜。此外，發(fā)現(xiàn)氣化爐A的耐火磚侵蝕情況較氣化爐B嚴重，其主要原因是氣化爐A摻燒石油焦運行的時間長達2個多月，而氣化爐B摻燒石油焦運行的時間不足1個月。

在正常情況下，熔渣內(nèi)的Fe2O3被熔渣內(nèi)的殘?zhí)歼€原成FeO,與渣中的MgO、Al2O3一起滲入耐火磚中,與耐火磚中的Cr2O3、Al2O3反應(yīng)形成Mg-Al-Cr-Fe復(fù)合尖晶石致密層，從而達到以渣抗渣的目的。但在石油焦摻燒比例過高的情況下，碳轉(zhuǎn)化率較低，使熔渣中含有大量未反應(yīng)的碳元素，過量的碳元素會導(dǎo)致耐火磚孔洞性侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生(見圖2)。

根據(jù)所觀察到的耐火磚侵蝕情況，結(jié)合裝置運行期間的工藝參數(shù)，導(dǎo)致耐火磚孔洞性侵蝕的原因：①由于氧氣分壓低，氣化爐熔渣中的Fe2O3被還原成單質(zhì)鐵，無法形成Mg-Al-Cr-Fe復(fù)合尖晶石，失去穩(wěn)定的渣膜，導(dǎo)致反應(yīng)后的熔渣直接對耐火磚的表面產(chǎn)生侵蝕；②正常情況下氣化爐內(nèi)氧分壓在1×10-10～1×10-8MPa，但摻燒石油焦后存在大量未反應(yīng)的碳元素，進一步降低了氣化爐內(nèi)的氧分壓，熔渣中的Cr2O3被還原成單質(zhì)鉻并從熔渣中析出，使高鉻材料中的Cr2O3在渣中的溶解-還原-析出循環(huán)不斷進行，導(dǎo)致高鉻材料被熔渣嚴重侵蝕；③在此種氣氛環(huán)境中，未反應(yīng)的殘?zhí)寂c耐火磚接觸后易反應(yīng)生成鉻的碳化物，造成耐火磚表面鼓泡。

要想從根本上解決耐火磚發(fā)生孔洞性侵蝕的問題，應(yīng)從提高碳轉(zhuǎn)化率著手，通過提高氣化爐反應(yīng)溫度，同時適當提高氣化爐的操作壓力以延長物料的停留時間，從而保證碳轉(zhuǎn)化率在95%以上。

3 結(jié)語

通過對數(shù)次氣化爐爐壁超溫期間運行數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合耐火磚實際侵蝕情況，延長耐火磚的使用壽命應(yīng)從以下幾方面著手。

(1)在氣化爐低負荷運行時，應(yīng)盡可能減少石油焦的摻燒比例，最好在全煤工況下運行，以保證在耐火磚表面形成足夠厚且均勻的渣膜。

(2)在氣化爐高負荷運行時，控制石油焦的摻燒比例不超過30%，同時還應(yīng)保證氣化爐操作溫度比煤灰熔點溫度高50～100 ℃，使其碳轉(zhuǎn)化率>95%，避免產(chǎn)生極低氧分壓條件下耐火磚的侵蝕問題。

(3)在保證煤氣化裝置安全運行的前提下，提高氣化爐的運行壓力以延長物料的停留時間，從而達到提高碳轉(zhuǎn)化率的目的。