四噴嘴水煤漿氣化爐內(nèi)襯膨脹縫耐火磚改型方案

張海龍，盧 飛，張 艷

（陜西未來(lái)能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

0 引 言

水煤漿氣化爐內(nèi)襯耐火材料的工作環(huán)境為高壓、高溫、強(qiáng)還原性氣氛和液態(tài)排渣，同時(shí)伴隨著氣、液、固三相的高速?zèng)_刷及開(kāi)、停車時(shí)溫度和壓力的大幅變化等，均會(huì)對(duì)氣化爐耐火磚造成侵蝕［1］，因此耐火材料的穩(wěn)定性直接影響著氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行及其使用壽命。耐火磚侵蝕（機(jī)理）分為化學(xué)侵蝕和物理侵蝕，化學(xué)侵蝕包括還原性氣體侵蝕、爐渣酸性組分侵蝕等；物理侵蝕包括耐火磚本體養(yǎng)護(hù)損傷、氣體及爐渣的直接沖蝕、高溫火焰的燒蝕［2］。因此，在保證耐火材料的抗蝕損性能、砌筑質(zhì)量、嚴(yán)格遵循烘爐曲線及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚥僮鞯幕A(chǔ)上對(duì)氣化爐內(nèi)襯耐火磚進(jìn)行改型研究，以減緩耐火磚的蝕損、延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命，實(shí)現(xiàn)氣化裝置的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

某煤化工企業(yè)有8套四噴嘴水煤漿加壓氣化裝置（8臺(tái)氣化爐，六開(kāi)二備），單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)投煤量2000t／d（干基），氣化操作壓力4.0 MPa。其中，氣化爐燃燒室上膨脹縫位于拱頂與筒體相接處，由于四噴嘴水煤漿氣化爐運(yùn)行流場(chǎng)的特點(diǎn)，耐火襯里拱頂及上膨脹縫處氣流流場(chǎng)復(fù)雜，耐火磚沖蝕嚴(yán)重，而膨脹縫耐火磚運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)（約8000h）較拱頂耐火磚運(yùn)行時(shí)長(zhǎng) （約16000h）短一個(gè)周期，正常檢修更換膨脹縫耐火磚必須連帶拆除整個(gè)拱頂耐火磚，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且需要更新拱頂耐火磚（拱頂磚不能再次使用），造成較大的浪費(fèi)。為降低運(yùn)行成本，擬對(duì)膨脹縫及耐火磚進(jìn)行改型，實(shí)現(xiàn)膨脹縫耐火磚可單獨(dú)更換。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 膨脹縫耐火磚改型的必要性

四噴嘴水煤漿氣化爐燃燒室具有復(fù)雜的流場(chǎng)特性，燒嘴噴出物料的流速會(huì)影響煤漿的霧化效果，進(jìn)而影響到拱頂耐火磚的使用壽命。對(duì)該企業(yè)氣化爐的檢修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)因上膨脹縫耐火磚沖刷損毀導(dǎo)致的氣化爐爐壁超溫事故而需進(jìn)行的檢修，約占?xì)饣癄t檢修工作量的80%，而爐壁超溫形成的系統(tǒng)生產(chǎn)隱患需停爐拆磚更換消除。由四噴嘴水煤漿氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)（圖1）可以看出，膨脹縫M4磚作為整個(gè)拱頂?shù)幕A(chǔ)磚，承載著整個(gè)拱頂重量而不能單獨(dú)拆除，如拆除M4磚則會(huì)造成拱頂下降脫落，簡(jiǎn)言之，想要正常檢修更換膨脹縫耐火磚，必須連帶拆除整個(gè)拱頂（耐火磚）。拱頂向火面磚尺寸300mm，而膨脹縫處M4／M6／M8磚，因其結(jié)構(gòu)形式，M6磚尺寸190mm，M4／M6磚形成的外膨脹縫運(yùn)行中不可避免地有積渣存在，造成M4磚端面因膨脹擠壓受損，部分磚體脫落于內(nèi)壁處形成凹坑，氣流直接沖刷M6磚 （原K磚位置），使其蝕損速率加快（M6磚呈斜面剝落），M6磚減薄后高溫氣體直接竄入M6／M8磚膨脹縫，熱量作用于M7／M9磚處造成爐壁溫度升高，而拱頂溫度正常，使得拱頂耐火磚與膨脹縫耐火磚運(yùn)行周期不匹配。通過(guò)停車入爐檢查耐火磚蝕損尺寸，結(jié)合工藝運(yùn)行狀況，拱頂耐火磚使用周期基本上為上膨脹縫耐火磚使用周期的2倍，如此一來(lái)，檢修更換膨脹縫耐火磚時(shí)，拱頂耐火磚不得不在未達(dá)到使用周期（壽命）的情況下被拆除更換，造成極大的浪費(fèi)，且此舉使氣化爐檢修周期增加1倍有余，不利于氣化爐的備用，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，成為系統(tǒng)運(yùn)行及備爐的隱患。因此，據(jù)氣化爐膨脹縫耐火磚實(shí)際蝕損速率和拱頂耐火磚的蝕損速率情況制定相應(yīng)的改型方案，使膨脹縫耐火磚和拱頂耐火磚蝕損速率保持一致，可提高拱頂耐火磚的利用率。

圖1 四噴嘴水煤漿氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)示意圖

2 耐火磚蝕損原因分析

水煤漿氣化爐向火面高鉻耐火磚長(zhǎng)期與高壓、高溫、高流速、低粘度的熔渣及強(qiáng)還原性介質(zhì)接觸，并承受火焰的舔燒，其蝕損的根本原因在于熔渣侵蝕滲透 （導(dǎo)致耐火磚組織結(jié)構(gòu)變化）、應(yīng)力破壞、熔渣和高速氣流沖蝕［3］。

2.1 熔渣對(duì)耐火磚的侵蝕滲透

熔渣對(duì)耐火磚的侵蝕主要有滲透、熔解和沖蝕磨損。煤中含有的Si、Fe、Al、Ca等元素及其鹽類物構(gòu)成了渣的成分，熔渣通過(guò)對(duì)耐火磚的滲透、熔解及在強(qiáng)還原性氣氛下，耐火磚表面形成低熔點(diǎn)化合物，該化合物不斷地被高速氣流沖刷，最終導(dǎo)致剝蝕。實(shí)踐表明，高含量CaO的熔渣形成新的低熔物相較于高含量SiO2的爐渣對(duì)耐火磚的侵蝕性更強(qiáng)；另外，高含量CaO的熔渣具有低灰熔點(diǎn)、流動(dòng)性良好的特點(diǎn)，不易在耐火磚表面形成渣層，起不到以渣抗渣的作用，且其流動(dòng)狀態(tài)還沖蝕磚體，加速耐火磚的蝕損。不同成分熔渣的滲透性對(duì)比如圖2。

圖2 不同成分熔渣的滲透性對(duì)比

2.2 熱應(yīng)力引起的破壞

水煤漿氣化爐開(kāi)、停車時(shí)，因內(nèi)襯各層耐火磚的升降溫速率存在差異及膨脹系數(shù)不同，環(huán)向和垂直方向均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于耐火磚本體的強(qiáng)度時(shí)，耐火磚的邊角處就會(huì)出現(xiàn)裂紋。另外，磚與磚的位移面上還會(huì)發(fā)生摩擦，產(chǎn)生具有局部撕裂作用的剪切力，也會(huì)加速耐火磚表面熔渣的侵蝕，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)解體、剝落的裂紋。

氣化爐緊急停車或出現(xiàn)故障時(shí)，內(nèi)襯耐火磚溫差變化較大，也會(huì)導(dǎo)致向火面耐火磚產(chǎn)生裂紋，裂紋處結(jié)合熔渣形成滲透層，而滲透層與原耐火材料的理化特性存在較大差異，兩者之間形成應(yīng)力，隨溫度變化出現(xiàn)整體剝落［4］。

2.3 熔渣和高速氣流的沖蝕破壞

水煤漿氣化爐向火面耐火磚受高速氣流和沿壁面流動(dòng)熔渣的沖刷、磨損及高溫熔渣的侵蝕，亦或兩者共同作用，導(dǎo)致耐火磚蝕損。對(duì)于四噴嘴水煤漿氣化爐而言，受燒嘴結(jié)構(gòu)、尺寸及煤漿氧氣混合物所形成的高溫、高速氣流的影響，熔渣和高速氣流對(duì)爐磚表面具有較強(qiáng)烈的沖刷作用（霧化角與拱頂膨脹縫耐火磚受到的沖刷強(qiáng)度成正比），同時(shí)還伴隨著嚴(yán)重的燒蝕。另外，燒嘴出口膨脹縫耐火磚處氧含量高，反應(yīng)劇烈，而耐火磚表面熔渣較少，伴隨著高速氣流的沖刷與燒蝕，會(huì)加劇膨脹縫耐火磚的損毀。

3 四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚實(shí)況

從該企業(yè)四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚和拱頂耐火磚的使用情況及耐火磚的檢修情況來(lái)看，膨脹縫耐火磚使用約8000h后蝕損嚴(yán)重需更換，而拱頂耐火磚蝕損較輕。拱頂耐火磚與膨脹縫耐火磚使用8000h后的狀貌見(jiàn)圖3。

圖3 氣化爐耐火磚使用8000h后的狀貌

觀察發(fā)現(xiàn)，上膨脹縫耐火磚M6部分燒掉。耐火磚之間的縫隙為高溫熔渣的滲入及侵蝕提供了通道，且這種侵蝕也促使磚縫不斷擴(kuò)大，由此使?fàn)t渣與耐火磚側(cè)面接觸面積不斷增大，耐火磚側(cè)面在其收縮與膨脹的循環(huán)過(guò)程中遭受過(guò)度應(yīng)力。爐渣在磚縫中沿著耐火磚徑向和圓周方向均產(chǎn)生侵蝕作用，特別是在耐火磚側(cè)面存在周向裂紋時(shí)，周向侵蝕速度更快，使耐火磚表面發(fā)生塊狀剝落。簡(jiǎn)言之，耐火磚周向裂紋比徑向裂紋對(duì)耐火磚使用壽命的影響及蝕損作用均更大。

4 膨脹縫耐火磚改型研究

四噴嘴水煤漿氣化爐耐火磚侵蝕速率直接受爐內(nèi)特殊流場(chǎng)的影響：4個(gè)燒嘴在同一水平面上形成90°夾角，煤漿和氧氣高速混合噴出后在爐內(nèi)形成射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)6個(gè)區(qū)域［4］（見(jiàn)圖4）。

圖4 四噴嘴水煤漿氣化爐流場(chǎng)示意圖

4.1 膨脹縫耐火磚原設(shè)計(jì)形式

四噴嘴水煤漿氣化爐筒體頂部的耐火磚受到回流區(qū)和折返流區(qū)氣流的沖蝕，因離燒嘴位置較近，氣體流速大，此處耐火磚沖蝕較為嚴(yán)重；膨脹縫耐火磚同時(shí)受到射流區(qū)的直接沖蝕和回流區(qū)的旋流沖蝕，此處耐火磚蝕損最為嚴(yán)重。

四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚原設(shè)計(jì)如圖5。可以看到，拱頂?shù)幕A(chǔ)支撐點(diǎn)在M4磚和C5磚，C5磚上部有托磚板，M4磚在托磚板下，M4磚主要對(duì)其上低鉻磚、高鉻磚及鉻剛玉澆注料起托舉與支撐作用，而M4磚以上低鉻磚、高鉻磚、鉻剛玉澆注料等的總重量為41561.97kg。簡(jiǎn)言之，因拱頂耐火磚支撐點(diǎn)為M4及C5耐火磚，當(dāng)膨脹縫耐火磚M4、M6、M8等需拆除更換時(shí)，拱頂耐火磚（F磚）必須全部拆除。

圖5 氣化爐膨脹縫耐火磚原設(shè)計(jì)示意圖

4.2 改型方案

四噴嘴水煤漿氣化爐拱頂為閉合球頂型結(jié)構(gòu)，由高鉻火泥膠結(jié)高鉻磚堆砌而成，砌體經(jīng)過(guò)高溫烘烤，高鉻火泥形成一定的燒結(jié)強(qiáng)度后，高鉻球頂結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，其載荷位于M4磚的位置，而M4磚為膨脹縫耐火磚，由于氣化爐膨脹縫耐火磚蝕損速率較快，在更換M4磚時(shí)被迫拆除整個(gè)拱頂耐火磚。針對(duì)這一情況，需對(duì)整個(gè)拱頂?shù)闹吸c(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移拱頂耐火磚支撐基礎(chǔ)磚M4磚的作用點(diǎn)，使M4以下的膨脹縫耐火磚可拆除而不影響拱頂耐火磚的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。而從拱頂耐火磚的力學(xué)分析可知，基礎(chǔ)支撐點(diǎn)只能向上轉(zhuǎn)移，M4磚上部即為F9，為此，制定如下膨脹縫耐火磚改型方案（如圖6）：將拱頂耐火磚F9與X6磚合并改型為F9G磚，M4、M5膨脹縫耐火磚改型為M4G、M5G磚，C5磚合并為M5G磚，B2磚（靠近原M5膨脹縫耐火磚處的B2磚）改型為B2G磚。膨脹縫耐火磚改型后，拱頂耐火磚不會(huì)因受牽連而被迫中途更換，膨脹縫耐火磚可自由更換，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立拆除換磚，可有效提高拱頂耐火磚的利用率，避免浪費(fèi)，并提高氣化爐的運(yùn)行周期；而且，改型后可以減緩膨脹縫耐火磚的蝕損，同時(shí)降低磚縫竄氣引起的氣化爐爐壁超溫幾率，延長(zhǎng)氣化爐的安全運(yùn)行周期。

圖6 氣化爐膨脹縫耐火磚改型方案示意圖

5 膨脹縫耐火磚改型可行性驗(yàn)證

四噴嘴水煤漿氣化爐拱頂為閉合球頂型結(jié)構(gòu)，其重心位于豎直中心線上，故不需要考慮重心對(duì)氣化爐結(jié)構(gòu)的影響，需要考慮的僅是M5G磚與M4G磚分界線處F9G磚的承重能力是否可以滿足要求。下面分析F9G磚的受壓及分界線處的剪切力情況。

膨脹縫耐火磚改型后氣化爐拱頂結(jié)構(gòu)及受力分析示意如圖7。由于耐火材料不保壓，爐內(nèi)氣體壓力施加于高鉻磚的壓力相互平衡，因此不受爐內(nèi)壓力影響。簡(jiǎn)言之，受力分析只需考慮F9G磚是否能夠承受其上耐火磚的整體重量，本技改項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)比F9G磚自身強(qiáng)度與其上耐火磚向F9G磚單位面積施加的壓力來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖7 改型后氣化爐拱頂結(jié)構(gòu)及受力分析示意圖

5.1 F9G磚自身耐壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度分析驗(yàn)證

耐壓強(qiáng)度指常溫或高溫下單位面積上試樣能承受而不被破壞的極限載荷，其計(jì)算公式為S＝p／A（式中：S—試樣的耐壓強(qiáng)度，MPa；p—試樣破碎時(shí)的總壓力，N；A—試樣受壓面積，mm2）。

F9G磚為高鉻磚，其常溫耐壓強(qiáng)度要求為S≥120MPa，耐火磚出廠前均對(duì)其進(jìn)行過(guò)壓力破壞試驗(yàn)，其耐壓強(qiáng)度均符合要求。導(dǎo)致耐火制品高溫下強(qiáng)度下降的原因主要是，高溫狀態(tài)下耐火制品中的雜質(zhì)在材料中形成液相，導(dǎo)致耐火制品的結(jié)構(gòu)弱化。而高鉻磚的原料為電熔氧化鉻（Cr2O3≥99.0%）、鉻綠（Cr2O3≥99.2%）、煅燒鋁微粉（Al2O3≥99.5%）及化學(xué)鋯（ZrO2≥99.5%），均為高純氧化物，雜質(zhì)含量極少，且熔點(diǎn)均在2050℃以上，幾乎沒(méi)有液相的存在，而F9G磚使用時(shí)平均溫度約為1324℃，難以引起其耐壓強(qiáng)度顯著變化。

高鉻磚的常溫抗折強(qiáng)度 （R1）為25～30 MPa，高溫抗折試驗(yàn)（1400℃、0.5h）顯示其高溫抗折強(qiáng)度（R2）約30MPa，而F9G磚使用時(shí)平均溫度約為1324℃、氣化操作壓力4.0 MPa，難以引起其抗折強(qiáng)度顯著變化。

5.2 F9G磚以上耐火磚施加壓力分析驗(yàn)證［5］

F9G磚受到上部耐火磚壓力和剪切力兩種力的作用，由于F9G磚下表面部分未與M5G磚接觸，因此，以下就F9G整塊磚承受的壓力及未與托磚板接觸部分所承受的剪切力分別進(jìn)行計(jì)算，并分別與F9G磚自身的耐壓強(qiáng)度及高溫抗折強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以確定其強(qiáng)度耐受性。

F9G磚位于托磚板上，主要對(duì)其上低鉻磚、高鉻磚及鉻剛玉澆注料起支撐作用，由前述可知，F(xiàn)9G磚以上低鉻磚、高鉻磚、鉻剛玉澆注料等的總重量為41561.97kg?？紤]F9G磚各部位承受上部耐火磚施加的力大小各異，較難核算，因此F9G磚各部位承受上部耐火磚的重量按最大重量即41561.97kg進(jìn)行計(jì)算。

5.2.1 F9G磚上表面單位面積受力情況

以F9G磚整個(gè)上表面（A0）為基礎(chǔ)進(jìn)行單位面積受力的計(jì)算。已知F9G磚整個(gè)上表面面積A0＝2.13722m2＝21372.2cm2，則F9G磚上表面單位面積的受力（即耐壓強(qiáng)度）S0＝M·g／A0＝41561.97×9.8÷21372.2＝19.1N／cm2＝0.19 MPa。可以看到，S0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S，即F9G磚的耐壓強(qiáng)度足以承受其上耐火磚的重量而不被破壞，無(wú)需顧慮其耐壓承受能力。

5.2.2 F9G磚未與M5G磚接觸處所受剪切力

以F9G磚未與M5G磚接觸點(diǎn)處為基礎(chǔ)進(jìn)行單位面積剪切力（F）計(jì)算。材料彎曲時(shí)最大正應(yīng)力發(fā)生在剪切力最大的截面處，F(xiàn)9G磚可看作懸臂梁，F(xiàn)9G磚所受載荷可近似為均布載荷，托磚板與F9G磚接點(diǎn)處剪切力最大，故最大正應(yīng)力發(fā)生在F9G磚與托磚板接觸點(diǎn)處。據(jù)上述計(jì)算可知，F(xiàn)9G磚表面所承載均布載荷q＝S0＝19.1N／cm2，F(xiàn)9G磚厚度h為14.6cm，接觸點(diǎn)至外沿最大距離L為24.3cm，則托磚板與F9G磚接觸點(diǎn)處剪切力F＝qL＝19.1×24.3＝464.13 N／cm，材料彎曲時(shí)單位面積最大應(yīng)力τ＝1.5F／h＝1.5×464.13÷14.6＝47.68N／cm2≈0.48 MPa?？梢钥吹?，τ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R2，故F9G磚滿足高溫抗折強(qiáng)度要求。

綜上，膨脹縫耐火磚改型后，經(jīng)力學(xué)理論計(jì)算驗(yàn)證F9G磚的耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均滿足要求，足以承受其上耐火磚的重量而不會(huì)斷裂。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)四噴嘴水煤漿氣化爐流場(chǎng)的分析及該企業(yè)四噴嘴水煤漿氣化爐內(nèi)襯耐火磚使用情況的檢查，并據(jù)氣化爐原設(shè)計(jì)磚型制定的膨脹縫耐火磚改型方案，經(jīng)力學(xué)理論計(jì)算驗(yàn)證是可行的。膨脹縫耐火磚改型后，能夠在不影響拱頂耐火磚安全運(yùn)行的前提下獨(dú)立更換膨脹縫耐火磚，有利于降低耐火磚更換成本，節(jié)約檢修時(shí)間，并提高氣化爐的運(yùn)行率及有效備用率。

膨脹縫耐火磚改型前，檢修更換氣化爐膨脹縫耐火磚時(shí)就得拆除拱頂耐火磚，拱頂耐火磚實(shí)際運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約8000～10000h，據(jù)測(cè)算，改型后拱頂耐火磚運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約16000～20000h，氣化爐拱頂耐火磚約150萬(wàn)元／套，每臺(tái)氣化爐每年更換膨脹縫耐火磚時(shí)可節(jié)省拱頂耐火磚費(fèi)用約75萬(wàn)元；每臺(tái)氣化爐拱頂耐火磚更換需人工及材料費(fèi)用約8萬(wàn)元，每臺(tái)氣化爐每年更換膨脹縫耐火磚可節(jié)約人工及材料費(fèi)用約4萬(wàn)元，即每臺(tái)氣化爐每年可節(jié)約總更換費(fèi)用約75＋4＝79萬(wàn)元，6臺(tái)在運(yùn)氣化爐每年可節(jié)約成本約79×6＝474萬(wàn)元。目前該煤化工企業(yè)已完成2臺(tái)氣化爐膨脹縫耐火磚改型，其中1臺(tái)氣化爐已運(yùn)行6000h，運(yùn)行工況穩(wěn)定，維持目前工況并結(jié)合以往的生產(chǎn)運(yùn)行與檢修經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，氣化爐拱頂耐火磚可使用16000～20000h甚至更長(zhǎng)。