冷壁型氣化爐烘爐技術(shù)分析及應(yīng)用

張金亮，夏同偉，李志強，沈克宇，朱惠春

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108）

煤氣化技術(shù)是清潔高效利用煤炭資源的重要途徑，通過高溫高壓的氣化反應(yīng)將煤炭轉(zhuǎn)化為以CO 和H2為主要成分的合成氣，用于甲醇、煤制氫、煤制氣、煤制乙烯等化工領(lǐng)域[1]，煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備是進行氣化反應(yīng)的氣化爐。冷壁型氣化爐的熱效率高，煤種適應(yīng)性廣，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。冷壁型氣化爐爐膛耐火襯里的烘爐是保證正常生產(chǎn)的重要因素，應(yīng)根據(jù)耐火襯里特點，結(jié)合實際條件綜合分析和應(yīng)用。

1 冷壁型氣化爐襯里結(jié)構(gòu)

氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)是高溫、高壓、多相條件下復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，反應(yīng)生成的煤氣含有少量的硫化氫等腐蝕性氣體，還會產(chǎn)生高溫灰渣。冷壁型氣化爐采用水冷壁包裹結(jié)構(gòu)形成爐膛區(qū)域，將氣化反應(yīng)限制其中，以保護外部的壓力殼體。為保護冷壁型氣化爐爐膛，抵抗爐內(nèi)復(fù)雜的氣氛和爐渣侵蝕，通常在爐膛水冷壁的壁面上敷設(shè)以碳化硅為主要成分的耐火襯里，見圖1。

圖1 冷壁型氣化爐結(jié)構(gòu)“以渣抗渣”工作原理

通常，爐膛水冷壁向火面焊滿Φ8～Φ16 mm 的耐熱鋼銷釘。耐火材料與一定比例的結(jié)合劑和水混合攪拌，以搗打或澆筑方式敷設(shè)在壁面上，厚度為12～30 mm。正常運行時，氣化產(chǎn)生的爐渣被旋流甩到水冷壁的耐火襯里層表面，并在水冷壁內(nèi)爐水的冷卻下，在耐火襯里表面固化為一層固態(tài)渣；外側(cè)靠近高溫?zé)煔鈧?cè)則形成一層流動的液態(tài)渣。在高溫?zé)煔夂退浔跔t水的雙重作用下，爐壁上的渣層達到了動態(tài)平衡，即達到“以渣抗渣”的目的，從而保護爐膛的安全。

實際生產(chǎn)過程中，尤其是初次施工或大修后，除了材料性能和施工工藝，耐火襯里烘爐成為保證耐火襯里性能的關(guān)鍵。烘爐過程主要為了去除耐火材料中的游離水、結(jié)合水以及固化材料與結(jié)合劑，以獲得穩(wěn)定的高溫使用性能，從而達到良好的使用狀態(tài)，避免生產(chǎn)過程熱脹冷縮造成耐火襯里變形、脫落或產(chǎn)生裂紋，影響生產(chǎn)使用。

2 冷壁型氣化爐烘爐曲線的確定

冷壁型氣化爐爐膛耐火襯里工作環(huán)境惡劣，對性能的要求也很高，經(jīng)過近些年的實踐和改進，已有不少產(chǎn)品滿足了實際生產(chǎn)的要求。表1 對比了幾種典型澆注料的性能參數(shù)[4]，在實際使用中，烘爐最高溫度、烘爐總時間、使用部位以及熱性能等對烘爐過程有較大影響，應(yīng)在選用時與烘爐曲線、實施方案一并考慮。

表1 幾種典型耐火襯里產(chǎn)品性能

結(jié)合使用經(jīng)驗，冷壁型耐火襯里烘爐曲線通常包括幾個階段[2-3]：室溫~150℃左右持續(xù)緩慢升溫，去除材料中的顆粒表面游離水；150℃恒溫階段，完全脫除顆粒表面吸附水（此溫度階段用T表水表示）；150℃～350℃持續(xù)緩慢升溫，去除膠凝體結(jié)合水（此溫度階段用T結(jié)合水表示）；350℃及以上恒溫階段，完全去除膠凝體結(jié)合水。圖2是幾種典型耐火襯里的烘爐曲線。

圖2 幾種典型的爐膛水冷壁耐火襯里烘爐曲線

工程實踐中，耐火襯里廠家都會提供烘爐曲線。首次施工過程或者修補面積超過一定尺寸的情況下，都應(yīng)按照烘爐曲線進行烘爐。

但是，由于氣化爐內(nèi)部耐火襯里的敷設(shè)部位和種類并不單一，比如壓力容器內(nèi)表面隔熱襯里、爐膛水冷壁的耐火襯里以及爐膛燒嘴安裝孔、出渣口耐火襯里等可能是由不同材料組成的，整體烘爐過程中不可能保證遵循所有材料的烘爐曲線，因此需要按照不同部位襯里的重要性，分析不同襯里的烘爐曲線，有側(cè)重點地確定氣化爐的整體烘爐曲線。

3 熱源選擇及烘爐方案制定

目前，冷壁型氣化爐爐膛耐火襯里常用的烘爐熱源有：采用輔助燃料（包括天然氣、柴油、液化石油氣或其他輔助燃氣）的煙氣發(fā)生器、電加熱、水冷壁內(nèi)循環(huán)高溫水熱源以及特制的開工燃燒器等方式。烘爐的熱源方式選擇受到氣化爐結(jié)構(gòu)特點、耐火襯里烘爐曲線、施工地點、烘爐用燃料種類限制、氣化系統(tǒng)的完工程度等多重因素的影響，因此在設(shè)計建造初期就應(yīng)該統(tǒng)籌考慮烘爐熱源的選擇和實施方案。

（1）工廠內(nèi)熱煙氣烘爐

一般而言，對于結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、運輸距離短、運輸過程容易進行固定的冷壁型氣化爐爐型，可選擇在制造廠進行烘爐，熱源可選擇專用的煙氣發(fā)生器，其優(yōu)點：工廠內(nèi)條件具備靈活的配置特點，專用烘爐煙氣發(fā)生器可以產(chǎn)生溫度均勻的煙氣，對各部件能嚴格按照烘爐曲線執(zhí)行，但其也有明顯的缺陷，對于烘爐后的保養(yǎng)，以及遠距離運輸、現(xiàn)場安裝提出了更高要求，應(yīng)制定詳盡的方案，以確保運抵現(xiàn)場的運輸過程及安裝對耐火襯里不造成損壞。

（2）安裝就位后熱煙氣烘爐

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、運輸距離遠的爐型，一般選擇在現(xiàn)場安裝就位后進行烘爐，熱源可選擇專用的煙氣發(fā)生器或特制的開工燃燒爐。根據(jù)現(xiàn)場的燃料供應(yīng)情況以及項目整體進度，可優(yōu)先選用專用煙氣發(fā)生器進行烘爐，其原料的適用性廣泛，天然氣、柴油或液化石油氣等都可以作為燃料氣。其難點在于要結(jié)合項目的施工總進度，針對已安裝就位的設(shè)備和需要進行烘爐的部位，對熱煙氣的流程和溫度控制進行科學(xué)的規(guī)劃，并根據(jù)實際情況進行局部內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通道的封堵，從而引導(dǎo)熱煙氣按照順序通過襯里區(qū)域，均勻地完成烘爐過程。

圖3 為某型氣化爐爐膛襯里的烘爐熱煙氣流程，適用于現(xiàn)場煙氣排放系統(tǒng)和激冷水系統(tǒng)暫未安裝就位的情況。

圖3 安裝就位后熱煙氣烘爐的典型流程

煙氣發(fā)生器產(chǎn)生的熱煙氣，通過導(dǎo)管從頂部開孔處插入爐膛空間底部，使熱煙氣按照順序通過襯里區(qū)域，均勻地完成烘爐過程。熱煙氣的溫度通過調(diào)節(jié)燃料量和風(fēng)量來控制。

煙氣發(fā)生器安裝在氣化爐頂部平臺上，煙氣導(dǎo)管必須牢固固定以確保安全。爐膛底部通道采用臨時擋板封堵，并設(shè)置保溫層。

煙氣從頂部開孔處的導(dǎo)管進入氣化爐爐膛底部，遇到爐膛底部通道臨時擋板后反向依次流過爐膛錐底、爐膛直段、爐膛上部錐頂，最后通過頂部開孔處安裝的臨時煙囪排入大氣。

圖4 為另一氣化爐爐膛襯里的烘爐熱煙氣流程示意圖，此方案對于設(shè)備的激冷水系統(tǒng)已經(jīng)就位可用。后續(xù)的放空系統(tǒng)安裝就位的情況，其烘爐通道與氣化流程生產(chǎn)通道一致，省卻了臨時排放系統(tǒng)的搭建。

圖4 安裝就位放空系統(tǒng)可用的熱煙氣烘爐典型流程

（3）蒸汽預(yù)熱水冷壁爐水烘爐

在運行實踐過程中，針對氣化爐爐膛專用的某些特制的耐火襯里[5]，根據(jù)目前氣化爐爐膛水冷壁運行溫度為230℃～300℃這一特定溫度，在耐火襯里搗打料中加入了特種排濕劑，在60℃～70℃分解形成納米級毛細孔，有利于搗打料膠體中的水分及揮發(fā)份迅速排除。此種方案，烘爐最高溫度降低到250℃以下，通過開車蒸汽預(yù)熱爐膛水冷壁爐水，控制水冷壁爐水的升溫來滿足烘爐曲線的要求，不需要專用的烘爐煙氣發(fā)生器，節(jié)約了輔助設(shè)施的安裝與后期拆除清理工作和費用，縮短了烘爐周期。

對于因部分損壞而需進行局部維修的爐膛耐火襯里，由于檢修時間有限，生產(chǎn)任務(wù)重，小面積修補檢修后往往出現(xiàn)未能進行熱煙氣烘爐處理即投入生產(chǎn)的情況，選用特種耐火澆注料的優(yōu)勢非常明顯。原因在于，冷壁型氣化爐開車預(yù)熱階段都會經(jīng)歷水冷壁由常溫升溫到投料溫度的過程，將此過程與修補耐熱襯里的烘爐有效結(jié)合即可滿足烘爐曲線要求，不僅保證了耐火材料的使用性能和壽命，而且節(jié)省了檢修和開車時間，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

需要指出的是，上述方案受制于耐火襯里的種類選用、現(xiàn)場設(shè)備汽水系統(tǒng)的安裝就緒情況和加熱用蒸汽的品質(zhì)和數(shù)量等要求。

（4）蒸汽預(yù)熱水冷壁爐水聯(lián)合熱煙氣烘爐

對于最高烘爐溫度高于300℃的耐火襯里，僅采用蒸汽預(yù)熱水冷壁方式的烘爐難以實現(xiàn)，在條件許可下，可選用蒸汽預(yù)熱水冷壁爐水聯(lián)合熱煙氣烘爐的方式。烘爐分為兩個階段：

第一階段：采用蒸汽預(yù)熱水冷壁爐水進行烘爐，加熱溫度按照烘爐曲線應(yīng)達到T結(jié)合水（約230℃）以上，保溫點一般為100℃左右與T結(jié)合水（約230℃）左右。T結(jié)合水被認為是第一階段的目標溫度，其通過控制預(yù)熱蒸汽的流量和水冷壁的溫升速率以達到預(yù)期效果。

第二階段：采用煙氣發(fā)生器或開工燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M行烘爐。為了達到烘爐第二階段中高于T結(jié)合水的溫度，需要排空水冷壁內(nèi)的水，排空水冷壁內(nèi)的水后，在約110℃時應(yīng)保溫至水冷壁內(nèi)的水分蒸發(fā)完全。通過設(shè)置合理的熱煙氣流道，使煙氣按照順序通過襯里區(qū)域，均勻地完成烘爐過程。熱煙氣的溫度通過調(diào)節(jié)燃料量和風(fēng)量來控制，此過程要嚴格控制水冷壁金屬壁溫不能超溫。

采用蒸汽預(yù)熱水冷壁爐水聯(lián)合熱煙氣烘爐方式，優(yōu)點在于在低溫狀態(tài)下能夠通過精確地控制水冷壁爐水的溫度使耐火襯里“從內(nèi)而外”均勻緩慢地被加熱，有效地防止了因驟冷驟熱引起襯里受熱不均而出現(xiàn)損壞。此種方法尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多的冷壁型氣化爐，其前提是整個汽水系統(tǒng)就緒并滿足上述要求，加熱用蒸汽的品質(zhì)和數(shù)量滿足要求。

（5）電加熱局部烘爐

針對因為損壞而修補的耐火襯里，受檢修工期短的限制，可選用電加熱方法進行局部烘爐[6]。烘爐時采用纏繞電加熱帶對新敷設(shè)的耐火襯里進行加熱，通過檢測耐火襯里內(nèi)和水冷壁上的溫度測點溫度來調(diào)整電加熱控制器的參數(shù)，使之符合烘爐曲線的要求。

此方案尤其適合修補面積小、間隔多塊的情況，可同時進行多個區(qū)域的局部烘爐。通過電加熱帶熱量的輻射實現(xiàn)對修補區(qū)域的均勻加熱，能確保耐火襯里的性能，對局部耐火襯里修復(fù)，在保證安全、保證進度、節(jié)約成本等方面具有實用價值。

4 烘爐過程控制

一般而言，為固化耐火襯里中的粘結(jié)劑，襯里材料施工完成48 h 后才可以開始進行烘爐工作。為避免耐火材料中部分成分發(fā)生水合反應(yīng)，在施工后應(yīng)保持襯里干燥并在一個月內(nèi)進行烘爐，實施烘爐前應(yīng)進行外觀檢驗，表觀合格后方可進行烘爐。

在烘爐曲線要求的每個恒溫點，保持熱源溫度穩(wěn)定并保持足夠的時間進行恒溫烘爐。如果烘爐過程因各種原因中斷，必須按照規(guī)定的升溫速率升溫到中斷時的溫度點，重新執(zhí)行烘爐曲線規(guī)定的保溫時間。

為確保烘爐過程滿足烘爐曲線要求，需要布置若干溫度測量點，通常布置在爐膛內(nèi)部及熱煙氣入口和出口的位置，周向可選用均布3 支或4 支，取平均值。此外，還可預(yù)埋在爐膛水冷壁耐火襯里內(nèi)部，用以精確地檢測澆注料的溫度。熱電偶測量范圍推薦至少0℃～600℃，有利于全面測量和記錄烘爐溫度。

烘爐熱源采用熱煙氣系統(tǒng)時，優(yōu)先選用帶有自動調(diào)節(jié)功能的煙氣發(fā)生器，通過燃料流量控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)燃料流量和空氣流量，實現(xiàn)烘爐溫度的準確控制[7-8]。

對于烘爐曲線中最高保溫溫度超過400℃的烘爐過程，在實施之前應(yīng)該評估和計算熱源出口處熱煙氣最高允許溫度，以確保整個烘爐過程爐膛水冷壁的金屬溫度在允許范圍之內(nèi)。

對于爐膛水冷壁已經(jīng)安裝就位于壓力殼體內(nèi)的情況，為確保壓力殼體和爐膛水冷壁的膨脹協(xié)調(diào)一致性滿足應(yīng)力要求，在烘爐過程中應(yīng)嚴格遵循氣化爐設(shè)備供應(yīng)商給出兩者之間金屬壁面的溫差要求，以免損壞設(shè)備。

5 烘爐質(zhì)量檢驗

耐火襯里烘干后，要對襯里表面進行全面檢查并作好記錄，對損壞部分分析原因并加以修補。通常要求爐膛水冷壁耐火襯里外觀平整，無空鼓，無剝落，個別裂縫在3 mm以下可填充修補，大于3 mm的需制定維修方案進行維修。

6 結(jié)束語

冷壁型氣化爐作為煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，烘爐過程是確保耐火襯里性能的關(guān)鍵步驟，應(yīng)給予足夠的重視，以有利于氣化爐的安全運行。

在設(shè)計建造初期就應(yīng)根據(jù)氣化技術(shù)的工藝特點，選用合適的耐火襯里類型，并根據(jù)氣化爐結(jié)構(gòu)特點、耐火襯里烘爐曲線、施工地點、熱源條件、烘爐用燃料種類限制等多重因素的影響統(tǒng)籌考慮烘爐實施方案，從而為氣化爐設(shè)備的順利投入生產(chǎn)做好準備。