水煤浆气化炉内衬耐材损毁的几点要素分析

目前水煤浆气化装置运行负荷普遍在95%~110%，高负荷运行对系统产生了较大的影响。宁波中金石化公司气化装置采用国内具有自主知识产权的华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、天辰设计院共同研发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺，当前负荷在17%。通过近几次运行发现：自从气化炉负荷提至15%以来，耐火砖的使用寿命明显缩短，A/B气化炉筒体砖(烧嘴室-K砖)寿命大概只有3700h，且在更换时，剩余耐火砖较少，远远小于整体的1/3(耐火砖厂家要求耐火砖剩余1/3时更换)，耐火砖损坏严重。综合分析，为延长耐火砖的使用寿命，应从如下几个方面进行调整。

流场结构

众所周知，雾化效果的好坏是由物料出烧嘴的速度和角度决定的，其中主氧起到了至关重要的作用，较高的主氧流速会使出烧嘴的物料动能过大，对耐火砖造成严重的冲刷。推荐出烧嘴的主氧流速范围在120～150m/s。专利商提供的数据为：氧气流量8949m³/h对应的气化炉压力6.3MPa，主氧流速130m/s，中心氧流速120m/s。随着煤浆浓度的提高，C炉氧气流量已经达到9600m³/h，为确保主氧流速在推荐范围内，对应的气化炉压力应该为6.8MPa，但压力容器不允许超压运行，因此目前无法实现(目前压力为6.5MPa)。根据现在的运行参数，通过计算得出主氧流速已经达到145m/s，中心氧流速为114m/s(计算条件：物料喷出角度50°温度22℃，中心氧比例16.6%)。由于每只烧嘴存在差异，因此其流速存在一定的偏差，但偏差的范围<5m/s。某公司气化装置在运行的过程中，出现过主氧流速在95m/s和145m/s时耐火砖均发生了严重损坏。以现在的条件计算，系统达到110%负荷时，主氧流速将会达到148m/s，偏离工艺指标较大。在夏季气温较高时，主氧流速会发生更大的变化(氧气流速与氧气管线温度、气化炉压力的对应关系见表1)。根据2014年氧气管道温度计算(夏季最高温度为37℃，冬季最低温度为17℃)在夏季时，主氧流速将会达到16m/s。2014年A炉运行时间为5—10月，基本上处于气温较高的季节;而B炉运行时间为8—12月，运行期间气温较低。A炉在高温天气下运行达3716h，而B炉在高温天气下只运行了1960h。同样的工况下，A炉主氧流速比B炉快10m/s。更换耐火砖时发现B炉剩余耐火砖厚度比A炉高3cm。

表1氧气流速与氧气温度、气化炉压力的对应关系

2012年9月气化炉100%负荷运行，氧气流量最高为8800m³/h，系统压力控制在6.5MPa，主氧流速控制在120~125m/s，耐火砖使用效果良好，由于系统前期负荷较低，耐火砖侵蚀量较少。C炉从开始运行至第1次更换耐火砖，负荷基本处于95%~105%，其筒体砖寿命达到了10000h。从实际运行情况可看出，主氧流速高，耐火砖侵蚀严重，使用寿命缩短。通过分析，只有通过更改烧嘴的尺寸才能使氧气流速进一步降低。

操作温度

合适的操作温度有利于在气化炉内壁耐火砖上形成一定厚度的渣膜，用来保护耐火砖。一般认为，在合适的操作温度以上，每增加100℃，高铬砖的侵蚀速率就会增加4倍。煤的灰熔点升高，相应的气化炉的操作温度升高。煤的灰熔点的高低是由煤种酸碱物质的比例确定的，碱性氧化物具有降低煤灰熔点的作用，碱性氧化物越多，灰熔点就越低。不过，对耐火砖侵蚀速率最快的也往往是碱性氧化物(氧化钙对耐火砖的侵蚀速率大于氧化铁)，所以在气化生产中并不是灰熔点越低越好。某厂与我公司为同类型装置，负荷相差不大，氧气流量在10000m³/h左右，其使用原料煤的灰熔点在1180℃，操作温度在1250℃。目前我公司气化炉的操作温度在1320~1350℃。与其相比，我公司使用原料煤的灰熔点低很多，操作温度还有降低的空间，即使配煤后的操作温度也应≤1250℃。因此，我公司可将目前的炉温下降30~50℃，煤气中有效气含量可提高0.5%，CO₂含量在16.5%，甲烷含量在900×10⁻⁶。

另外，在操作中对渣口压差过于敏感，发现渣口压差上涨，就盲目增加氧气流量，氧气流量增加，导致炉温升高。现在每只烧嘴加1个氧(16m³)，气化炉操作温度会升高5℃，加5个氧意味着炉温升高20~30℃，操作8h耐火砖的磨损速率是未加氧2d的磨损量。

如何判断渣口压差的指示是否真实，可以参考其他工艺参数的变化，综合分析，从而正确判断出渣口实际压差。

渣口堵塞，渣口压差升高，二次反应时间变长，会导致CO含量升高。在几次渣口压差升高加氧的过程中发现，虽然渣口压差升高，但是CO含量并没有升高，反倒是CO2含量接近18%，据气体成分情况可以判断出渣口压差并没有升高。另外，渣口压差是否升高还可以根据锁斗压差、锁斗与气化炉压差、气化炉液位等来判断，甚至不看气体成分就可以正确判断出渣口堵塞与否。当渣口真正堵塞，处理正常后要及时降温操作。一般来说，在渣口压差恢复正常8h后，就可以执行降温操作了。注意降温不能过慢，因为降温过程持续时间过长会导致耐火砖磨损加剧。如果后系统在控制系统压力上波动过大，这种情况下会导致耐火砖呈块状脱落。

煤质

对于气化炉来说，并不是所有的煤种都适合。总结多年的实践经验得出，在配煤的过程中，两种煤的灰熔点相差应小于100℃，因为两种煤的灰熔点相差越大，对气化炉的影响也越大。当两种煤的灰熔点相差过大，由于煤中的碳元素含量不一致，会导致气化炉内的温度大幅度的波动，气体成分也大幅波动。当煤质发生变化时，煤中的碳元素含量发生变化，碳元素含量降低时，在保持原有氧气流量不变的情况下，气化炉的实际氧煤比是升高的，此时形成的渣膜比较薄，不能对耐火砖起到相应的保护作用，会加剧耐火砖的剥蚀。当煤质发生变化时，煤浆浓度会优先于气化炉工况8h出现变化，当煤浆的黏度和浓度均有较大变化(煤浆的流动性出现变化)时，操作人员要注意渣口压差和渣样的变化。

生产负荷

生产负荷变化会对耐火砖的寿命产生影响，特别是开停车时，气化炉内温度的变化，环境气氛的变化，会对耐火砖的寿命产生严重的影响，控制不好时炉膛温度骤变，气化炉内热震剧烈，耐火砖会呈块状脱落。频繁地开停车，气化炉投料瞬间热震剧烈，耐火砖的表面瞬间温度变化过大，会导致耐火砖的脱落，开停车次数越多，耐火砖脱落就越严重。生产负荷由90%增加至105%，向火面耐火砖寿命缩短18%。

耐火砖质量及砌筑质量

耐火砖本身的质量会对其寿命产生影响。通过对比90砖和95砖的运行情况，不难发现，耐火砖中铬的含量越高，抗侵蚀能力越强，但是铬含量过高，会使耐火砖的抗热震性能下降，容易使耐火砖出现块状脱落。目前90砖使用效果相对好些，95砖的使用效果并不是很理想。

耐火砖的砌筑质量若有问题，耐火砖的使用寿命会明显缩短，有可能只有1周时间耐火砖就会脱落。不过，由于水煤浆气化技术逐渐成熟，很少出现因砌筑质量有问题而造成耐火砖侵蚀严重的现象。

烧嘴的尺寸

对于炉内耐火砖来说，局部的耐火砖损坏严重，而不是均匀地烧蚀，则表明烧嘴的结构不合理，应对烧嘴的尺寸进行改进。

通过进炉对耐火砖检查发现：耐火砖的损坏形式为馒头状，即中间大，边缘陷下去。针对我公司当前耐火砖的损伤形式分析，烧嘴间隙尺寸存在严重的不合理，为防止耐火砖出现馒头状的侵蚀，应对烧嘴的环氧通道进行改造。2014年4月对烧嘴进行改造，将喷嘴外侧通道外端直径由之前的41mm扩大至42mm。改造后烧嘴主氧流速可降低至10m/s，耐火砖的使用寿命大幅度延长。

结语

通过对烧嘴尺寸的更改，耐火砖的使用寿命明显提高。要进一步提高耐火砖的使用寿命，还应在控制温度方面下功夫，控制开停车次数，严格控制气化炉操作温度<1250℃，并防止出现人为判断失误导致的炉温升高;同时还应继续更改烧嘴的尺寸，通过理论计算，烧嘴主氧通道扩大至43mm，主氧流速有望降低至125m/s，由此可对延长耐火砖的使用寿命起到决定性的作用。

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