国产耐火砖在德士古水煤浆气化炉的使用

国产耐火砖在德士古水煤浆气化炉的使用
国产耐火砖在德士古水煤浆气化炉的使用
作者/来源：朱冬梅聂成元(山东兖矿鲁南化肥厂，山东滕州，
277527) 日期：2002-4-16
山东兖矿鲁南化肥厂(简称鲁南厂)德士古气化装置1993年4月8日投料成功，1994年1月达到设计能力。

鲁南厂这套气化装置国产化率虽已达到80％以上，但引进设备费用占总费用的18.07％，其中气化炉的耐火材料费用就占引进设备费用的40％。

因而开发使用国产耐火砖来替代价格昂贵的进口耐火砖，势在必行。

1 气化炉耐火砖的结构与组成
1)耐火材料的结构
气化炉内耐火砖共分为3层，由里到外分别为：保温层、隔热支撑层与向火热面层，本文所讨论的耐火材料指的是里层的向火热面砖。

炉膛的容积为12.7m3，热面层共分三部分，上部为拱顶部分，中间为直简体部分，下部为锥底部分。

三部分之间相互独立，有利于各部分的拆除或更换。

另外，为保持炉衬的整体性，砖与砖、层与层之间均设有沟槽结构，可以在砌筑后严密结合，并可以防止串气的发生。

2)耐火砖的组成
由于砖的Cr2O3含量对耐火砖抗熔渣的损蚀性非常关键，因而一般耐火砖型号均以Cr2O3的含量多少命名，鲁南厂使用的国产新乡80砖(型号XKZ-80)及洛阳90砖的理化性能指标见表1。

2 热面耐火砖的使用环境及要求
煤浆和纯氧通过工艺烧嘴喷入气化炉内，发生半氧化还原反应，制取合成气。

气化炉操作条件为炉膛温度≤1350℃，操作压力2.80MPa，煤浆质量含量66％±1％，煤浆灰熔点(T3)1230℃，入炉煤量18t／h，排灰渣量3～5t／h。

操作温度控制在煤灰的灰熔点之上，产生的渣呈液态沿耐火砖向火面流下，因而与耐火砖接触的介质为高温煤气和熔渣(组分见表2)。

由于粗煤气对耐火砖的损蚀性极其微弱，基本可以不考虑，因此主要考察熔渣对耐火砖的侵蚀及气化炉操作工况对耐火砖运
行寿命的影响。

耐火砖时刻处于高温复杂状态下的气液固三相介质的高速冲
刷状况，及受其它因素的影响，对耐火砖性能要求极为苛刻：①应具有较高的热态强度，使耐火砖具有较好的耐冲刷性；②对酸性熔渣应有较好抗渗透性和抗侵蚀性；③较好的体积稳定性，即较小的热膨胀系数，以减少热应力的破坏；④较好的热震稳定性，减少炉温剧变对耐火砖的侵蚀、剥落；⑤较小的气孔率及较高的密度。

3 耐火砖使用情况
1)使用进口耐火砖情况
德士古气化炉投料时所用耐火砖为法国沙瓦公司提供的ZIRCHROM80型耐火砖，其中筒体砖设计寿命为8000h。

据投料后的检查情况来看，使用效果并不理想。

A炉在运行807h后，热面砖已经产生大块剥落，拱顶和直筒体局部已见背衬砖，采用含铬浇筑料修补后，仅可维持短期运行。

B炉在投料运行4140h后检查，筒体砖已经大面积损蚀，残砖表面凹凸不平，剥落严重，说明进口耐火砖难以适应国内气化炉对耐火材料的要求。

2)试验国产耐火砖情况
河南新乡生产的XKZ-80砖1994年11月砌筑于A气化炉上，按规范砌筑、烘炉后，12月12日投料， 1996年3月14日结束，累计运行6002.9h。

其间5次利用停车机会入炉检查(检查结果见表3)，发现XKZ-80砖表面基本平整，向火砖面无裂纹，砖缝的冲刷基本上和耐火砖的损蚀同步。

最后一次，由于烧嘴在使用后期偏喷导致耐火砖局部损蚀特别严重，被迫停车检修。

其间开停车次数累计达到37次，
平均损蚀率仅为0.0269mm／h，而法国进口砖的损蚀率达到0.045mm／h。

国内外耐火砖使用对比见表4。

由表4可看出，国产耐火材料已经达到或超过法国进口砖的使用水平，而价格仅为进口砖价格的一半，可见国产的耐火砖完全符合气化炉的要求，可以替代进口耐火砖。

3)国产耐火砖使用成熟阶段
随着对德士古气化技术的领悟和创新，以及对耐火砖的使用技术不断摸索与积累，现在国产耐火砖的使用技术已经相当成熟，单炉砖的使用寿命大大延长，筒体砖使用寿命由1995年的3000～5000h，延长到现在的11000～13000h，拱顶砖的使用寿命由1995年的1018～3200h，延长至现在的11000～13300h，锥底砖由于长时间受熔渣冲刷，使用寿命相对拱顶砖、筒体砖较短，不过其寿命也由1995年的1018～3730h，提高到现在的5070～11800h。

其中B炉中的锥底砖在1999年9月27日至2001年11月15日使用期间，寿命达到了14397h。

耐火砖寿命的提高，带来了气化系统的稳定运行，同时也创造了巨大的经济效益。

4 耐火砖的损蚀原因
针对耐火砖的使用环境及使用情况，对其损蚀原因分析如下：1)熔渣的侵蚀
煤中含有的Si、Al、Ca、Fe及其它微量金属盐类构成了煤的灰分，不同的煤种可形成不同种类的熔渣，熔渣通过对砖的渗透、熔解并与耐火砖的组分形成低熔点化合物，改变了砖的组成，低熔点化合物不
断地被冲刷，导致耐火砖不断被熔解、渗透，从而被逐渐剥蚀，由气流夹带进入激冷室，形成灰渣。

2)热应力的破坏
由于耐火砖的厚度存在着温度梯度及炉壳的抑制作用，使耐火砖产生环向应力，另外，耐火砖的不同组分其膨胀系数不同，也会在砖的内部产生不同的热应力，频繁开停车导致炉温的大幅波动，也会使耐火砖的热应力发生急剧的变化而导致砖的表面产生裂纹，使耐火砖不断被损蚀。

3)操作工况的影响
操作工况不稳定如频繁开停车、温度压力波动及一些操作失误也会加剧耐火砖的损蚀，随着操作温度的升高，耐火砖的损蚀率将会增大。

4)其它因素的影响
由于煤种的不稳定，导致渣的成分发生变化；烧嘴的装配尺寸不合格，致使煤浆雾化效果不好；烧嘴在使用后期，盘管泄漏；炉砖筑砌质量较差等等其它因素也改变耐火砖的使用状况。

5 延长耐火砖使用寿命的措施
1)稳定煤源，控制熔渣组分
熔渣组分的改变可以导致对耐火砖损蚀程度的改变，因而抛弃初开车时仅仅烧单一煤种的做法，拓宽煤种，选择多种低灰熔点、低灰分和高活性的煤种，采用新的掺配煤技术，使配煤后煤灰熔融温度控制在1200～1300℃；配煤后灰分含量不得高于10％～15％，越低越好；并综合考虑配煤后其价格应符合经济效益的要求。

通过掺烧精煤来降低入炉煤浆的灰分，通过调整不同掺烧比例，来降低
入炉煤浆的灰熔点，并使熔渣的成分更为合理，从而减轻对耐火砖损蚀。

另外，定期检测气化炉灰渣的酸碱度，以便快速进行煤种的调整。

2)开展技术创新，确保气化炉安全生产
针对气化炉的操作特点及耐火砖损蚀规律，应用以下技术，取得了较好的效果。

①对气化炉的安全系统作出修改，以利于系统的安全
生产；②改造高温热偶的装配技术，延长高温热偶的使用寿命；
③以前依赖添加石灰石来降低灰渣灰熔点，现不再添加石灰石，减少灰渣中CaO的含量；④采用氧煤比自动跟踪技术，稳定操作炉温；
⑤开发使用国产新式烧嘴，改变气化炉内的运行工况。

3)开发应用以渣抗渣技术
在气化炉操作技术中，开发使用了以渣抗渣的耐火材料缓蚀技术，选择合适的气化炉操作温度(以保证气化炉顺利排渣为宜)，使炉内耐火砖壁上始终保留一定量的固态渣，隔离与流动渣的接触，从而减少流动渣对耐火砖的冲刷，相应起到了保护耐火砖的作用。

4)严把筑炉与烧嘴的质量关
筑炉质量与耐火砖的使用寿命关系很大，应严格加强砌筑质量管理，严格执行筑炉技术标准，控制横向灰缝≤1mm，纵向灰缝≤1.8mm，灰缝耐火泥浆要饱满，严禁包含孔隙，垂直度偏差± 5mm ／m，水平度偏差为±4mm／m，最大同心度偏差为±5mm。

另外对烧嘴质量及盘管质量也要严格把关，以防因烧嘴问题而损蚀耐火砖。

5)稳定操作，选择合适的炉温，减少开停车次数
选择合适的炉温，使操作温度、操作压力稳定，对延长耐火砖寿命至关重要。

由试验得知，炉温每升高100℃，耐火砖的损蚀率将增大2～3倍，因而应使操作温度不要太高，一般以煤灰在熔融时，其流动黏度在25～35MPa·s时的温度作为气化炉的操作温度较为合适。

另外工业运行实践也证明，开停车次数每增加一倍，耐火砖的损蚀率也会上升一倍。

因而在气化炉运行中，应确保气化炉长周期、稳定运行、减少开停车次数，对减缓耐火砖的损蚀相当重要。

6 结论
由鲁南厂气化炉运行实践看，国产耐火砖的使用水平已经达到世界先进水平，国产耐火砖已经完全可以替代进口耐火砖。

使用国产耐火砖，采用技术创新，可以使气化炉耐火砖的使用寿命比设计寿命延长30％～50％，每年可节约设备投资费用600万元左右。