張宏宇

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

目前，分公司采用的耐火磚氣化爐是水煤漿加壓氣化技術(shù)。耐火磚作為氣化爐內(nèi)襯重要組成部分，已經(jīng)運(yùn)行3 a多，耐火磚性能、筑砌質(zhì)量、工藝操作以及煤質(zhì)在很大程度上影響到爐磚的使用壽命。內(nèi)襯耐火材料中向火面磚的壽命直接決定了生產(chǎn)的長周期運(yùn)行[1]。

近期發(fā)現(xiàn)錐底磚運(yùn)行壽命大幅降低，且在拆除錐底磚時(shí)發(fā)現(xiàn)磚縫之間被大量的鐵質(zhì)材料填充，并將錐底T1905磚包裹為一個(gè)堅(jiān)固的環(huán)形整體，拆除極為困難。就煤漿中鐵鈣元素對Cr2O3—Al2O3—Zr02耐火磚壽命的損傷模式做詳細(xì)分析，找出鐵元素的來源及清除對策，討論降低耐火磚損傷的綜合因素。

1 氣化爐運(yùn)行情況及檢查介紹

3#氣化爐于2017年7月17日小修，9月24日發(fā)現(xiàn)該爐支撐板溫度突然升高，激冷室液位波動(dòng)且上漲，經(jīng)調(diào)整后無明顯改善，于9月25日計(jì)劃停車，擬單系列檢修并檢查爐磚狀況。停車時(shí)3#氣化爐拱頂磚運(yùn)行2769 h，筒體磚運(yùn)行2769 h，錐底磚運(yùn)行2769 h。

9月29日，爐磚檢查情況：拱頂磚燒蝕非常輕微，磚縫均勻飽滿，爐磚表面無剝落、無凹坑。筒體磚表面沖刷較小，磚縫之間沖刷的凹坑深度約20 mm，數(shù)量較少。錐底磚情況則燒損、沖刷較嚴(yán)重，T1904渣口磚縫之間已被沖刷呈縱向的深溝，上部呈尖銳的棱角，磚縫之間的溝槽寬約90 mm，深約100 mm，T1905磚已基本燒蝕沖刷，少量斷裂剝落的磚頭散落在T1905磚的位置，與T1906磚的高度差＞200 mm。施工隊(duì)在拆除爐磚時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵渣環(huán)隱藏在T1905磚的下方。鐵渣環(huán)取出時(shí)幾乎呈一整體圓環(huán)，磚縫里填滿了鐵質(zhì)灰渣，并將殘缺不全的向火面磚包裹。

在錐底高速氣流的沖刷、流動(dòng)灰渣的磨損以及高溫燃燒區(qū)的下移等多重作用都將導(dǎo)致錐底區(qū)域損壞嚴(yán)重，錐底磚大面積剝落形成凹坑。在錐底磚縫之間出現(xiàn)鐵渣，磚縫已完全被侵蝕導(dǎo)致形成熔渣池，鐵及鐵的氧化物在熔渣池沉積，形成了上述鐵渣環(huán)（圖1）。在該處的鐵單質(zhì)和鐵的氧化物（FeO熔點(diǎn)1420℃，F(xiàn)e2O3熔點(diǎn)1565℃）經(jīng)過聚集、燒結(jié)，經(jīng)過熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致支撐板溫度升高。

2 鐵、鈣元素及操作溫度對爐磚的損害分析

2.1 受力不同

圖1 錐底磚及鐵渣環(huán)

在氣化爐升降溫過程中，由于錐底磚及注澆料速率不同，以及在發(fā)生熱位移過程中所受到的約束和阻力不同，磚與磚之間發(fā)生相對位移導(dǎo)致在以后的每次位移中擴(kuò)展[2]。耐火磚在每次受熱發(fā)生的漲縮過程中，磚側(cè)面受力過度，易產(chǎn)生裂紋。此時(shí)，爐渣在磚縫的軸徑向同時(shí)產(chǎn)生侵蝕作用，特別是軸向裂紋侵蝕速度更快，使表面發(fā)生塊狀剝落?；以闹饕煞譃镕e2O3，F(xiàn)eO，Al2O3，SiO2，CaO，MgO等，熔融狀態(tài)下Fe2O3和FeO的密度相對較大，在流動(dòng)過程中沉積在底部，隨著不斷侵蝕，最終將磚縫填充，并將殘磚包裹。

2.2 鐵的價(jià)態(tài)變化引起體積效應(yīng)

在氣化爐強(qiáng)還原性氣氛下，F(xiàn)eO可能被還原為Fe，F(xiàn)e與FeO密度不同，在工況條件變化（如還原—氧化轉(zhuǎn)變）時(shí)兩者之間的轉(zhuǎn)變會引起較大體積效應(yīng)，造成耐火磚產(chǎn)生裂紋、斷裂、膨脹等現(xiàn)象，加速高鉻磚的損毀。

滲入耐火磚中的FeO，對CO反應(yīng)生成碳起催化作用，導(dǎo)致碳在耐材內(nèi)部沉積，最終會加劇耐火材料鼓脹開裂，發(fā)生剝落損毀。

2.3 FeO與耐火材料的反應(yīng)

當(dāng)耐火材料中含有大量獨(dú)立存在的Cr2O3或Al2O3時(shí)，熔渣中的FeO與磚和澆注料中的Cr2O3或Al2O3會發(fā)生反應(yīng)，生成鐵鉻尖晶石和鐵鋁尖晶石，反應(yīng)如下：

（FeO）渣+Cr2O3（S）→FeO·Cr2O3（S）

（FeO）渣+Al2O3（S）→FeO·Al2O3（S）

停爐時(shí)，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，鐵鉻尖晶石和鐵鋁尖晶石發(fā)生脫溶反應(yīng)，引起較大的體積效應(yīng)，導(dǎo)致爐磚（澆注料）工作面結(jié)構(gòu)疏松，甚至產(chǎn)生剝落。按GB/T 10325—2012取樣，向火面磚的化學(xué)成分：Cr2O3≥86%，ZrO2為 3.0%～6.0%，F(xiàn)e2O3和SiO2分別≤0.2%。

灰渣內(nèi)大量的鐵，與渣或磚中的Al2O3和SiO2生成低熔點(diǎn)化合物，導(dǎo)致錐底掛渣差或無掛渣，使灰渣對耐火磚侵蝕滲透加快，氧化鐵與耐火磚反應(yīng)生成尖晶石及其自身的價(jià)態(tài)變化引起體積效應(yīng)，構(gòu)成了耐火磚損毀的主要原因。

對爐磚的損壞作用不僅僅只有鐵元素，灰渣中的CaO對高鉻磚的損傷不容忽視。因?yàn)镃aO在與FeO和SiO2的共存環(huán)境中，在高溫下容易生成一種熔點(diǎn)較低的化合物：CaO·2FeO（熔點(diǎn)1180 ℃），CaO·FeO·SiO2（熔點(diǎn) 1223 ℃），CaO·Fe2O3（熔點(diǎn)1240℃），CaO·2Fe2O3（熔點(diǎn)1280℃）。如果灰渣中CaO含量足夠高，可以形成上述低熔相化合物，這些共存的低熔相化合物可使灰渣熔點(diǎn)降到1200℃（甚至以下），同時(shí)灰渣的黏度更低，流動(dòng)性更好。有這種特性的灰渣對向火面磚的滲透性更強(qiáng)，對磚縫的侵蝕作用也會更強(qiáng)，危害更大。如果CaO含量更高，除了生成上述化合物外還有剩余，還會增大灰渣黏度，不利于灰渣在向火面磚上附著，起不到以渣抗渣的作用。如果CaO含量過低，生成的低熔相化合物數(shù)量較少，灰熔點(diǎn)將會提高，操作溫度也會相應(yīng)提高。

2.4 操作溫度對向火面磚使用壽命的影響

操作溫度越高，侵蝕越大，爐磚使用壽命越低，主要原因是高溫會改變黏溫特性，溫度越高，黏度越低，流動(dòng)性越好。導(dǎo)致鐵的化合物對磚的侵蝕和滲透性也會越嚴(yán)重。操作溫度應(yīng)在熔渣的最佳黏度時(shí)的熔融溫度（30～50）℃以上。此處最佳黏度指的是既能使熔渣呈玻璃狀小塊從下降管順利掉落、不堵塞渣口，又能使在運(yùn)行過程中灰渣附著在爐磚上的黏度。國內(nèi)外長期實(shí)踐和研究認(rèn)為，合適熔融溫度下的黏度為（15～25）Pa·s，合適的操作溫度下的黏度為（25～40）Pa·s，最好控制在（25～35）Pa·s，即為最佳黏度。從近期的氣化爐爐磚檢查結(jié)果看，筒體、錐底和渣口磚掛渣幾乎沒有，僅從操作溫度來看，似乎高了一些。氣化爐停車時(shí)，將溫度提高50℃，實(shí)施熔渣值得商榷。

3 煤漿鐵元素的來源分析

（1）原料碎煤中可能含鐵礦石。

（2）鋼棒研磨碎煤后，自身也在被磨損。

（3）碎煤里的小螺釘、鐵絲等（表1）。

表1 煤質(zhì)取樣分析結(jié)果 （鐵含量%）

4 注意事項(xiàng)

4.1 保證氣化爐向火面磚的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠

（1）提高向火面磚的Cr2O3含量。Cr2O3含量越高，產(chǎn)品抗侵蝕能力越強(qiáng)。選用體積密度較大的耐火磚，使兩者氣孔細(xì)微化，提高抗?jié)B透能力，降低化學(xué)侵蝕的幾率。利用ZrO2的相變增韌原理，在ZrO2顆粒周圍形成微裂紋，在氣化爐開停車過程中，因溫度變化產(chǎn)生的熱效應(yīng)會釋放在這些微裂紋中。

（2）嚴(yán)格按照烘爐曲線進(jìn)行烘爐，防止由于爐溫變化過快而引起的耐火磚產(chǎn)生位移。

（3）保證爐磚及澆注料的施工質(zhì)量，要筑實(shí)，防止在澆注過程中出現(xiàn)不嚴(yán)密、有氣孔的現(xiàn)象發(fā)生，保證向火面磚磚縫均勻、不能超過允許值。

4.2 控制氧煤比、選擇匹配性好的燒嘴、控制好爐溫，防止渣口結(jié)渣

選擇灰分、CaO和FeO含量低的煤種，保證煤質(zhì)穩(wěn)定。但煤中CaO含量過低又會導(dǎo)致煤的灰熔點(diǎn)偏高，所以CaO含量也不宜過低。加大磨煤機(jī)除鐵器的定期清理力度，檢查除鐵器的鐵磁性強(qiáng)度，強(qiáng)度較低時(shí)需及時(shí)更換。

4.3 保證氣化爐操作工況的穩(wěn)定，避免過大波動(dòng)

營造運(yùn)行過程中向火面磚表面良好的掛渣效果，同時(shí)保證熔渣具有一定的流動(dòng)性，避免渣口堵渣。操作人員留意氣化爐內(nèi)溫度的變化，如果偏高則注意合成氣中CO含量的變化，爐渣狀態(tài)及排渣情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整甲烷含量。

5 結(jié)語

通過國內(nèi)某煤化工企業(yè)氣化爐在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行剖析，全面分析出現(xiàn)異常的原因，針對存在的問題，提出了有效的控制措施。對保證氣化爐安穩(wěn)常滿優(yōu)運(yùn)行提供寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，具有極大指導(dǎo)意義。