摻燒石油焦對(duì)耐火磚的影響

楊 路

(中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 惠來 515200)

氣化爐燃燒室內(nèi)襯向火面磚、背襯磚、隔熱磚三層保溫材料，可有效地隔絕高溫氣體對(duì)反應(yīng)器殼體的威脅。氣化爐燃燒室內(nèi)反應(yīng)劇烈，耐火磚受到高溫氣體的沖刷，不斷磨損、減薄,正常運(yùn)行期間腐蝕速率為0.02mm/d。但在煤種發(fā)生異常時(shí),耐火磚的侵蝕速率會(huì)大大加劇,特別是在摻燒石油焦后,氣化爐耐火磚侵蝕加劇，嚴(yán)重制約了氣化爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 耐火磚掛渣減薄導(dǎo)致爐壁易超溫

正常情況下,在耐火磚的表面上會(huì)形成一層固態(tài)的渣膜，用來隔絕熔融狀的渣以及高溫氣體對(duì)耐火磚的侵蝕。首先，煤漿進(jìn)入氣化爐后,和氧氣進(jìn)行燃燒以及氣化反應(yīng)，生成以CO和H2為主要組分的水煤氣，經(jīng)過反應(yīng)后,剩余的大部分灰分以及很少一部分殘?zhí)寂鲎驳侥突鸫u表面,并被耐火磚壁面所捕獲。煤灰中的MgO、Fe2O3、Al2O3會(huì)與Cr2O3相結(jié)合形成致密的尖晶石，這便是固態(tài)渣膜。由于遠(yuǎn)離耐火磚灰渣的溫度進(jìn)一步升高，靠近渣膜外層的灰渣逐漸呈熔融狀向下流動(dòng)，最終排出氣化爐燃燒室。由于渣膜的存在，隔絕了高溫煤氣以及高溫熔渣的滲透，加之背襯磚、隔熱磚的作用,氣化爐的爐壁溫度維持在～230 ℃，后期隨著耐火磚的減薄,爐壁溫度會(huì)逐漸升高，一般爐壁溫度<300 ℃即可維持運(yùn)行。

在全煤工況運(yùn)行期間,氣化爐爐壁溫度未發(fā)生異常，但在摻燒石油焦后,氣化爐爐壁溫度略有上漲。當(dāng)石油焦的摻燒比例>30%時(shí)，發(fā)生數(shù)次壁溫超過300 ℃的現(xiàn)象。分析認(rèn)為,造成壁溫升高的原因在于以下幾點(diǎn):①石油焦的反應(yīng)活性較差,為了維持氣化爐溫度以及提高石油焦的反應(yīng)活性,必須維持較高的氧煤比,以此來提高氣化爐的操作溫度，這是壁溫升高的客觀條件;②由于石油焦的摻燒比例高,導(dǎo)致爐內(nèi)灰分少，造成爐壁掛渣減薄(見圖1)。

圖1 耐火磚局部掛渣情況

通過檢查氣化爐內(nèi)的耐火磚發(fā)現(xiàn),在氣化爐的耐火磚上有部分耐火磚完全沒有掛渣，且有些掛渣的地方未形成渣膜，而有些耐火磚上掛渣呈多孔狀,并沒有形成一定厚度的渣膜。其主要原因在于石油焦的摻燒比例,當(dāng)石油焦中的灰分相對(duì)較低時(shí)，雖然可減少對(duì)耐火磚的侵蝕，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn),摻燒石油焦后,在氣化爐的耐火磚上不足以形成足夠厚度的渣膜，有部分耐火磚暴露在高溫的氣化爐反應(yīng)體系中(見圖2)。而耐火磚的灰縫是最薄弱的環(huán)節(jié)，灰縫的耐火泥會(huì)在氣流的卷吸過程中被沖刷干凈，磚縫最先暴露在環(huán)境中，高溫水煤氣會(huì)沿耐火磚的磚縫竄入，導(dǎo)致爐壁超溫。在處理爐壁超溫時(shí),多次采用大幅降低氣化爐反應(yīng)溫度的措施，使灰渣重新掛渣，這也間接證明了導(dǎo)致爐壁超溫的主要原因就是石油焦的摻燒比例過高、磚縫暴露、氣流反竄。

圖2 耐火磚局部侵蝕情況

而且,石油焦灰渣中除了含大量SiO2、CaO 和Fe2O3外，還含有相當(dāng)多的侵蝕介質(zhì),即釩的氧化物(主要V2O5)，檢測(cè)顯示其含量達(dá)到4.5%(w)。V2O5的熔點(diǎn)僅670 ℃，與Cr2O3共存時(shí)，最低共熔溫度665 ℃。在氣化工況下，失去渣膜保護(hù),暴露在氣化環(huán)境體系中的耐火磚很容易被熔蝕。

結(jié)合實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，在石油焦的摻燒比例超過40%時(shí),容易發(fā)生爐壁超溫現(xiàn)象，運(yùn)行不穩(wěn)定。摻燒比例為30%時(shí),雖然爐壁溫度較全煤工況略有上升，但是通過初步計(jì)算可知，30%摻燒比例較全煤工況下產(chǎn)氣量略多。綜合考慮，在摻燒石油焦時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制摻燒比例<30%，避免磚縫竄氣現(xiàn)象的發(fā)生。

2 摻燒石油焦導(dǎo)致耐火磚侵蝕加劇

摻燒石油焦后,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率逐漸下降，在全煤工況下氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率僅有98%，在摻燒石油焦(細(xì)灰不回?zé)r)后,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率由全煤工況下的98%降至94%，且隨著摻燒的比例>30%，碳轉(zhuǎn)化率下降至90%以下。當(dāng)碳轉(zhuǎn)化率<88%，氣化爐的壁面捕捉效率明顯下降。雖然爐壁的捕捉效率下降，但是氣化爐壁面捕捉的殘?zhí)碱w粒較正常工況下略有升高，被捕捉的殘?zhí)碱w粒便會(huì)消耗氧氣，降低耐火磚表面處的氧氣分壓。

通過進(jìn)爐觀察發(fā)現(xiàn)，此種侵蝕情況多發(fā)在一次反應(yīng)區(qū)，即燒嘴室上部蔓延至拱頂處，此處位于氣化反應(yīng)的一次反應(yīng)區(qū)。氣化反應(yīng)的一次反應(yīng)區(qū)屬于燃燒反應(yīng)區(qū)，該區(qū)域溫度較高，火焰溫度達(dá)到2 200 ℃，灰渣在此流動(dòng)性較好，且反應(yīng)劇烈，熔渣不易形成穩(wěn)定渣膜。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),氣化爐A的情況較氣化爐B的情況嚴(yán)重。

正常情況下,煤熔渣內(nèi)的Fe2O3被殘?zhí)歼€原成FeO，與渣中的MgO、Al2O3一起滲入耐火磚中，耐火磚中的Cr2O3、Al2O3反應(yīng)形成Mg-Al-Cr-Fe復(fù)合尖晶石致密層,從而實(shí)現(xiàn)“以渣抗渣”。但是在本裝置上,由于石油焦摻燒比例過高,導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率低，使熔渣中含有大量的未反應(yīng)完全的碳元素。過量的碳元素導(dǎo)致了耐火磚孔洞性侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)所觀察到的耐火磚侵蝕情況，結(jié)合裝置運(yùn)行期間的工藝參數(shù)分析可知,導(dǎo)致耐火磚孔洞性侵蝕的原因主要有以下幾方面：①在本裝置氣化環(huán)境體系中,由于氧氣分壓極低,氣化爐熔渣中的Fe2O3被還原成單質(zhì)Fe，不能形成Mg-Al-Cr-Fe復(fù)合尖晶石，失去穩(wěn)定的渣膜,這就導(dǎo)致反應(yīng)后的融渣直接對(duì)耐火磚的表面進(jìn)行侵蝕；②正常情況下,氣化爐內(nèi)氧氣分壓為10-8～10-10MPa，但是本裝置存在大量未反應(yīng)完全的殘?zhí)?會(huì)進(jìn)一步降低氣化爐體系環(huán)境中的氧氣分壓，使得Cr2+的形成變?yōu)榭赡?，熔渣?/p>

的Cr2O3被還原成單質(zhì)Cr并從熔渣中析出，使高鉻材料中的Cr2O3在渣中溶解-還原-析出,循環(huán)不斷進(jìn)行，高鉻材料被熔渣嚴(yán)重侵蝕；③在此種氣氛環(huán)境中,未反應(yīng)的殘?zhí)寂c耐火磚接觸后,易反應(yīng)生成鉻的碳化物，造成耐火磚表面鼓泡。分析運(yùn)行數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致氣化爐A較氣化爐B情況嚴(yán)重的主要原因是氣化爐A摻燒石油焦運(yùn)行的時(shí)間長達(dá)2個(gè)多月，而氣化爐B摻燒石油焦運(yùn)行的時(shí)間不足1月。

本裝置耐火磚孔洞性侵蝕的主要原因是耐火磚上含有過量未反應(yīng)的殘?zhí)迹斐审w系氧氣分壓極低，進(jìn)而誘發(fā)耐火磚孔洞性侵蝕。要從根源上解決耐火磚的孔洞性侵蝕,還應(yīng)從提高碳轉(zhuǎn)化率方面著手，提高氣化爐反應(yīng)溫度，保證碳轉(zhuǎn)化率>95%，同時(shí)適當(dāng)提高氣化爐的操作壓力,延長物料的停留時(shí)間，盡可能提高碳轉(zhuǎn)化率。

3 結(jié)語

通過對(duì)數(shù)次超溫期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及耐火磚侵蝕情況進(jìn)行分析，可知要保證耐火磚使用壽命的措施包括以下幾點(diǎn)：①在氣化爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),盡可能減少石油焦的摻燒比例，條件允許的情況下盡可能保持全煤工況運(yùn)行，以此保證在氣化爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),耐火磚表面可以形成足夠厚度、均勻的渣膜;②在氣化裝置高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),控制石油焦的摻燒比例不大于30%，同時(shí)還應(yīng)保證氣化爐操作溫度大于煤灰熔點(diǎn)溫度50～100 ℃,使其碳轉(zhuǎn)化率>95%，避免產(chǎn)生極低氧分壓條件下耐火磚的侵蝕;③在保證裝置安全運(yùn)行的前提下，盡可能提高氣化爐的運(yùn)行壓力，延長物料停留時(shí)間，提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率。