摻燒石油焦對多噴嘴對置式水煤漿氣化爐耐火磚的影響

楊 路

(寧波中金石化有限公司 浙江鎮海 315203)

寧波中金石化有限公司(以下簡稱寧波中金公司)的氣化裝置采用具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術，氣化爐操作壓力為1.5 MPa(表壓)，日投煤(焦)量850 t。2015年5月，在全煤工況下運行一段周期后，開始逐步摻燒石油焦。作為國內運行壓力最低、首次摻燒石油焦的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，在運行一段時間后多次發生氣化爐爐壁超溫問題，氣化爐被迫減負荷運行，氣化爐爐壁超溫現象成為亟待解決的問題。

1 耐火磚掛渣減薄

在正常情況下，煤漿進入氣化爐后與氧氣發生反應，生成以CO和H2為主要組分的水煤氣，反應后剩余的大部分灰分及少量殘碳碰撞到耐火磚表面后被耐火磚壁面所捕獲，煤灰中的MgO、Fe2O3、Al2O3會與耐火磚中的Cr2O3結合形成致密的尖晶石，這便是固態渣膜。由于遠離耐火磚的灰渣溫度較高，故渣膜外層的灰渣呈熔融狀向下流動，最終排出氣化爐燃燒室。由于渣膜的存在，隔絕了高溫煤氣及高溫熔渣對耐火磚的滲透，加之背襯磚、隔熱磚的作用，氣化爐的爐壁溫度維持在230 ℃左右。隨著耐火磚在氣化爐運行過程中不斷減薄，氣化爐爐壁溫度會逐漸升高，一般爐壁溫度在300 ℃以下即可維持正常運行。

氣化裝置在初期處于全煤工況下運行，氣化爐的爐壁溫度未出現異常情況，但在摻燒石油焦后，爐壁溫度略有上升。由于受下游裝置的制約，氣化爐維持在60%的負荷下運行，且石油焦的摻燒比例逐漸提高，當石油焦的摻燒比例>30%(質量分數，下同)時，發生壁溫數次超過300 ℃的現象，導致氣化爐隨之被迫減負荷運行。2015年6月23日至7月30日，石油焦摻燒比例約為40%，氣化爐降負荷次數達15次，因爐壁超溫停一對燒嘴2次，占異常工況的80%。造成爐壁溫度升高的原因：①石油焦的反應活性較差，為了維持氣化爐溫度并提高石油焦的反應活性，必須通過維持較高的氧煤比以提高氣化爐的操作溫度，這是爐壁溫度升高的客觀條件；②由于石油焦的摻燒比例較高，導致爐內灰分較少，造成爐壁掛渣減薄。

如圖1所示，停車期間對氣化爐內的耐火磚進行檢查，發現有部分耐火磚完全沒有掛渣，部分有掛渣的區域未形成渣膜，而存在渣膜掛渣的耐火磚上的掛渣呈多孔狀，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。石油焦的灰分含量相對較低，雖然可以減輕灰分對耐火磚的侵蝕，但在實際運行過程中發現摻燒石油焦后難以在氣化爐的耐火磚上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體系中。耐火磚的灰縫是最薄弱的環節，灰縫中的耐火泥在氣流的卷吸過程中被沖刷干凈，高溫水煤氣就會竄入耐火磚的磚縫，導致爐壁超溫。

石油焦灰渣中除了含有大量的SiO2、CaO和Fe2O3外，還含有相當多的侵蝕性介質，主要為V2O5，經檢測其質量分數達到4.5%。V2O5的熔點僅670 ℃，其與Cr2O3共存時，最低共熔溫度為665 ℃，在氣化裝置運行工況下，失去渣膜保護的耐火磚很容易被侵蝕(見圖2)。

實際運行情況表明，該氣化裝置在石油焦摻燒比例超過40%時容易發生爐壁超溫現象，而石油焦摻燒比例為30%時雖然爐壁溫度較全煤工況略有上升(見表1)，但其產氣量比全煤工況下略多。經綜合考慮，在摻燒石油焦時，其摻燒比例應嚴格控制在<30%，以避免磚縫竄氣現象的發生。

表1 全煤工況與石油焦摻燒比例30%工況下氣化爐爐壁溫度比較 ℃

2 耐火磚侵蝕加劇

氣化爐全煤工況下的碳轉化率在98%，摻燒石油焦后(細灰不回燒工況)碳轉化率逐漸下降至94%，當石油焦摻燒比例超過30%后，碳轉化率進一步下降至90%以下。在碳轉化率降至88%以下后，氣化爐的壁面捕捉效率明顯下降，但捕捉殘碳顆粒的效率較正常工況略有上升，而被捕捉的殘碳顆粒會消耗氧氣，從而降低耐火磚表面處的氧氣分壓。

通過進爐觀察發現，此種侵蝕情況多發生在一次反應區，即燒嘴室上部蔓延至拱頂處。氣化反應的一次反應區屬于燃燒反應區，該區域溫度較高，火焰溫度達到2 200 ℃，灰渣在此處的流動性較好，且此處反應劇烈，熔渣不易在此處形成穩定的渣膜。此外，發現氣化爐A的耐火磚侵蝕情況較氣化爐B嚴重，其主要原因是氣化爐A摻燒石油焦運行的時間長達2個多月，而氣化爐B摻燒石油焦運行的時間不足1個月。

在正常情況下，熔渣內的Fe2O3被熔渣內的殘碳還原成FeO,與渣中的MgO、Al2O3一起滲入耐火磚中,與耐火磚中的Cr2O3、Al2O3反應形成Mg-Al-Cr-Fe復合尖晶石致密層，從而達到以渣抗渣的目的。但在石油焦摻燒比例過高的情況下，碳轉化率較低，使熔渣中含有大量未反應的碳元素，過量的碳元素會導致耐火磚孔洞性侵蝕現象的發生(見圖2)。

根據所觀察到的耐火磚侵蝕情況，結合裝置運行期間的工藝參數，導致耐火磚孔洞性侵蝕的原因：①由于氧氣分壓低，氣化爐熔渣中的Fe2O3被還原成單質鐵，無法形成Mg-Al-Cr-Fe復合尖晶石，失去穩定的渣膜，導致反應后的熔渣直接對耐火磚的表面產生侵蝕；②正常情況下氣化爐內氧分壓在1×10-10～1×10-8MPa，但摻燒石油焦后存在大量未反應的碳元素，進一步降低了氣化爐內的氧分壓，熔渣中的Cr2O3被還原成單質鉻并從熔渣中析出，使高鉻材料中的Cr2O3在渣中的溶解-還原-析出循環不斷進行，導致高鉻材料被熔渣嚴重侵蝕；③在此種氣氛環境中，未反應的殘碳與耐火磚接觸后易反應生成鉻的碳化物，造成耐火磚表面鼓泡。

要想從根本上解決耐火磚發生孔洞性侵蝕的問題，應從提高碳轉化率著手，通過提高氣化爐反應溫度，同時適當提高氣化爐的操作壓力以延長物料的停留時間，從而保證碳轉化率在95%以上。

3 結語

通過對數次氣化爐爐壁超溫期間運行數據的分析并結合耐火磚實際侵蝕情況，延長耐火磚的使用壽命應從以下幾方面著手。

(1)在氣化爐低負荷運行時，應盡可能減少石油焦的摻燒比例，最好在全煤工況下運行，以保證在耐火磚表面形成足夠厚且均勻的渣膜。

(2)在氣化爐高負荷運行時，控制石油焦的摻燒比例不超過30%，同時還應保證氣化爐操作溫度比煤灰熔點溫度高50～100 ℃，使其碳轉化率>95%，避免產生極低氧分壓條件下耐火磚的侵蝕問題。

(3)在保證煤氣化裝置安全運行的前提下，提高氣化爐的運行壓力以延長物料的停留時間，從而達到提高碳轉化率的目的。