四噴嘴水煤漿氣化爐內襯膨脹縫耐火磚改型方案

張海龍，盧 飛，張 艷

（陜西未來能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

0 引 言

水煤漿氣化爐內襯耐火材料的工作環境為高壓、高溫、強還原性氣氛和液態排渣，同時伴隨著氣、液、固三相的高速沖刷及開、停車時溫度和壓力的大幅變化等，均會對氣化爐耐火磚造成侵蝕［1］，因此耐火材料的穩定性直接影響著氣化爐的長周期運行及其使用壽命。耐火磚侵蝕（機理）分為化學侵蝕和物理侵蝕，化學侵蝕包括還原性氣體侵蝕、爐渣酸性組分侵蝕等；物理侵蝕包括耐火磚本體養護損傷、氣體及爐渣的直接沖蝕、高溫火焰的燒蝕［2］。因此，在保證耐火材料的抗蝕損性能、砌筑質量、嚴格遵循烘爐曲線及嚴謹的工藝操作的基礎上對氣化爐內襯耐火磚進行改型研究，以減緩耐火磚的蝕損、延長耐火磚的使用壽命，實現氣化裝置的安全、長周期運行，對提升企業經濟效益具有重要的意義。

某煤化工企業有8套四噴嘴水煤漿加壓氣化裝置（8臺氣化爐，六開二備），單臺氣化爐設計投煤量2000t／d（干基），氣化操作壓力4.0 MPa。其中，氣化爐燃燒室上膨脹縫位于拱頂與筒體相接處，由于四噴嘴水煤漿氣化爐運行流場的特點，耐火襯里拱頂及上膨脹縫處氣流流場復雜，耐火磚沖蝕嚴重，而膨脹縫耐火磚運行時長（約8000h）較拱頂耐火磚運行時長 （約16000h）短一個周期，正常檢修更換膨脹縫耐火磚必須連帶拆除整個拱頂耐火磚，不僅費時費力，而且需要更新拱頂耐火磚（拱頂磚不能再次使用），造成較大的浪費。為降低運行成本，擬對膨脹縫及耐火磚進行改型，實現膨脹縫耐火磚可單獨更換。以下對有關情況作一簡介。

1 膨脹縫耐火磚改型的必要性

四噴嘴水煤漿氣化爐燃燒室具有復雜的流場特性，燒嘴噴出物料的流速會影響煤漿的霧化效果，進而影響到拱頂耐火磚的使用壽命。對該企業氣化爐的檢修情況進行統計，發現因上膨脹縫耐火磚沖刷損毀導致的氣化爐爐壁超溫事故而需進行的檢修，約占氣化爐檢修工作量的80%，而爐壁超溫形成的系統生產隱患需停爐拆磚更換消除。由四噴嘴水煤漿氣化爐耐火襯里結構（圖1）可以看出，膨脹縫M4磚作為整個拱頂的基礎磚，承載著整個拱頂重量而不能單獨拆除，如拆除M4磚則會造成拱頂下降脫落，簡言之，想要正常檢修更換膨脹縫耐火磚，必須連帶拆除整個拱頂（耐火磚）。拱頂向火面磚尺寸300mm，而膨脹縫處M4／M6／M8磚，因其結構形式，M6磚尺寸190mm，M4／M6磚形成的外膨脹縫運行中不可避免地有積渣存在，造成M4磚端面因膨脹擠壓受損，部分磚體脫落于內壁處形成凹坑，氣流直接沖刷M6磚 （原K磚位置），使其蝕損速率加快（M6磚呈斜面剝落），M6磚減薄后高溫氣體直接竄入M6／M8磚膨脹縫，熱量作用于M7／M9磚處造成爐壁溫度升高，而拱頂溫度正常，使得拱頂耐火磚與膨脹縫耐火磚運行周期不匹配。通過停車入爐檢查耐火磚蝕損尺寸，結合工藝運行狀況，拱頂耐火磚使用周期基本上為上膨脹縫耐火磚使用周期的2倍，如此一來，檢修更換膨脹縫耐火磚時，拱頂耐火磚不得不在未達到使用周期（壽命）的情況下被拆除更換，造成極大的浪費，且此舉使氣化爐檢修周期增加1倍有余，不利于氣化爐的備用，影響系統的運行效率，成為系統運行及備爐的隱患。因此，據氣化爐膨脹縫耐火磚實際蝕損速率和拱頂耐火磚的蝕損速率情況制定相應的改型方案，使膨脹縫耐火磚和拱頂耐火磚蝕損速率保持一致，可提高拱頂耐火磚的利用率。

圖1 四噴嘴水煤漿氣化爐耐火襯里結構示意圖

2 耐火磚蝕損原因分析

水煤漿氣化爐向火面高鉻耐火磚長期與高壓、高溫、高流速、低粘度的熔渣及強還原性介質接觸，并承受火焰的舔燒，其蝕損的根本原因在于熔渣侵蝕滲透 （導致耐火磚組織結構變化）、應力破壞、熔渣和高速氣流沖蝕［3］。

2.1 熔渣對耐火磚的侵蝕滲透

熔渣對耐火磚的侵蝕主要有滲透、熔解和沖蝕磨損。煤中含有的Si、Fe、Al、Ca等元素及其鹽類物構成了渣的成分，熔渣通過對耐火磚的滲透、熔解及在強還原性氣氛下，耐火磚表面形成低熔點化合物，該化合物不斷地被高速氣流沖刷，最終導致剝蝕。實踐表明，高含量CaO的熔渣形成新的低熔物相較于高含量SiO2的爐渣對耐火磚的侵蝕性更強；另外，高含量CaO的熔渣具有低灰熔點、流動性良好的特點，不易在耐火磚表面形成渣層，起不到以渣抗渣的作用，且其流動狀態還沖蝕磚體，加速耐火磚的蝕損。不同成分熔渣的滲透性對比如圖2。

圖2 不同成分熔渣的滲透性對比

2.2 熱應力引起的破壞

水煤漿氣化爐開、停車時，因內襯各層耐火磚的升降溫速率存在差異及膨脹系數不同，環向和垂直方向均會產生應力，當應力大于耐火磚本體的強度時，耐火磚的邊角處就會出現裂紋。另外，磚與磚的位移面上還會發生摩擦，產生具有局部撕裂作用的剪切力，也會加速耐火磚表面熔渣的侵蝕，導致其表面出現解體、剝落的裂紋。

氣化爐緊急停車或出現故障時，內襯耐火磚溫差變化較大，也會導致向火面耐火磚產生裂紋，裂紋處結合熔渣形成滲透層，而滲透層與原耐火材料的理化特性存在較大差異，兩者之間形成應力，隨溫度變化出現整體剝落［4］。

2.3 熔渣和高速氣流的沖蝕破壞

水煤漿氣化爐向火面耐火磚受高速氣流和沿壁面流動熔渣的沖刷、磨損及高溫熔渣的侵蝕，亦或兩者共同作用，導致耐火磚蝕損。對于四噴嘴水煤漿氣化爐而言，受燒嘴結構、尺寸及煤漿氧氣混合物所形成的高溫、高速氣流的影響，熔渣和高速氣流對爐磚表面具有較強烈的沖刷作用（霧化角與拱頂膨脹縫耐火磚受到的沖刷強度成正比），同時還伴隨著嚴重的燒蝕。另外，燒嘴出口膨脹縫耐火磚處氧含量高，反應劇烈，而耐火磚表面熔渣較少，伴隨著高速氣流的沖刷與燒蝕，會加劇膨脹縫耐火磚的損毀。

3 四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚實況

從該企業四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚和拱頂耐火磚的使用情況及耐火磚的檢修情況來看，膨脹縫耐火磚使用約8000h后蝕損嚴重需更換，而拱頂耐火磚蝕損較輕。拱頂耐火磚與膨脹縫耐火磚使用8000h后的狀貌見圖3。

圖3 氣化爐耐火磚使用8000h后的狀貌

觀察發現，上膨脹縫耐火磚M6部分燒掉。耐火磚之間的縫隙為高溫熔渣的滲入及侵蝕提供了通道，且這種侵蝕也促使磚縫不斷擴大，由此使爐渣與耐火磚側面接觸面積不斷增大，耐火磚側面在其收縮與膨脹的循環過程中遭受過度應力。爐渣在磚縫中沿著耐火磚徑向和圓周方向均產生侵蝕作用，特別是在耐火磚側面存在周向裂紋時，周向侵蝕速度更快，使耐火磚表面發生塊狀剝落。簡言之，耐火磚周向裂紋比徑向裂紋對耐火磚使用壽命的影響及蝕損作用均更大。

4 膨脹縫耐火磚改型研究

四噴嘴水煤漿氣化爐耐火磚侵蝕速率直接受爐內特殊流場的影響：4個燒嘴在同一水平面上形成90°夾角，煤漿和氧氣高速混合噴出后在爐內形成射流區、撞擊區、撞擊流股、回流區、折返流區和管流區6個區域［4］（見圖4）。

圖4 四噴嘴水煤漿氣化爐流場示意圖

4.1 膨脹縫耐火磚原設計形式

四噴嘴水煤漿氣化爐筒體頂部的耐火磚受到回流區和折返流區氣流的沖蝕，因離燒嘴位置較近，氣體流速大，此處耐火磚沖蝕較為嚴重；膨脹縫耐火磚同時受到射流區的直接沖蝕和回流區的旋流沖蝕，此處耐火磚蝕損最為嚴重。

四噴嘴水煤漿氣化爐膨脹縫耐火磚原設計如圖5。可以看到，拱頂的基礎支撐點在M4磚和C5磚，C5磚上部有托磚板，M4磚在托磚板下，M4磚主要對其上低鉻磚、高鉻磚及鉻剛玉澆注料起托舉與支撐作用，而M4磚以上低鉻磚、高鉻磚、鉻剛玉澆注料等的總重量為41561.97kg。簡言之，因拱頂耐火磚支撐點為M4及C5耐火磚，當膨脹縫耐火磚M4、M6、M8等需拆除更換時，拱頂耐火磚（F磚）必須全部拆除。

圖5 氣化爐膨脹縫耐火磚原設計示意圖

4.2 改型方案

四噴嘴水煤漿氣化爐拱頂為閉合球頂型結構，由高鉻火泥膠結高鉻磚堆砌而成，砌體經過高溫烘烤，高鉻火泥形成一定的燒結強度后，高鉻球頂結構形成一個整體，其載荷位于M4磚的位置，而M4磚為膨脹縫耐火磚，由于氣化爐膨脹縫耐火磚蝕損速率較快，在更換M4磚時被迫拆除整個拱頂耐火磚。針對這一情況，需對整個拱頂的支撐點進行轉移，轉移拱頂耐火磚支撐基礎磚M4磚的作用點，使M4以下的膨脹縫耐火磚可拆除而不影響拱頂耐火磚的基礎結構。而從拱頂耐火磚的力學分析可知，基礎支撐點只能向上轉移，M4磚上部即為F9，為此，制定如下膨脹縫耐火磚改型方案（如圖6）：將拱頂耐火磚F9與X6磚合并改型為F9G磚，M4、M5膨脹縫耐火磚改型為M4G、M5G磚，C5磚合并為M5G磚，B2磚（靠近原M5膨脹縫耐火磚處的B2磚）改型為B2G磚。膨脹縫耐火磚改型后，拱頂耐火磚不會因受牽連而被迫中途更換，膨脹縫耐火磚可自由更換，實現獨立拆除換磚，可有效提高拱頂耐火磚的利用率，避免浪費，并提高氣化爐的運行周期；而且，改型后可以減緩膨脹縫耐火磚的蝕損，同時降低磚縫竄氣引起的氣化爐爐壁超溫幾率，延長氣化爐的安全運行周期。

圖6 氣化爐膨脹縫耐火磚改型方案示意圖

5 膨脹縫耐火磚改型可行性驗證

四噴嘴水煤漿氣化爐拱頂為閉合球頂型結構，其重心位于豎直中心線上，故不需要考慮重心對氣化爐結構的影響，需要考慮的僅是M5G磚與M4G磚分界線處F9G磚的承重能力是否可以滿足要求。下面分析F9G磚的受壓及分界線處的剪切力情況。

膨脹縫耐火磚改型后氣化爐拱頂結構及受力分析示意如圖7。由于耐火材料不保壓，爐內氣體壓力施加于高鉻磚的壓力相互平衡，因此不受爐內壓力影響。簡言之，受力分析只需考慮F9G磚是否能夠承受其上耐火磚的整體重量，本技改項目組通過對比F9G磚自身強度與其上耐火磚向F9G磚單位面積施加的壓力來進行評價。

圖7 改型后氣化爐拱頂結構及受力分析示意圖

5.1 F9G磚自身耐壓強度及抗折強度分析驗證

耐壓強度指常溫或高溫下單位面積上試樣能承受而不被破壞的極限載荷，其計算公式為S＝p／A（式中：S—試樣的耐壓強度，MPa；p—試樣破碎時的總壓力，N；A—試樣受壓面積，mm2）。

F9G磚為高鉻磚，其常溫耐壓強度要求為S≥120MPa，耐火磚出廠前均對其進行過壓力破壞試驗，其耐壓強度均符合要求。導致耐火制品高溫下強度下降的原因主要是，高溫狀態下耐火制品中的雜質在材料中形成液相，導致耐火制品的結構弱化。而高鉻磚的原料為電熔氧化鉻（Cr2O3≥99.0%）、鉻綠（Cr2O3≥99.2%）、煅燒鋁微粉（Al2O3≥99.5%）及化學鋯（ZrO2≥99.5%），均為高純氧化物，雜質含量極少，且熔點均在2050℃以上，幾乎沒有液相的存在，而F9G磚使用時平均溫度約為1324℃，難以引起其耐壓強度顯著變化。

高鉻磚的常溫抗折強度 （R1）為25～30 MPa，高溫抗折試驗（1400℃、0.5h）顯示其高溫抗折強度（R2）約30MPa，而F9G磚使用時平均溫度約為1324℃、氣化操作壓力4.0 MPa，難以引起其抗折強度顯著變化。

5.2 F9G磚以上耐火磚施加壓力分析驗證［5］

F9G磚受到上部耐火磚壓力和剪切力兩種力的作用，由于F9G磚下表面部分未與M5G磚接觸，因此，以下就F9G整塊磚承受的壓力及未與托磚板接觸部分所承受的剪切力分別進行計算，并分別與F9G磚自身的耐壓強度及高溫抗折強度進行對比，以確定其強度耐受性。

F9G磚位于托磚板上，主要對其上低鉻磚、高鉻磚及鉻剛玉澆注料起支撐作用，由前述可知，F9G磚以上低鉻磚、高鉻磚、鉻剛玉澆注料等的總重量為41561.97kg。考慮F9G磚各部位承受上部耐火磚施加的力大小各異，較難核算，因此F9G磚各部位承受上部耐火磚的重量按最大重量即41561.97kg進行計算。

5.2.1 F9G磚上表面單位面積受力情況

以F9G磚整個上表面（A0）為基礎進行單位面積受力的計算。已知F9G磚整個上表面面積A0＝2.13722m2＝21372.2cm2，則F9G磚上表面單位面積的受力（即耐壓強度）S0＝M·g／A0＝41561.97×9.8÷21372.2＝19.1N／cm2＝0.19 MPa。可以看到，S0遠遠小于S，即F9G磚的耐壓強度足以承受其上耐火磚的重量而不被破壞，無需顧慮其耐壓承受能力。

5.2.2 F9G磚未與M5G磚接觸處所受剪切力

以F9G磚未與M5G磚接觸點處為基礎進行單位面積剪切力（F）計算。材料彎曲時最大正應力發生在剪切力最大的截面處，F9G磚可看作懸臂梁，F9G磚所受載荷可近似為均布載荷，托磚板與F9G磚接點處剪切力最大，故最大正應力發生在F9G磚與托磚板接觸點處。據上述計算可知，F9G磚表面所承載均布載荷q＝S0＝19.1N／cm2，F9G磚厚度h為14.6cm，接觸點至外沿最大距離L為24.3cm，則托磚板與F9G磚接觸點處剪切力F＝qL＝19.1×24.3＝464.13 N／cm，材料彎曲時單位面積最大應力τ＝1.5F／h＝1.5×464.13÷14.6＝47.68N／cm2≈0.48 MPa。可以看到，τ遠遠小于R2，故F9G磚滿足高溫抗折強度要求。

綜上，膨脹縫耐火磚改型后，經力學理論計算驗證F9G磚的耐壓強度、抗折強度均滿足要求，足以承受其上耐火磚的重量而不會斷裂。

6 結束語

通過對四噴嘴水煤漿氣化爐流場的分析及該企業四噴嘴水煤漿氣化爐內襯耐火磚使用情況的檢查，并據氣化爐原設計磚型制定的膨脹縫耐火磚改型方案，經力學理論計算驗證是可行的。膨脹縫耐火磚改型后，能夠在不影響拱頂耐火磚安全運行的前提下獨立更換膨脹縫耐火磚，有利于降低耐火磚更換成本，節約檢修時間，并提高氣化爐的運行率及有效備用率。

膨脹縫耐火磚改型前，檢修更換氣化爐膨脹縫耐火磚時就得拆除拱頂耐火磚，拱頂耐火磚實際運行時長約8000～10000h，據測算，改型后拱頂耐火磚運行時長約16000～20000h，氣化爐拱頂耐火磚約150萬元／套，每臺氣化爐每年更換膨脹縫耐火磚時可節省拱頂耐火磚費用約75萬元；每臺氣化爐拱頂耐火磚更換需人工及材料費用約8萬元，每臺氣化爐每年更換膨脹縫耐火磚可節約人工及材料費用約4萬元，即每臺氣化爐每年可節約總更換費用約75＋4＝79萬元，6臺在運氣化爐每年可節約成本約79×6＝474萬元。目前該煤化工企業已完成2臺氣化爐膨脹縫耐火磚改型，其中1臺氣化爐已運行6000h，運行工況穩定，維持目前工況并結合以往的生產運行與檢修經驗來看，氣化爐拱頂耐火磚可使用16000～20000h甚至更長。