浅谈粉煤气化炉用SiC- Al2O3- Cr2O3系捣打料及其实践应用

周 涛，盈生才，周敏良，任 隽

(1.上海皕涛耐火材料有限公司 上海 201913； 2.中石化安庆分公司 安徽安庆 246002)

浅谈粉煤气化炉用SiC- Al2O3- Cr2O3系捣打料及其实践应用

周 涛1，盈生才1，周敏良2，任 隽2

(1.上海皕涛耐火材料有限公司 上海 201913； 2.中石化安庆分公司 安徽安庆 246002)

介绍粉煤气化炉水冷壁的特点，分析了煤灰的熔点、黏度、灰分含量及炉膛温度、耐火捣打料对水冷壁挂渣的影响。通过引入Cr2O3，提高了碳化硅捣打料抗煤渣侵蚀的能力；特种排湿剂的加入，缩短了烘炉时间并降低了烘炉温度。实际运行结果表明，SiC- Al2O3- Cr2O3系捣打料有助于水冷壁的挂渣，起到了以渣抗渣的效果。

气化炉；水冷壁；捣打料；挂渣

煤化工是煤炭洁净、高效利用的重要途径，通过高温、高压的化学过程，将含碳原料转化成CO和H2，已在合成氨、甲醇、制氢、烯烃、发电等领域得到了大量应用。煤气化过程的核心设备是在高温、高压下进行化学反应的气化炉，按所处理原料的形态可分为粉煤气化炉和水煤浆气化炉，按气化炉炉膛衬里结构可分为以德士古为代表的耐火砖结构和以壳牌为代表的水冷壁结构。

1 气化炉水冷壁的特点

煤粉和氧气在气化炉燃烧室反应，温度为1 400～1 600 ℃，操作压力约4.0 MPa。气化炉水冷壁分为主水冷壁、上部盘管和渣口盘管三部分，水冷壁和急冷室由耐热低合金钢制成，水冷壁向火面焊有耐热钢抓钉和厚20 mm左右的碳化硅捣打料保护层，在碳化硅及运行过程中形成的固态渣层的保护下，水冷壁水管中水的温度在270 ℃左右。

水冷壁水管有管式和盘式2种排列方式，采用管式排列(如壳牌炉)的合成气旋流向上出炉，采用盘式排列(如航天炉)的合成气向下出炉。水冷壁采用全密封垂直管(盘管)结构，与炉膛为耐火砖结构的气化炉相比，壁温降低110 ℃左右。由于水冷壁将原耐火砖炉壁的散热用于生产蒸汽，故气化炉效率较高。由于炉壁温度不会高于水冷壁温度，因此，不存在炉壁超温的问题。

与耐火砖结构的气化炉相比，水冷壁气化炉投资少、使用寿命长、维修费用低(无需配备专业烘炉队及费用)，优化烘炉仅需5 d左右，经济效益明显。近几年，一大批国产水冷壁气化炉，如航天炉、第2代清华炉、SE- 东方炉相继投产、运行。

2 影响水冷壁挂渣的因素

气化炉在正常运行过程中，将煤粉、氧气和蒸汽通过烧嘴高速喷入气化炉燃烧室内，射流引起卷吸并高度湍流，瞬间燃烧形成的熔融液态灰渣被烧嘴产生的旋流甩至水冷壁表面并在水冷壁循环水的冷却下固化，附着于耐火材料表面形成原始渣层。在炉温和冷却水的双重作用下，渣层不断固化增厚或熔化减薄，初始渣层逐渐增厚，热阻逐渐增大。当气化炉内的渣层达到动态平衡后，水冷壁上的渣层可分为流动层、过渡层和固定层，流动层和过渡层随气化反应的进行不断更新，因而渣层的厚度直接关系到气化炉的安全运行。煤灰的熔点和黏度、炉膛温度、氧煤比、耐火材料的性能对挂渣均有影响，其中气化炉用耐火捣打料的不断更新、升级则显得尤为重要。

3 水冷壁捣打耐火衬里组成的确定

为防止水冷壁被熔渣腐蚀和损伤及提高热传导效率，使熔渣流动顺畅，水冷壁表面需捣打厚约20 mm的捣打料，这就要求耐磨衬里有较高的导热性，且在还原性气氛中有良好的抗煤渣的侵蚀性。在武汉科技大学、中石化安庆分公司有关专家的协助下，结合国外先进技术，成功开发出了气化炉炉膛专用SiC- Al2O3- Cr2O3系碳化硅捣打料。

碳化硅是碳元素与硅元素以共价键结合的化合物，具有化学性能稳定、耐高温、耐磨、抗冲刷、耐腐蚀等特点，具有很高的热导率，500 ℃时为64.4 W/(m·K)，能将水冷壁渣层的热量迅速传递至水冷壁。Al2O3经高温处理后的主晶相为α- Al2O3(刚玉)，密度3.9 g/cm3，耐火度2 250 ℃，莫氏硬度 9.0，具有高耐磨、抗腐蚀的特性。Cr2O3具有α- Al2O3晶体结构，熔点2 435 ℃，对酸碱有很好的稳定性，可与Al2O3，SiO2等氧化物形成固熔体，提高熔渣的黏度，可有效阻止熔渣的渗透。

气化炉用碳化硅捣打料由高纯度、大颗粒碳化硅、刚玉、铬刚玉超细粉、磷酸铝铬结合剂、外加剂在特定的条件下配制而成，属气硬性捣打料，在空气中就能固化。其强度的形成是由于胶体结合剂在35～240 ℃下脱水浓缩、发生聚合反应，并与碳化硅、刚玉、微粉产生化学结合。磷酸铝铬、高温氧化物微粉、刚玉、铬刚玉、纳米级Cr2O3等原料在1 100～1 450 ℃下产生陶瓷结合，形成多晶复合相。高温下纳米级的氧化铬与氧化铝微粉形成固熔体，增强了衬里抗侵蚀性和耐磨性。

气化炉运行时，受炉温、煤质等因素的影响，熔渣的黏度会下降，液态熔渣挂渣不密实，此时熔渣会对水冷壁上的抓钉以及碳化硅捣打料产生侵蚀现象。随着温度的升高，各氧化物在渣中的溶解量逐渐增大，而在相同温度下，Cr2O3在煤熔渣中的溶解度相对最小，这就保证了材料的整体性。熔渣对Cr2O3材料的润湿性较差，从而延缓了Cr2O3在熔渣中的溶解。Cr2O3材料溶解至渣中之后，会增大熔渣的黏度，甚至可以在材料表面形成均匀的保护层，堵塞材料的气孔，从而抑制熔渣渗透。

在水冷壁耐火衬里料中，应降低SiO2的含量，因为耐火材料中的SiO2无论是游离态还是结合态，都能与气化炉内的氢气反应，生成气态产物而从耐火材料中逸出，进而破坏耐火材料的组织结构，使其强度降低，加速了耐火衬里的损毁，其化学反应方程式为：SiO2(s)+H2(g)→H2O(g)+SiO(g)。

4 产品性能

国产与进口产品性能比较见表1。

5 使用方法

(1)炉内搭好脚手架，提供足够的照明，凿去水冷壁上所需修补处的原衬里，将炉壁、水管壁上的松散浇注料清理干净，再用吸尘器吸去游离颗粒和粉尘，按设计要求焊牢抓钉。

(2)气化炉用耐火捣打料的施工温度为5～30 ℃。若环境温度低于5 ℃时，应以适当的加热方式将施工环境预热至要求的温度；如果施工现场的温度高于30 ℃，应采取降温措施，以满足施工要求。

表1 国产与进口产品性能比较

(3)在施工过程中不得随意改变不定形耐火材料的配比，不应在搅拌好的耐火捣打料内任意加水或其他物料。耐火捣打料需采用特种搅拌机搅拌，搅拌机及上料斗、称量容器等均应清洗干净。耐火衬里材料使用人工捣固施工，搅拌好的耐火捣打料应在30 min内施工完毕，不得使用已初凝的耐火材料。混合耐火材料的用水必须符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，且温度保持在5～25 ℃。施工用的工具和盛装耐火材料的器具应干净且处于待用状态。

(4)碳化硅捣打料、铬刚玉捣打料由粉料、固化剂和高温胶体配制而成。碳化硅捣打料粉料用高温胶体调整可塑性，混合料中不能加水。

(5)施工时使用HOBART式强力型搅拌器，B型桨叶和搅拌罐体应采用不锈钢材质；桨叶与搅拌器各侧间隙不得超过6 mm，如果间隙过大或混合器内的耐火材料量大于或小于容量的1/3，搅拌效率和材料质量将下降；搅拌速率应维持在175～210 r/min。

(6)根据搅拌机的容量和每次的用量，碳化硅捣打料粉料先加入搅拌机中，搅拌1 min后加入总用量80%的高温胶体，继续搅拌3～4 min后加入固化剂，再搅拌2～3 min后加入剩余的高温胶体，直至搅拌均匀。

(7)搅拌好的碳化硅捣打料切成块后，小心装填至所需衬里表面的适当部位。每次加料厚度不得超过20 mm并用橡皮锤捣打。捣打时，锤头与锤头重叠2/3，反复捣打密实、无空隙。特别应注意的是在管件四周将捣打料充分填满，并捣打密实。

(8)在满足碳化硅捣打料施工的基础上，应尽可能减少高温胶体和固化剂的加入量，最佳的固化剂加入质量分数为2%左右。

(9)施工的耐火捣打料衬里应外观平整，无空洞、剥落或夹杂物，个别2 mm以下的裂缝可填充修补，大于2 mm的裂缝需参照有关修理标准执行。

(10)施工后的碳化硅捣打料应在10 ℃以上的干燥通风的环境中自然养护2～3 d，湿度太大时可用空气干燥机对碳化硅捣打料衬里进行通风。

6 烘炉制度

(1)气化炉用的碳化硅捣打料和铬刚玉捣打料系气硬性捣打料，是一种双组分结合的捣打料，由干粉料、胶体、促凝剂、特种排湿剂等在强制式搅拌机中混合成可塑性较强的油灰状泥料，含有一定量的游离水和结晶水。胶体在一定温度下浓缩、聚合反应产生的挥发分会在衬里内部产生热应力，为了让物理水、结晶水和挥发分缓慢蒸发，禁止急热衬里，否则水分将急剧蒸发而产生较大的应力，导致衬里结构损坏。此外，应确保耐火衬里材料在受热状态下能均匀、缓慢充分膨胀，使其性能达到使用时的状态，避免热应力集中而损坏衬里，确保耐火衬里在气化炉运行过程中不产生裂纹和剥落。

(2)由于在捣打料中加入的特种排湿剂可在50～100 ℃温度范围内分解形成纳米级的毛细孔，有利于捣打料胶体中的水分和挥发分的快速排除，烘炉时间可由84 h缩短至64 h，烘炉最高温度由进口料的450 ℃降至320 ℃，故可利用炉壁管道中的过热蒸汽作热源进行烘炉，无需烘炉机烘炉，不但降低了检修成本，而且大大缩短了检修周期。气化炉用GSJ- 75，GSJ- 85和CAJ- 3.1捣打料适用的烘炉曲线见图1。

7 应用

水冷壁气化炉用碳化硅捣打料自2008年投放市场以来，先后在中石化安庆分公司化肥厂、河南龙宇煤化工有限公司、河南中原大化集团有限责任公司、新乡中新化工有限责任公司、天津华能电厂、洛阳永龙能化有限公司等企业的气化炉炉膛及输气管道上获得应用。据用户反馈，此捣打料在铺设、烘炉及使用过程中均未出现脱落、中空及明显的减薄现象，保证了平整、均匀挂渣，实现了以渣抗渣的设计初衷。对部分减薄的水冷壁管表面铺设此捣打料，经几个运行周期后检查，在保证热传导的同时未发现捣打料脱落等现象。实践表明，SiC- Al2O3- Cr2O3捣打料在高温下能形成固熔体，阻止了煤熔渣向捣打料衬里的渗透，确保了衬里的使用寿命，取得了令人满意的使用效果。

图1 气化炉用GSJ- 75,GSJ- 85和CAJ- 3.1捣打料适用的烘炉曲线

8 结语

(1)在捣打料中引入Cr2O3，显著提高并改善了材料的抗熔渣的侵蚀性，起到了水冷壁以渣抗渣的作用。

(2)煤灰的熔点、黏度、灰分含量及炉膛温度、碳化硅捣打料对气化炉水冷壁挂渣的影响较大。

(3)多年的实践证明，SiC- Al2O3- Cr2O3系捣打料在煤化工气化炉上的应用是切实可行的。

ABriefDiscussionofSiC-Al2O3-Cr2O3SeriesofRammingMassforPulverizedCoalGasifieranditsPracticalApplication

ZHOU Tao1, YING Shengcai1, ZHOU Minliang2, REN Jun2

(1.Shanghai Bitao Refractories Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2.SINOPEC Anqing Company, Anqing 246002, China)

The characteristics of water- cooled wall of pulverized coal gasifier is introduced, and the influences of melting point, viscosity, ash content of coal ash, furnace temperature and refractory ramming material on adhering slag on water- cooled wall are analyzed. By introducing Cr2O3, slag erosion resistant ability of silicon carbide ramming material is improve; by adding special moisture removal agent, drying time is shortened and drying temperature is decreased. Actual operation results show that SiC- Al2O3- Cr2O3series of ramming mass is helpful of adhering slag on water- cooled wall, and has played a role of protecting slag with slag.

gasifier; water- cooling wall; ramming mass; adhering slag

本文作者的联系方式：13851306898@163.com

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