气化炉衬里的失效超温分析

吕诗宏 ，熊 江 ，王 晗 ，范沐旭 ，方 旭

（1.中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司-先进耐火材料国家重点实验室，河南 洛阳 471039；2.中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

气化炉是化工行业的关键设备，国内的气化炉有很多种如GE的德士古水煤浆气化炉，华东理工大学的水煤浆四喷嘴气化炉，shell粉煤气化炉，GSP粉煤气化炉，航天粉煤气化炉，Shell渣油气化炉，德士古渣油气化炉，以及各种天然气气化炉二段炉等。文章旨在从衬里材料设计，装置设计，砌筑质量，操作工艺，设备等因素着手，对引起炉壁超温的现象和耐火衬里的失效原因进行全面总结分析，并总结相应的处理措施，为更好的指导生产提供参考。

1 设计

1.1 衬里材料设计不合理

炉衬的设计是在厂家给出炉壳图和工艺参数的条件下，确定炉衬总厚度，经过热传导计算，确定隔热层、支撑层、热面层砖厚度；利用热膨胀计算，算出高度方向膨胀缝的大小及径向膨胀缝的大小；设计砖图时也要考虑每环砖之间灰缝的大小及层与层之间灰缝的大小；热电偶砖的设计也需要考虑炉衬整体向上膨胀问题，以避免开车时剪切热电偶。炉衬设计不合理，会影响传热及炉衬结构稳定性，运行过程中可能产生掉砖、膨胀缝挤压、窜气等，造成局部超温。国外某企业的气化炉在使用过程中出现了超温情况，停炉检修时发现炉衬设计不合理，导致部分材料在使用过程中缺失，引起超温。

1.2 装备设计不合理

气化炉是一个高温的装置，炉内的降温隔热的方式主要有两种：一种是耐火衬里进行阻隔，如德士古水煤浆气化炉等，称之为热壁炉，另一种是通过强制性冷却的方式，如shell干粉气化炉，称之为冷壁炉。热壁炉的结构中也存在局部通过强制冷却的位置，如水煤浆气化炉的锥底部分的托砖板，其冷却的方式主要靠下方的激冷环的冷却作用。国内出现过几次由于冷却装置设计不合理的因素造成强制冷却的措施没有达到目的。在开车过程中，托砖板没有得到激冷环的保护作用，而暴露在很高的工作环境温度之下。造成托砖板烧蚀变形，托砖板上方砌筑的耐火砖失去了支撑而掉落。耐火砖掉落后，失去耐火砖保护的钢件又进一步恶化，导致气化炉锥底部分出现严重超温。

加强耐火衬里结构设计以及与衬里材料对接位置处结构的审核，把好合理性的第一道关，才能避免下一步因为结构不合理而导致耐火衬里失效，引起超温的现象。

2 砌筑

2.1 砌筑砖缝不合理

气化炉采用火泥砌筑，主要是为了填充不规则的砖缝和粘结砖块，以形成具有一定整体性的结构。由于火泥属于没有烧结的材料，其高温稳定性要差于耐火砖，在气化炉的整体结构中属于薄弱环节。相关的筑炉规范中对火泥缝的大小都有明确的要求。图纸设计中提到火泥缝为1.2mm，最大不超过1.8mm，最小火泥缝没有要求。GE公司对火泥缝的要求是，设计火泥缝为1.2 mm，最大不超过2mm；GB/50211-2004中，对高温、有炉渣的炉内火泥缝的要求为不大于2.0mm。主要目的是为了防止灰缝过大，结构的密封性会变差。灰缝过大也会加大气流熔渣对灰缝的冲蚀作用。国内某企业在砌筑过程中砌筑砖缝预留非常大，火泥缝的尺寸在5mm左右。在运行过程中，炉内气流在衬里材料形成了回路，导致钢壳的超温。

2.2 膨胀缝处理不合理

在竖直式的气化炉，如四喷嘴水煤浆气化炉，shell渣油气化炉内，由于竖直筒体的尺寸较大，在设置耐火材料时需要综合考虑材料的膨胀量和托转板的承压能力。因此将竖直段分为几段结构。耐火衬里在布置时，需要在两段结构之间设置膨胀缝，以防止下部的材料膨胀时对上部的材料造成挤压损毁。膨胀缝的位置处对应的是托砖板。托砖板是伸入衬里结构中的支撑构架。由于该位置距离炉内高温区的距离比较短，容易出现较多的热传导。膨胀缝的处理尤为重要。国内某厂的渣油气化炉，对超温位置进行拆炉检查时发现膨胀缝处理不合理，热面砖、保温砖、纤维材料贴合不密，存有一定空隙。空隙的存在导致热量的传出，该托砖板的温度达到350℃。

针对施工过程中的火泥缝和膨胀缝不合理而导致的超温问题，解决措施为在砌筑过程中加强施工前的技术交底工作，让施工人员充分意识到每一步砌筑工作的重要性。同时加强砌筑过程中的质量巡查和监督工作，做好相关的隐蔽工程记录。

3 操作工艺

3.1 气化温度过高

气化温度过高，会使得气化炉衬里向火面上熔渣流失，结渣厚度薄，造成炉体直筒下部砖缝直接暴露于高温气流中，耐火砖较薄弱部位以及熔损大的部位因温差应力导致不均匀膨胀，产生间隙裂纹，引起窜气。

3.2 出渣口堵塞

陕西某企业气化炉自2010年以来由于燃用高灰（高达25%）、高灰熔点（高达1380℃）煤，而且煤中SiO2含量较高，导致煤灰粘温特性较差，投料后熔融的灰渣在炉内不易流动，在渣口处积聚，导致渣口堵塞。气化炉正常运行时，燃烧室内熔融的灰渣在重力和合成气的携带下一起离开燃烧室，由于煤质的大幅波动，导致炉壁挂渣增厚，热电偶指示炉温降低，此时若大幅提高炉温，大量炉壁挂渣会瞬间被熔下堵塞渣口，不仅造成炉内气流通道受阻，燃烧区域发生改变，而且导致流体在流动过程中的速度梯度改变，炉内熔渣在流动过程中所受的截切力变小，灰渣更不易流动和被带走。

稳定煤种，稳定操作，避免气化炉在运行过程中出现过大的温度波动。根据压差上涨趋势正确判断渣口积聚情况，灵活选用正常熔渣、减负荷熔渣、泄压熔渣等熔渣方式，提温熔渣过程要缓慢。

4 设备因素

4.1 烧嘴的因素

烧嘴在使用过程中受到高温的烧蚀以及物料的磨损，在使用的寿命后期，烧嘴通道会出现较大的磨损，会导致物料的雾化角变大，磨损严重时会出现局部漏氧的情况出现。当雾化角变大时，火焰由原来的向下喷射变为扩散喷射，向四周扩散的火焰会带来两个负面作用。一是燃烧区集中在整个气化炉的顶部，造成顶部衬里热面过热；二是火焰集中在上部会直接冲击到气化炉顶部的耐火砖，耐火砖被冲击后，会因为砖体收到激烈的温度波动，导致砖体热震开裂掉块。当磨损严重出现局部漏氧时，将会引起物料的偏流，氧气富裕的区域形成富氧燃烧，产生很高的温度，直接对耐火砖形成烧蚀，从而引起炉壁超温。

4.2 炉壳因素

耐火衬里只起到阻隔热的作用，没有办法起到密封的作用。当衬里材料内气流属于封闭气的时候，其保温隔热效果没有问题。但是当衬里材料的背衬产生了一个气流通道，炉内的热气流通过通道，并在通道内形成与砖的热交换，就会导致耐火衬里出现过热现象。西部某企业渣口运行到一定时间后，锥底部出现了超温现象，起初以为是耐火材料烧蚀导致，于是更换了全部的锥底耐火衬里。在重新开车时，发现锥底部分还是超温。后来进行多方检测，发现气化炉筒身与锥部的焊缝处出现了一段小裂纹，正是因为小裂纹的存在，炉内的一部分气流没有经渣口向下流出，而是渗透砖层沿着裂纹窜出。热气流穿过了衬里结构，导致锥底部位的超温。采取的措施是在裂纹处用钢板进行补焊，阻隔气流的通道，再次开车时超温现象不再出现。

气化炉炉壳，烧嘴等其他的配套设备出现问题时，也会造成耐火材料失效而超温。只做耐火材料的工作是解决不了超温现象的。需要对超温处的其他影响因素进行分析，综合判断来解决超温问题。

5 结语

引起气化炉超温的原因是多方面的，但主要的表现形式是起到保护作用的耐火衬里失效，从而导致热量过多的传导到炉壁。通过上述结构的设计，耐火衬里的施工，操作工艺的稳定程度，装备的完整程度等方面，探寻引起气化炉超温的原因。针对不同的耐火衬里失效形式，采取相应的处理措施，保证衬里起到其应有的作用，实现气化装置的安全稳定长周期运行。