义马综能公司U-GAS气化炉耐火衬里的优化策略
2020-12-16刘明忠
刘明忠
【摘 要】论文主要介绍河南能源义马煤业综能新能源有限责任公司使用的U-GAS气化炉内衬耐火材料经过长时间开车运行，炉体表面出现多处过热现象（温度≥240℃），为解决该问题，确保装置安全稳定运行，对U-GAS气化炉设备衬里材料重新进行选型设计、制造、筑炉、烘炉等。论文以义马综能公司U-GAS气化炉选用的博耐特砖为例，对其耐火衬里的设计选型及施工方法进行介绍，以期为今后的施工提供借鉴。
【Abstract】This paper mainly describes the refractory liner material of U-GAS gasifier used by Henan YMCIG-SES New Energy Company Limited after a long time of start-up and operation， there are many overheating phenomena on the surface of the furnace body （temperature ≥ 240 ℃）. In order to solve this problem and ensure the safe and stable operation of the unit， the paper re-designed， designed， manufactured， built furnace， oven and so on for the lining materials of U-GAS gasifier equipment. This paper introduces the design selection and construction method of the refractory lining of the U-gas gasifier selected by Yima comprehensive energy company as an example， so as to provide reference for the future construction.
【关键词】U-GAS气化炉;耐火衬里;浇注料;耐火砖
【Keywords】U-GAS gasifier; refractory liner; castable; refractory brick
【中图分类号】TQ545 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）07-0192-02
1 概述
义马煤业综能新能源有限责任公司使用的U-GAS气化炉，由美国SES提供气化工艺包，东华设计院全面设计，张家港化工机械厂建造，气化炉外壳是用锅炉钢板（16MnR）焊制的压力容器，内衬耐火材料。耐火材料原设计使用浇注料的筑炉方式，经过长时间开停车运行，炉体表面出现多处过热现象（温度≥240℃）。为解决该问题，确保装置安全运行，需要对U-GAS气化炉设备衬里材料重新进行选型设计、制造、筑炉、烘炉等。施工界面为：U-GAS气化系统内衬的衬里部位，具体是顶部椭圆封头区域（1730mm）及下部斜插管道R1（？准560），更换内部原有的衬里材料及锚固钉附件，采用双层衬里结构。
2 规范及标准
内衬设计及施工的各项技术要求必须符合国家现行有关标准。
3 结构设计
①U-GAS气化炉反应器正常工作温度为1050℃，壳体外壁设计温度为100～130℃。具体设计如下：
第一，U-GAS气化系统封头口部位：A：耐热层采用博耐特砖，衬里厚度为150mm（砖灰缝2mm左右）。B：隔热层采用轻质浇注料，厚度为150mm。第二，U-GAS气化系统封头部位：A：耐热层采用博耐特砖，衬里厚度为150mm（砖灰缝2mm左右）。B：隔热层采用轻质浇注料，厚度为170mm。第三，U-GAS气化系统封头下口直段部位：A：耐热层采用博耐特自流料，衬里厚度为150mm。B：隔热层采用轻质浇注料，厚度为170mm。第四，锚固钉分别采用以下结构：（材质：06Cr25Ni20）Y形组合锚固钉S32（用于320mm双层浇注料衬里）。筒体直段;Ω形锚固钉S170（用于170mm单层浇注料衬里）。椭圆封头段：Ω形锚固钉S150（用于150mm单层浇注料衬里）。封头上口：Ω形锚固钉S100（用于100mm单层浇注料衬里）。斜插管：R1。
②博耐特砖结构设计的优点如下：
第一，可避免在殼体上焊接固定件。第二，耐火砖四面带有凹凸槽结构使砖与砖之间能紧密结合，提高了耐磨耐火层的整体性，并有效地隔绝炉内气的渗透。第三，由于耐火砖已经经过1600℃高温烧成，在装置运行反应器钢壳膨胀时耐火砖也会跟着膨胀，这样会有效减小衬里裂纹，有效防止碱性气体渗入衬里产生剥落[1]。第四，砖缝≤2mm，主要用于弥补砖在安装时的不平整和缝隙。砖型采用四面榫卯结构，这样能有效防止碱性气体进入和含碱灰渣冲刷，有效地弥补胶泥填补缝隙后带来的不稳定因素[2]。
4 砖缝设置
已知条件：反应器内部温度为1050℃，筒体外壳温度为130℃。设备固定支点在设备偏下部位（下部10.364m/上部20.1m）。根据设备材质Q345R在100℃时，该材料因温度因素而膨胀，该材料热膨胀系数为：12.2×10-6/℃，即100℃时其膨胀量为：1.22mm/m。
计算式：设备在外壳温度为130℃时，其平均每1m膨胀量为：130℃×1.22mm/100℃=1.586mm。上部20.1m总长度的总膨胀量为：1.586×20.1=31.88mm，下部10.364m总长度的总膨胀量为：1.586×10.364=16.44mm。博耐特自流浇注料在815℃时，其重烧线变化率为：-0.2%，则博耐特自流浇注料在1050℃时砖的收缩量=-0.2×1050℃/815℃=-0.26%。上部20.1m总长度的总收缩量为：-0.26%×20.1×103=-52.26mm，下部10.364m总长度的总收缩量为：-0.26%×10.364×103=
-26.95mm。实际工况下按照安装定位支点来计算的膨胀量：上部为31.88-（-52.26）=84.14mm，下部为16.44-（-26.95）=43.39mm。由此可得，在上部20.1m总长内可以设置8层支撑垫板，其每一层的预留量为10mm。在下部10.364m总长内可以设置4层支撑垫板，其每一层的预留量为10mm。整个上部在高度方向上需要设置12层支撑垫板，预留膨胀伸缩缝是12道，预留量为10mm，支撑垫板间距为2500mm。
上部圆体直径为？准3960mm，下部圆体直径为？准2800mm。则上部圆周线上收缩量为-0.26%×3960×π=-32.35mm，而下部圆周线上收缩量为-0.26%×2800×π=-22.87mm。根据计算要求对上、下部径向方向做完衬里后进行伸缩缝切割，切割灰缝规格：深度为20～30mm;宽度为2～3mm，符合SH/T 3115—2000标准即可。上部圆体切割预计为10道，下部圆体切割预计为7道。切割伸缩缝其目的是防止浇注料因受热而引起局部收缩不均匀;如果没有预留切割缝，非常容易造成贯穿性裂纹，一旦渗透侵蚀浇注料就会导致裂纹增大，造成壳体外部热点。
建议在做浇注料施工中加入少量的耐高温不锈钢弓形钢纤维，以便增加相互间的衔接强度。
5 博耐特自流料及砖材料技术指标
5.1 博耐特自流料
体积密度2.7～3.0g/cm3;
耐压强度110℃×24h≥65MPa，815℃×3h≥65MPa;
抗折强度110℃×24h≥8MPa，815℃×3h≥8MPa;
Al2O3≥86%;
CaO≤10%;
Fe203≤0.3%;
膨胀系数7.9×10-6/℃-1。
5.2 博耐特砖
体积密度2.7～3.0g/cm3;
耐压强度≥110MPa;
抗折强度≥12MPa;
Al2O3≥88%;
CaO≤10%;
Fe2O3≤0.3%
膨胀系数7.8×10-6/℃-1。
6 施工流程工艺
①流程：施工准备→锚固钉、筋版焊接并清渣→博耐特自流料施工→博耐特砖砌筑→轻质浇注料施工→工程验收→烘炉→生产投运。
②施工现场环境温度必须在5～40℃，施工最佳温度为15～30℃。当温度低于5℃时，需采取保暖措施，可采用电加热或蒸汽加热。衬里材料自然养护时间为3～5天。
③砌砖主要控制项目标准。
墙面垂直度允许偏差<2mm/m，<10mm/全高;
砖内表面偏心度允许偏差R：±3mm;
封头砖内表面半径公差允许偏差<5mm，R：±5mm;
膨胀缝厚度偏差的允许偏差+2mm，-1mm。
7 结语
①U-GAS气化炉使用耐火砖后的隔热效果显著，从生产运行角度来讲，满足现行1.2MPa压力气化炉运行的安全需要。②U-GAS气化炉作为循环流化床气化炉中的典型代表，其1.2MPa的运行压力，介于高压气流床与常压流化床之间，造成耐火内衬选择的无法确定性，然而耐火磚为其耐火内衬提供了可选择性。③耐火砖较现行常规的浇注料衬里结构来说，有明显的优越性，但平方米内价格较高，推广难度较大，根据当前的价格评估，耐火砖的价格一般在浇注料的2.5倍左右。④耐火砖在该次U-GAS气化炉上的应用，系耐火砖在循环流化床气化炉中的首次应用，对国内内衬技术的发展有着重要的验证意义。
【参考文献】
【1】郝守昌.新型气化炉耐火材料有关问题的探讨[J].中国化工贸易，2013，40（08）：116-117.
【2】郭文元，费名俭，王辅臣.气化炉拱顶耐火隔热衬里层传热关键影响因素分析[J].大氮肥，2011，34（04）：229-233.
