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气化炉在掺烧石油焦后对耐火砖的影响

发布日期: 2021-01-14 10:59:19    阅读量(160)    作者:杨路

气化炉燃烧室内衬向火面砖、背衬砖、隔热砖三层保温彩天下平台 ,可有效地隔绝高温气体对反应器壳体的威胁。气化炉燃烧室内反应剧烈,耐火砖受到高温气体的冲刷,不断磨损、减薄,正常运行期间腐蚀速率为0.02mm/d。但在煤种发生异常时,耐火砖的侵蚀速率会大大加剧,特别是在掺烧石油焦后,气化炉耐火砖侵蚀加剧,严重制约了气化炉的安全、稳定运行。

1、耐火砖挂渣减薄导致炉壁易超温

正常情况下,在耐火砖的表面上会形成一层固态的渣膜,用来隔绝熔融状的渣以及高温气体对耐火砖的侵蚀。首先,煤浆进入气化炉后,和氧气进行燃烧以及气化反应,生成以COH2为主要组分的水煤气,经过反应后,剩余的大部分灰分以及很少一部分残碳碰撞到耐火砖表面,并被耐火砖壁面所捕获。煤灰中的MgOFe2O3Al2O3会与Cr2O3相结合形成致密的尖晶石,这便是固态渣膜。由于远离耐火砖灰渣的温度进一步升高,靠近渣膜外层的灰渣逐渐呈熔融状向下流动,最终排出气化炉燃烧室。由于渣膜的存在,隔绝了高温煤气以及高温熔渣的渗透,加之背衬砖、隔热砖的作用,气化炉的炉壁温度维持在~230℃,后期随着耐火砖的减薄,炉壁温度会逐渐升高,一般炉壁温度<300℃即可维持运行。

在全煤工况运行期间,气化炉炉壁温度未发生异常,但在掺烧石油焦后,气化炉炉壁温度略有上涨。

当石油焦的掺烧比例>30%时,发生数次壁温超过300℃的现象。分析认为,造成壁温升高的原因在于以下几点:石油焦的反应活性较差,为了维持气化炉温度以及提高石油焦的反应活性,必须维持较高的氧煤比,以此来提高气化炉的操作温度,这是壁温升高的客观条件;②由于石油焦的掺烧比例高,导致炉内灰分少,造成炉壁挂渣减薄(见图1)

 

1耐火砖局部挂渣情况

通过检查气化炉内的耐火砖发现,在气化炉的耐火砖上有部分耐火砖完全没有挂渣,且有些挂渣的地方未形成渣膜,而有些耐火砖上挂渣呈多孔状,并没有形成一定厚度的渣膜。其主要原因在于石油焦的掺烧比例,当石油焦中的灰分相对较低时,虽然可减少对耐火砖的侵蚀,但是在实际运行过程中发现,掺烧石油焦后,在气化炉的耐火砖上不足以形成足够厚度的渣膜,有部分耐火砖暴露在高温的气化炉反应体系中(见图2)。而耐火砖的灰缝是最薄弱的环节,灰缝的耐火泥会在气流的卷吸过程中被冲刷干净,砖缝最先暴露在环境中,高温水煤气会沿耐火砖的砖缝窜入,导致炉壁超温。在处理炉壁超温时,多次采用大幅降低气化炉反应温度的措施,使灰渣重新挂渣,这也间接证明了导致炉壁超温的主要原因就是石油焦的掺烧比例过高、砖缝暴露、气流反窜。

 

2耐火砖局部侵蚀情况

而且,石油焦灰渣中除了含大量SiO2CaOFe2O3外,还含有相当多的侵蚀介质,即钒的氧化物(主要V2O5),检测显示其含量达到4.5%(w)V2O5的熔点仅670℃,与Cr2O3共存时,最低共熔温度665℃。在气化工况下,失去渣膜保护,暴露在气化环境体系中的耐火砖很容易被熔蚀。

结合实际情况发现,在石油焦的掺烧比例超过40%时,容易发生炉壁超温现象,运行不稳定。掺烧比例为30%时,虽然炉壁温度较全煤工况略有上升,但是通过初步计算可知,30%掺烧比例较全煤工况下产气量略多。综合考虑,在掺烧石油焦时应严格控制掺烧比例<30%,避免砖缝窜气现象的发生。

2、掺烧石油焦导致耐火砖侵蚀加剧

掺烧石油焦后,气化炉的碳转化率逐渐下降,在全煤工况下气化炉的碳转化率仅有98%,在掺烧石油焦(细灰不回烧工况)后,气化炉的碳转化率由全煤工况下的98%降至94%,且随着掺烧的比例>30%,碳转化率下降至90%以下。当碳转化率<88%,气化炉的壁面捕捉效率明显下降。虽然炉壁的捕捉效率下降,但是气化炉壁面捕捉的残碳颗粒较正常工况下略有升高,被捕捉的残碳颗粒便会消耗氧气,降低耐火砖表面处的氧气分压。

通过进炉观察发现,此种侵蚀情况多发在一次反应区,即烧嘴室上部蔓延至拱顶处,此处位于气化反应的一次反应区。气化反应的一次反应区属于燃烧反应区,该区域温度较高,火焰温度达到2200℃,灰渣在此流动性较好,且反应剧烈,熔渣不易形成稳定渣膜。同时还发现,气化炉A的情况较气化炉B的情况严重。

正常情况下,煤熔渣内的Fe2O3被残碳还原成FeO,与渣中的MgOAl2O3一起渗入耐火砖中,耐火砖中的Cr2O3Al2O3反应形成Mg‐Al‐Cr‐Fe复合尖晶石致密层,从而实现以渣抗渣。但是在本装置上,由于石油焦掺烧比例过高,导致碳转化率低,使熔渣中含有大量的未反应完全的碳元素。过量的碳元素导致了耐火砖孔洞性侵蚀现象的发生。根据所观察到的耐火砖侵蚀情况,结合装置运行期间的工艺参数分析可知,导致耐火砖孔洞性侵蚀的原因主要有以下几方面:

在本装置气化环境体系中,由于氧气分压极低,气化炉熔渣中的Fe2O3被还原成单质Fe,不能形成Mg‐Al‐Cr‐Fe复合尖晶石,失去稳定的渣膜,这就导致反应后的融渣直接对耐火砖的表面进行侵蚀;

正常情况下,气化炉内氧气分压为10-810-10MPa,但是本装置存在大量未反应完全的残碳,会进一步降低气化炉体系环境中的氧气分压,使得Cr2+的形成变为可能,熔渣中的Cr2O3被还原成单质Cr并从熔渣中析出,使高铬彩天下平台 中的Cr2O3在渣中溶解还原析出,循环不断进行,高铬彩天下平台 被熔渣严重侵蚀;

在此种气氛环境中,未反应的残碳与耐火砖接触后,易反应生成铬的碳化物,造成耐火砖表面鼓泡。分析运行数据还发现,导致气化炉A较气化炉B情况严重的主要原因是气化炉A掺烧石油焦运行的时间长达2个多月,而气化炉B掺烧石油焦运行的时间不足1月。

本装置耐火砖孔洞性侵蚀的主要原因是耐火砖上含有过量未反应的残碳,造成体系氧气分压极低,进而诱发耐火砖孔洞性侵蚀。要从根源上解决耐火砖的孔洞性侵蚀,还应从提高碳转化率方面着手,提高气化炉反应温度,保证碳转化率>95%,同时适当提高气化炉的操作压力,延长物料的停留时间,尽可能提高碳转化率。

3、结语

通过对数次超温期间的运行数据以及耐火砖侵蚀情况进行分析,可知要保证耐火砖使用寿命的措施包括以下几点:

在气化炉低负荷运行时,尽可能减少石油焦的掺烧比例,条件允许的情况下尽可能保持全煤工况运行,以此保证在气化炉低负荷运行时,耐火砖表面可以形成足够厚度、均匀的渣膜;

在气化装置高负荷运行时,控制石油焦的掺烧比例不大于30%,同时还应保证气化炉操作温度大于煤灰熔点温度50100℃,使其碳转化率>95%,避免产生极低氧分压条件下耐火砖的侵蚀;

在保证装置安全运行的前提下,尽可能提高气化炉的运行压力,延长物料停留时间,提高气化炉的碳转化率。

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