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耐火材料行业知识

甲醇气化炉用耐火材料

  针对壳牌气化炉炉膛耐火材料烘炉时间较长、费用较高的问题,采用新型耐火材料对气化炉炉膛进行浇筑。生产实践表明,该材料不需用燃气机进行烘炉,在气化炉水汽系统升温时,利用气化炉膜式水冷壁水汽温度进行烘炉,不仅节约了烘炉时间,且耐火材料受热均匀,保证了耐火材料的使用性能及使用寿命,节省了检修和开车时间,大大降低了生产维修费用,为企业创造了巨大的经济效益。
  从德国壳牌公司进口的年产60万t甲醇项目气化炉,是一种先进的煤制气装置。气化炉内工作温度为1400~1600℃,压力为4~4.5MPa。气化炉本身是1台水冷壁反应器,安装在外壳内。在该水冷壁上保持一种强制的冷却水循环,而吸收的热量则用来生成中压蒸汽。反应室水冷壁、输氧导管是气化炉的关健部位。
  煤粉、氧气及少量蒸汽在气化炉反应室内,经挥发脱除、裂解、燃烧、转化等一系列物理和化学过程,产生了合成气和熔渣飞灰。熔渣飞灰对水冷壁、输氧导管的耐火衬里易造成严重的侵蚀和磨损,需定期检修。
  本文介绍了一种新型耐火材料在鹤壁煤化工有限公司年产60万t甲醇壳牌气化炉中的实际应用。这种新型的耐火材料,不需用烘炉机燃气烘炉,只需在气化炉水汽系统升温时,利用水汽系统温度按照升温曲线进行烘炉,耐火衬里受热均匀,不仅保证了耐火材料的使用性能及使用寿命,且节省了检修和开车时间,同时也大大降低了生产维修费用。
  气化炉概述
  年产60万t甲醇项目壳牌气化炉煤粉进料是用由氧气和工艺蒸汽混合物组成的高炉进行气化,带压的粉煤、氧气和蒸汽通过成对的对置烧嘴进入气化炉中。由于采用夹带气流和具有高温的“结渣”气化,从而达到了煤炭的完全转化。气化炉中局部固化的渣层能对气化炉的炉壁起到保护作用,防止炉壁受到熔渣和合成气的侵蚀。该飞灰层还能将热损失减小到最低限度,从而提高了冷气体的使用效率,减少了合成气中的CO2含量。该渣层还能防止气化炉的炉壁在操作波动时承受高热负荷波动,如果发生了操作波动,固化飞灰层就会熔融或增厚。
  气化炉的水冷壁骨架是由管子-翅片-管子构成的冷却式圆柱形结构组成的。该结构通过气化炉的顶部锥体插入到上部区域,而顶部锥体则和急冷区连通。在下部区域中,气化炉的底部锥体上设置了一个中心开口,使液渣能够通过该开口落入到渣池中。
  在气化炉水冷壁的下半部分,对称设置了4个烧嘴开孔,开孔上配置有冷却式烧嘴罩。气化炉的水冷壁、顶部锥体及底部锥体用耐高温的柱螺栓连接,用来固定传热耐火材料内部衬里。
  在气化炉运行期间,必须形成一定厚度的飞灰层。该飞灰层能覆盖内表面,且由于陶瓷耐火衬里和水冷壁之间良好的导热性能而固化。该飞灰层能保护气化炉,防止炉壁受到气化时形成的熔渣影响,而溶渣则沿着炉壁朝下运动,通过底部的排渣口掉落到渣池中。由于熔渣飞灰对水冷壁、输氧导管的耐火衬里会造成严重的侵蚀和磨损,影响了气化炉的运行,故需定期对其进行维修。
  2.1原有耐火材料
  壳牌气化炉炉膛耐火衬里所使用的材料为进口的凯得利PS68HR,即SiC75材料,该材料性能也能满足使用要求。气化炉衬里进行局部修复,当修复面积较小(≤2m2)时,不需要烘炉(即只需在气化炉水汽系统升温时烘炉即可),而当修复面积较大时,即修复面积>2m2,需要用燃气整体烘炉(其耐火材料烘炉最高温度要求达到400℃),此时,气化炉筑炉、养护、烘炉所需要的时间较长,筑炉费用、烘炉费用,再加上烘炉所需的燃料费用都较高。
  2.2新型耐火材料
  目前,原进口材料以及现有的国产碳化硅捣打料,在水冷壁气化炉上使用,须满足455℃的高温烘炉,才能到达碳化硅捣打料的使用效果。不仅455℃高温烘炉所需的烘炉费用和业主应备的辅助设施费用都是非常昂贵的,同时,烘炉周期长也严重影响了业主的经济效益。
  免烘炉高耐磨碳化硅捣打料GSJ-75、GSJ-85,是根据气化炉水冷壁230℃这一特定温度专门研制的,在捣打料中加入了特种排湿剂,在60~70℃分解形成纳米级细毛细孔,有利于捣打料胶体中的水分及挥发分的迅速排除。
  烘炉最高温度由进口料的455℃降低到250℃,只须通过开车前控制水冷壁的升温就能满足烘炉的要求,而不须专业的烘炉设备对其进行烘炉,这不但节约了一笔高昂的烘炉费用和辅助设施费用,且免除了辅助设施的前期准备和后期拆除清理工作,从而缩短了检修周期,延长了使用周期。气化炉水冷壁耐火捣打料,由高纯度、大颗粒结晶SiC、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。在捣打料中引入Cr2O3,显著提高了材料的抗熔渣侵蚀性,有助于水冷壁的挂渣,直接起到了保护水冷壁的作用。
  捣打料采用行星式搅拌机混合,经捣毁打成型,并在空气中固化。在35~240℃温度下,胶体结合剂脱水浓缩、聚合,并与SiC、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等耐火原料,在1100~1450℃下产生陶瓷结合,形成了多晶复合相。
  高温下纳米级的Cr2O3与Al2O3微粉形成固溶体,溶解到煤渣中会增加熔渣的黏度,且在材料表面形成了均匀的保护层,堵塞材料的气孔,抑制熔渣的渗透。Cr2O3自身具有优良的抗渣侵蚀性能,在水冷壁耐火材料捣打料中引入Cr2O3,显著地改善了抗熔渣侵蚀。
  3.1原有耐火材料
  在使用免烘炉SiC捣打料以前,该公司在2014年7月系统检修时对气化炉炉膛耐火衬里进行了一次修复,植钉、筑炉面积约为43m2。
  不计炉膛内植钉,仅气化炉炉膛筑炉、烘炉所用时间近15d,时间较长。
  烘炉所用液化气费用约为20万元,筑炉、烘炉费用约为64.5万元,总的费用约为85万元。
  对气化炉炉膛及输气导管内小面积筑炉进行了3次检修,最大一次的检修面积约为15m2。
  由于检修时间紧张,生产任务重,3次检修均未进行烘炉处理,由于耐火衬里使用的效果较差,造成大大降低了其使用寿命。
  3.2新型耐火材料
  2017年3月,气化炉炉膛耐火衬里修复面积约为35m2。在修复耐火衬里时,使用了一种不需用烘炉机燃气烘炉的新型耐火材料。此耐火材料只需在气化炉水汽系统升温时利用水汽系统温度按照升温曲线进行烘炉,耐火衬里受热均匀,投入费用约为43万元。
  与原有耐火材料相比,该新型耐火材料折合成同等的修复面积(43m2)费用约为52万元,用于烘炉,用时仅为6.5d。故使用新型耐火材料,不仅节省了时间,还大大降低了费用。
  2017年7月,打开炉膛检查,炉膛耐火衬里情况良好,未出现磨损现象。
  3.3经济效益
  新型耐火材料使用后,气化炉开车不需再用液化气进行烘炉,节省了开车时间8.5d,若气化炉100%负荷,每天产出的甲醇按1850t计算(目前甲醇价格为2500元/t),则可为企业创造经济效益2500×1850×8.5=3931.25(万元),节约维修成本64.5-52+20=32.5(万元)。
  结语
  通过生产实践证明,这种新型的免烘炉耐火材料在年产60万t甲醇壳牌炉装置中运行效果良好,不仅保证了耐火材料的使用性能及使用寿命,且节省了检修和开车时间,大大降低了生产维修费用,为企业创造了巨大的经济效益。


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