多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化爐拱頂耐火磚蝕損的主要機(jī)理，即爐內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律決定了拱頂部位是耐火磚的薄弱環(huán)節(jié)，氣化爐設(shè)計(jì)尺寸、對(duì)應(yīng)操作壓力、負(fù)荷、工藝噴嘴裝配尺寸是主要影響因素。從設(shè)備、操作、管理等方面總結(jié)了避免拱頂耐火磚蝕損過快的應(yīng)對(duì)措施。圖1所示為OMB加壓氣化爐拱頂用耐火磚。
圖1 OMB加壓氣化爐拱頂耐火磚示意
OMB加壓氣化爐耐火磚蝕損原因分析
通常，水煤漿氣化爐耐火磚的蝕損原因主要包括高溫下的化學(xué)侵蝕和高溫氣流沖刷帶來的機(jī)械侵蝕2個(gè)方面，操作爐溫高和原料煤種不適宜會(huì)加快耐火磚的蝕損速率。
化學(xué)侵蝕
化學(xué)侵蝕包括煤灰侵蝕和合成氣侵蝕。
煤灰侵蝕是指煤灰中的CaO，F(xiàn)eO等金屬氧化物在熔融狀態(tài)下滲透至耐火磚內(nèi)部的孔隙中，在高溫下與耐火磚中的Cr2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而造成耐火磚材質(zhì)變化,結(jié)構(gòu)變得疏松、易脫落。
合成氣侵蝕是指合成氣中還原性非常強(qiáng)的H2和CO在高溫、高壓下進(jìn)入耐火磚內(nèi)部孔隙中，與耐火磚中的SiO2，F(xiàn)e2O3等物質(zhì)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，造成耐火磚材質(zhì)、結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化。
機(jī)械侵蝕
機(jī)械侵蝕主要包括高速氣流夾帶灰渣顆粒對(duì)耐火磚表面的沖刷及熔渣在耐火磚表面流動(dòng)過程中形成的剝離作用，其易蝕損部位的分布與氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分布有直接關(guān)系。
操作爐溫
在氣化爐內(nèi)溫度過高的環(huán)境中，耐火磚表面會(huì)處于軟化甚至熔融狀態(tài)，機(jī)械強(qiáng)度大幅降低，從而更易被高溫熔渣侵蝕及被氣流沖刷而加快蝕損速率。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，氣化爐操作溫度每提高100 °C，耐火磚的蝕損速率將提高4倍。
原料煤種類
原料煤對(duì)耐火磚的影響主要體現(xiàn)在其灰分含量及種類、灰熔點(diǎn)、灰渣粘溫特性等方面。灰分含量增加會(huì)加快灰分對(duì)耐火磚的沖刷;灰分中各種元素含量的不同，對(duì)耐火磚的侵蝕速率也不同;灰熔點(diǎn)高及灰渣粘溫特性差的煤需要較高的操作爐溫以保證順利排渣，從而會(huì)縮短耐火磚的使用壽命。
影響OMB加壓氣化爐拱頂耐火磚蝕損的因素
OMB加壓氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律的影響OMB加壓氣化爐內(nèi)流場(chǎng)可分為射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)6個(gè)部分。氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及爐內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律決定了其耐火磚的薄弱部位在拱頂區(qū)域。該區(qū)域的氣流具有如下特點(diǎn):①距離燃燒區(qū)近，溫度很高;②距拱頂近，流速快，沖刷力強(qiáng);③上升的撞擊流股相對(duì)截面積小，會(huì)集中對(duì)局部的耐火磚形成沖刷。上述特點(diǎn)造成拱頂部分耐火磚成為OMB加壓氣化爐內(nèi)耐火磚的薄弱環(huán)節(jié)。
OMB加壓氣化爐拱頂部位高徑比
此高徑比是指噴嘴安裝平面至拱頂?shù)母叨扰c爐膜直徑的比值。根據(jù)OMB加壓氣化爐內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，要防止拱頂耐火磚被快速蝕損，應(yīng)盡量增大撞擊區(qū)至拱頂?shù)木嚯x，使撞擊流股在到達(dá)頂部時(shí)動(dòng)能衰減至最小，同時(shí)燃燒反應(yīng)已結(jié)束，以減少對(duì)耐火磚的直接沖刷。華東理工大學(xué)通過熱模試驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)出噴嘴的氧氣流速達(dá)到100m/ s時(shí)，合理的高徑比應(yīng)為1. 3;如出噴嘴的氧氣流速繼續(xù)提高，則要求的高徑比 應(yīng)更大。
工藝噴嘴的裝配間隙
OMB加壓氣化爐采用三通道預(yù)膜式噴嘴，外環(huán)及中心通道介質(zhì)為氧氣，中間通道介質(zhì)為煤漿, 其端部的裝配尺寸將影響外環(huán)通道的流通面積，在其它操作指標(biāo)(主要是指操作負(fù)荷及操作壓力)不變的情況下，將會(huì)造成出噴嘴氧氣流速發(fā)生變化。工業(yè)化應(yīng)用初期的千噸級(jí)OMB加壓氣 化爐，先期由于工藝噴嘴外環(huán)氧氣間隙過小，氧氣流速達(dá)145 m/s，而后經(jīng)調(diào)整的工藝噴嘴外環(huán)氧氣間隙又過大，氧氣流速降至95 m/s，結(jié)果都造成了拱頂磚蝕損過快的現(xiàn)象。
操作壓力與對(duì)應(yīng)的負(fù)荷
此影響主要體現(xiàn)在出噴嘴氧氣的流速方面。由于在不同的操作壓力下，同等質(zhì)量的氣體體積是不同的，低壓高負(fù)荷狀態(tài)下出工藝噴嘴的氧氣流速較高，而高壓低負(fù)荷狀態(tài)下出工藝噴嘴的氧氣流速較低。如前所述，此類情況都會(huì)造成對(duì)耐火磚的蝕損加快。
預(yù)防措施
拱頂部位高徑比的改進(jìn)
在保證設(shè)備合理投資額度的情況下，盡量使拱頂部位的高徑比達(dá)到最大。初期工業(yè)化應(yīng)用的2臺(tái)千噸級(jí)OMB加壓氣化爐的高徑比只有1.05，為目前所有工業(yè)生產(chǎn)新型氣化爐中比值最小的，此后設(shè)計(jì)的高徑比一般在1.60以上。
拱頂部位耐火磚的改進(jìn)
(1)改進(jìn)氣化爐預(yù)熱口封堵磚的形狀原設(shè)計(jì)的預(yù)熱口封堵磚均為圓柱形，密封面積小，易出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)熱口封堵磚都改為圓錐形，增大密封面積，減少了磚縫竄氣的可能性。改進(jìn)前、后預(yù)熱口封堵磚形式見圖2。
圖2 改進(jìn)前、后預(yù)熱口封堵磚形式
(2)減少拱頂部位耐火磚層數(shù)
早期設(shè)計(jì)的拱頂部位爐襯分3層，分別為耐高溫沖刷性強(qiáng)的向火面磚、耐高溫沖刷性一般的背襯磚和耐火水泥。目前，已有企業(yè)將拱頂部分向火面磚與背襯磚合二為一，做成1層向火面磚，增加了向火面磚的厚度，提高了其抗沖刷的能力。
(3)改變拱頂部位耐火磚的整體結(jié)構(gòu)
主要方案為增加拱頂部位耐火磚厚度，消除易被沖刷的平臺(tái)，延長(zhǎng)其使用壽命。目前，該方案已在部分新設(shè)計(jì)的氣化爐上實(shí)施。
壓力負(fù)荷操作曲線的確定
目前所有已運(yùn)行及在建的OMB加壓氣化爐都根據(jù)其不同的操作壓力及負(fù)荷、工藝噴嘴裝配尺寸等指標(biāo)計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的操作曲線，規(guī)定了不同裝配尺寸的工藝噴嘴在不同操作壓力下的投料負(fù)荷,以控制氣化爐內(nèi)氣流的形態(tài)及速度，保證最佳的煤漿霧化效果，降低耐火磚的蝕損。
工藝噴嘴的管理
對(duì)工藝噴嘴的管理主要是控制其端部裝配尺寸，保證運(yùn)行時(shí)出噴嘴氧氣流速控制在正常范圍內(nèi);同時(shí)通過使用耐高溫、耐磨損材料，保證噴嘴噴頭部位在運(yùn)行一段時(shí)間后仍能保持完好，防止因磨損、變形出現(xiàn)偏噴現(xiàn)象而對(duì)耐火磚造成損壞。
結(jié)語
由于采用工藝噴嘴水平對(duì)置安裝的形式，OMB加壓氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律造成氣化爐拱頂耐火磚是其薄弱環(huán)節(jié)。但通過在OMB加壓氣化爐設(shè)計(jì)時(shí)保證拱頂部分合理的高徑比，操作時(shí)控制好爐內(nèi)撞擊流的速度，控制好入爐原料煤質(zhì)量等措施，可將拱頂耐火磚的侵蝕速率控制在正常范圍內(nèi)，確保氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。