Cause Analysis of Refractory Brick Corrosion of Four-Nozzle Gasifier and Operation Optimization
Abstract：
In actual operation, the main causes of damage to the four-nozzle gasifier refractory brick are erosion and penetration of slag, damage caused by thermal stress, erosion damage of slag and high-speed airflow, etc., the control of the operating conditions of the gasifier and the masonry quality of the refractory bricks are important factors affecting the erosion of the refractory bricks. Based on the mechanism of refractory brick damage of four-nozzle gasifier, countermeasures and optimization measures for reducing refractory brick erosion are proposed.
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耐火砖损毁机理
万华化学集团股份有限公司烟台工业园共有3台Ф 3 400 mm的四喷嘴对置式水煤浆气化炉，运行模式为2开1备，日投煤量2×1 500 t，操作压力6.5 MPa，炉内采用的耐火砖分别由2家企业提供。在水煤浆气化过程中，气化炉的向火面砖与高温、高压、低黏度、高流速的熔渣及一定还原性工艺介质相接触，其中耐火砖会与熔渣发生化学反应，使耐火砖的组成和结构发生变化，此变化是造成耐火砖损毁的内在原因，而温度和压力的波动、高速气流及熔渣的机械冲刷、一定还原性工艺介质的氧化-还原气氛转化等是加速耐火砖损毁的外部因素。
(1) 熔渣对砖体的侵蚀渗透
熔渣对耐火砖的侵蚀主要包括渗透、溶解和冲刷磨损3个过程。气化炉采用高温液态排渣，渣蚀是炉砖遇到的主要问题之一。熔渣对耐火砖的侵蚀取决于渣和耐火材料的化学组成、操作温度以及渣的熔点和流态，包括炉砖在渣中的溶解和渣在耐火材料中的渗透以及由此引起的结构性剥落。
(2) 热应力引起的破坏
剥落是炉砖受到不均匀应力后所致，其中熔渣深入炉砖形成变质层引起结构应力，炉内温度波动引起热应力，金属外壳引起机械应力，炉砖长时间在高温下产生的蠕变应力，耐火材料在炉内氧化-还原气氛中价态变化引起的体积效应以及碳素沉积等产生的应力。各种应力共同作用导致砖面薄弱处产生裂缝，裂缝不断扩展并相互贯通形成龟裂，最终以片状或块状形式离开砖体而形成剥落，造成对炉砖的损毁。
(3) 氧化-还原气氛
还原性气氛对炉砖的影响主要表现在2个方面，即氢气和水蒸气与耐火材料中的SiO2组分发生化学反应以及CO汽提分解沉积现象。水煤浆气化过程在强还原气氛下进行，而在停车期间，炉内转变为氧化气氛，这种氧化-还原气氛的交替，导致炉砖组分价态发生变化，对炉砖产生较大影响。
(4) 机械磨损
炉砖的机械磨损主要来自于高速汽提和流动熔渣，不但强化了熔渣与炉砖的化学反应，并将低灰熔点的反应产物从砖表面带走，而且加速了砖体变质层、裂纹部位的剥落进程。
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影响炉砖实际使用寿命的因素
基于炉砖的损毁机理，气化炉在实际操作中要经历筑炉、风干、烘炉、投料升压、日常操作、加减负荷、升降温、停车降压降温、抽拔烧嘴等一系列操作，操作中如有不当都会影响炉砖的使用寿命。
(1) 高温炉砖遇水热震
在投料前进行水压试验时，由于炉头阀内漏，很可能使炉砖因受到激冷而产生裂纹，该裂纹在气化炉运行过程中受到各种因素的作用而不断延长加深，进而影响气化炉的正常运行。另外，在停车后拔烧嘴时，烧嘴冷却水盘管可能会由于碰撞而发生破裂，此时水喷溅至炉壁上也会损毁炉砖。
(2) 长期非正常负荷运行
气化炉长期在低负荷下运行时，无法使氧气和煤浆能够完全雾化反应，会导致炉内出现局部过氧而产生高温区，也会出现局部压力的紊乱波动，导致炉砖受影响而损毁。气化炉长期超负荷运行时，烧嘴喷出的物料速度过快而对炉壁产生严重的冲刷，加速了炉壁的损毁。
(3) 正常操作中炉温控制偏高
炉温应根据煤质而定，一般高于煤灰熔点50~80 ℃比较合适。但有些操作人员习惯高温低甲烷控制，以防止炉况或煤质稍有波动而引发渣口堵塞。但长期高温运行，炉砖的损毁速度将会大幅加快。
(4) 运行中烧嘴偏喷
煤浆与氧气流量不匹配或烧嘴磨损变形，均会引起烧嘴偏喷，如果调节不及时就会导致局部炉砖加速损毁。
(5) 开停车升降压太快
由于操作原因，在开停车时升降压太快使炉砖变质层加速脱落，也会导致炉砖的损毁。
(6) 烘炉时未按升温曲线进行升温
合格的筑炉和烘炉是炉砖长周期使用的前提，烘炉时升温太快或是反复熄火，会由于应力而导致炉砖损毁。
(7) 渣口堵塞进行升温熔渣
由于煤质或操作原因导致渣口发生堵塞时，必须缓慢平稳地升温熔渣，但此过程会大大加剧炉砖的损毁速度。
(8) 氧气流量波动
在原始开车的初期阶段，由于氧气调节阀的质量问题，导致阀位频繁波动，相应的氧气流量也频繁波动，波动量达300 m3/h(标态)左右，有时甚至达到700 m3/h(标态)，氧气总管压力也时有波动。氧气流量的波动必然会影响烧嘴雾化效果、炉内反应情况、温度和压力分布，进而对炉壁产生影响。
(9) 烘炉时发生闪爆
前期烘炉时，时有熄火情况发生，为了尽量减少炉温的下降，熄火后抽负不足，再次点火时发生闪爆。发生闪爆时，渣口砖和拱顶砖都有可能出现松动或损坏。
(10) 筑炉缺陷
筑炉材料存放不当和未严格按图纸和设计要求进行筑炉作业，会导致炉砖局部不合格，在运行过程中问题趋于严重，最终导致炉砖非正常损毁。
(11) 盲头砖拔取困难
气化炉停车后，盲头砖需拔出检查，但经常会出现盲头砖断在拱顶的现象，需敲碎后才能取出，在此过程中有可能造成拱顶砖损坏。
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操作优化措施
气化炉长周期平稳运行在一定程度上取决于耐火砖的使用寿命，只有精细化的操作、详实的管理制度，才能保证气化炉运行的安全和稳定。针对影响耐火砖使用寿命的因素，落实了如下的操作优化措施。
(1) 水压试验时断开煤浆进烧嘴短节，防止冷水进入气化炉而激碎炉砖。
(2) 严禁气化炉在低于70%的负荷下运行，考虑到双炉70%负荷下运行后工序存在放空现象，正在进行更换小烧嘴的试验，以期在不影响气化炉运行的情况下实现节能降耗。
(3) 根据煤质严控炉温，初期粗合成气含甲烷体积分数一般控制在400×10-6左右，正常时控制在(600~700)×10-6。
(4) 开停车时的升降压严格按操作规程执行。
(5) 找到了气化炉升温至650 ℃前易熄火的原因，采取相应的措施以最少的熄火次数按照升温速率进行气化炉的升温。
(6) 由于采用堆取料机向煤仓上煤，容易造成大块煤滚落至煤仓底部。为此，严控煤质，解决煤仓底部存在大块煤的问题，减少因煤质原因而导致的渣口堵塞次数。
(7) 严格按照标准作业程序(SOP)进行烘炉，防止出现闪爆而损毁炉砖。
(8) 更换氧气调节阀，基本解决了氧气流量波动的问题。
(9) 工艺人员在气化炉筑炉过程中全程监护，筑炉完成后一次验收，然后进行烘炉，炉温达到1 100 ℃后进行降温，降温后入炉检查是否存在裂缝等问题。
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