徐平坤
（广州耐火材料厂，广东 广州510300）
［摘 要］ 航天炉是我国自主研发的粉煤加压气化炉，其水冷壁敷有SiC-Al2O3系高热导率捣打耐火材料，熔渣遇水冷壁凝固而形成结渣层（挂渣），以实现“以渣抗渣”及“以渣隔热保温”的目的。参考高温热工设备水冷壁及耐火材料的应用经验等，结合航天炉的结构特征，分析与探讨航天炉用耐火材料的选择及施工方式，以及提高耐火材料使用寿命的措施，并就发展前景很好的航天炉所用耐火材料的制造选材及操作经验等方面提出建议。通过分析与探讨指出：提高耐火材料的热导率及控制好水冷盘管水的密度，有利于挂渣层的形成（保证挂渣层厚度在15 mm以上），实现航天炉水冷壁的“以渣抗渣”，使铆钉与耐火材料界面及渣层界面的热应力基本稳定，可提高航天炉用耐火材料的使用寿命。
［关键词］ 航天炉；水冷壁；耐火材料；施工方式；热导率；挂渣层厚度；使用寿命；建议
［中图分类号］ TQ545［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）05-0016-05
0 引 言
煤化工是洁净、高效利用煤炭的重要途经，它通过高温、高压的气化反应过程将含碳原料转化成粗煤气（有效成分以CO和H2为主）。我国虽然引进了不少煤气化技术，但引进技术有时还是满足不了我国煤化工领域的现实需求，如德士古（Texaco）煤气化技术对煤种的适应性要求较高，有时无法实现原料煤的本地化（国产化水煤浆气化技术的应用也有类似问题）；壳牌（Shell）煤气化工艺装置投资太大；GSP粉煤气化技术的专利使用费依然不菲。所以，开发出具有自主知识产权的高效、洁净、煤种适应性广的煤气化技术，意义重大。航天炉（HT-L粉煤加压气化炉）是由中国航天科技集团借鉴国外先进煤气化技术自主研发的盘管式水冷壁气化炉，填补了我国粉煤加压气化技术的空白。
航天炉的主要优点如下：具有较高的热效率（可达95%）和碳转化率（可达99%）；气化炉为水冷壁结构，能承受1 500～1 700 ℃的高温；航天炉对煤种要求低，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可作为气化原料，即使是高灰分、高水分、高硫的煤也能使用，可实现原料的本地化；拥有完全的自主知识产权，专利费用低；系统关键设备全部国产化，投资相对较低，生产成本较低［1］。
1 航天炉的结构特征［2］
航天炉主要由烧嘴、燃烧室、激冷室及水压外壳组成。烧嘴为点火烧嘴、开工烧嘴和粉煤烧嘴三合一的组合式烧嘴。气化炉燃烧室内设有水冷壁，其主要作用是抵抗1 450～1 700 ℃高温及熔渣侵蚀，水冷壁向火侧敷有一薄层耐火材料，一方面是为减少热损失，另一方面是为炉壁挂渣，即充分利用渣层的隔热功能“以渣挂渣”、“以渣护冷壁”，以提高航天炉耐火材料的使用寿命。为保护气化炉壳体及水冷壁盘管，通过中压锅炉循环泵维持盘管内的水循环，管内流动的水吸收气化炉内反应产生的热量并发生部分汽化，然后在中压汽包内进行气液分离，产出5.0 MPa的中压饱和蒸汽送入蒸汽管网；水冷壁盘管与承压外壳之间有一个环腔，环腔内充入流动的CO2（N2）作为保护气。激冷室为一承压空壳，其外径与气化炉燃烧室直径相同，上部设有激冷环，激冷水由此喷入气化炉内，其下降管将粗合成气导入激冷水中进行水浴，并设有破泡条及旋风分离装置，这种结构可有效解决气化炉出口粗合成气带水问题。
航天炉除烧嘴及（水冷壁）盘管采用不锈钢外，其余全为碳钢材料，烧嘴寿命为10 a（烧嘴头部一般每6个月维修1次），水冷壁设计使用寿命为10～20 a。
为减少炉内的散热损失，与耐火材料有关的组合结构（层次）是：由内向外依次为液渣、固渣、SiC耐火材料、水冷壁、惰性气体保护层、高铝不定形耐火材料、外保温层。
2 航天炉用耐火材料的选择
航天炉采用水冷壁敷耐火材料结渣层技术，此种技术在高温热工设备上被广泛应用，比较典型的如炼铁高炉（炉身下部）、电厂锅炉、炼钢电弧炉及一些有色冶炼炉等，这些设备工作温度高，水冷壁工况条件苛刻，但其应用效果都很好，简言之，水冷壁技术在高温热工设备上的应用十分成熟，航天炉选择水冷壁敷以耐火材料是比较合适的。据了解，在我国包括航天炉在内的粉煤加压气化炉的水冷壁上，在水夹套内侧焊有直径10 mm的铆钉（亦称渣钉、锚固钉、销钉等），采用涂抹和捣打的方式使不定形耐火材料与水冷壁夹套内壁紧密贴合，捣打层总厚度一般在20～30 mm，采用热导率大的耐火材料，熔渣粘附到耐火层后温度降低了，渣的粘度增大，熔渣逐渐凝固，渣层厚度在气化炉内达到动态平衡，实现“以渣抗渣”［3］。
我国粉煤加压气化炉用的主要耐火材料，首次施工一般为凯德力公司的SiC-Al2O3捣打料，江苏东台某耐火材料公司开发的SiC含量70%～85%（质量分数）的SiC-Al2O3-Cr2O3捣打料也在多家公司的气化炉上收到良好的应用效果［4］；而局部维修和维护时，多采用洛阳耐火材料研究院提供的耐火材料。业内有人认为捣打料不易保证质量，成型后易产生裂纹，且其气孔率较大、密度不够均匀，施工时劳动强度又较大，不如采用浇注料，并建议采用Al2O3-SiO2-SiC浇注料［5］；也有人在电厂锅炉水冷壁施工时认为施工体薄（最薄处厚度仅为60 mm）、无法插入振动棒而采用喷涂施工［6］。航天炉施工体厚度只有20～30 mm，更不易采用浇注料，特别是Al2O3-SiO2-SiC浇注料，因为航天炉内还原性气体H2与耐火材料中的SiO2会发生反应，生成气态SiO并从耐火材料中逸出，导致耐火材料成型体被破坏。
更多内容详见《中氮肥》2019年第5期