张海龙，卢飞，张艳
（陕西未来能源化工有限公司，陕西 榆林719000）
［摘 要］某煤化工企业有8套四喷嘴水煤浆加压气化装置（8台四喷嘴水煤浆气化炉，六开二备），其气化炉燃烧室耐火衬里拱顶及上膨胀缝处气流流场复杂，耐火砖冲蚀严重，而上膨胀缝耐火砖运行时长（约8 000 h）较拱顶耐火砖运行时长（约16 000 h）短一个周期，正常检修更换上膨胀缝耐火砖必须连带拆除整个拱顶耐火砖，不仅费时费力，而且需一并更换拱顶耐火砖，造成较大的浪费。经分析与研究，制定了膨胀缝耐火砖改型方案，经力学理论计算验证改型方案可行，膨胀缝耐火砖改型后，能够在不影响拱顶耐火砖安全运行的前提下独立更换膨胀缝耐火砖，有利于降低耐火砖更换成本，节约检修时间，并提高气化炉的运行率及有效备用率。目前该企业已完成2台气化炉膨胀缝耐火砖改型，其运行状况良好。
［关键词］四喷嘴水煤浆气化炉；拱顶耐火砖；膨胀缝耐火砖；独立更换；蚀损原因；膨胀缝耐火砖改型方案；可行性验证
［中图分类号］TQ545 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）02-0015-05
0 引 言
水煤浆气化炉内衬耐火材料的工作环境为高压、高温、强还原性气氛和液态排渣，同时伴随着气、液、固三相的高速冲刷及开、停车时温度和压力的大幅变化等，均会对气化炉耐火砖造成侵蚀［1］，因此耐火材料的稳定性直接影响着气化炉的长周期运行及其使用寿命。耐火砖侵蚀（机理）分为化学侵蚀和物理侵蚀，化学侵蚀包括还原性气体侵蚀、炉渣酸性组分侵蚀等；物理侵蚀包括耐火砖本体养护损伤、气体及炉渣的直接冲蚀、高温火焰的烧蚀 ［2］。因此，在保证耐火材料的抗蚀损性能、砌筑质量、严格遵循烘炉曲线及严谨的工艺操作的基础上对气化炉内衬耐火砖进行改型研究，以减缓耐火砖的蚀损、延长耐火砖的使用寿命，实现气化装置的安全、长周期运行，对提升企业经济效益具有重要的意义。
某煤化工企业有8套四喷嘴水煤浆加压气化装置（8台气化炉，六开二备），单台气化炉设计投煤量2 000 t/d（干基），气化操作压力4.0 MPa。其中，气化炉燃烧室上膨胀缝位于拱顶与筒体相接处，由于四喷嘴水煤浆气化炉运行流场的特点，耐火衬里拱顶及上膨胀缝处气流流场复杂，耐火砖冲蚀严重，而膨胀缝耐火砖运行时长（约8 000 h）较拱顶耐火砖运行时长（约16 000 h）短一个周期，正常检修更换膨胀缝耐火砖必须连带拆除整个拱顶耐火砖，不仅费时费力，而且需要更新拱顶耐火砖（拱顶砖不能再次使用），造成较大的浪费。为降低运行成本，拟对膨胀缝及耐火砖进行改型，实现膨胀缝耐火砖可单独更换。以下对有关情况作一简介。
1 膨胀缝耐火砖改型的必要性
四喷嘴水煤浆气化炉燃烧室具有复杂的流场特性，烧嘴喷出物料的流速会影响煤浆的雾化效果，进而影响到拱顶耐火砖的使用寿命。对该企业气化炉的检修情况进行统计，发现因上膨胀缝耐火砖冲刷损毁导致的气化炉炉壁超温事故而需进行的检修，约占气化炉检修工作量的80%，而炉壁超温形成的系统生产隐患需停炉拆砖更换消除。由四喷嘴水煤浆气化炉耐火衬里结构（图1）可以看出，膨胀缝M4砖作为整个拱顶的基础砖，承载着整个拱顶重量而不能单独拆除，如拆除M4砖则会造成拱顶下降脱落，简言之，想要正常检修更换膨胀缝耐火砖，必须连带拆除整个拱顶（耐火砖）。拱顶向火面砖尺寸300 mm，而膨胀缝处M4/M6/M8砖，因其结构形式，M6砖尺寸190 mm，M4/M6砖形成的外膨胀缝运行中不可避免地有积渣存在，造成M4砖端面因膨胀挤压受损，部分砖体脱落于内壁处形成凹坑，气流直接冲刷M6砖（原K砖位置），使其蚀损速率加快（M6砖呈斜面剥落），M6砖减薄后高温气体直接窜入M6/M8砖膨胀缝，热量作用于M7/M9砖处造成炉壁温度升高，而拱顶温度正常，使得拱顶耐火砖与膨胀缝耐火砖运行周期不匹配。通过停车入炉检查耐火砖蚀损尺寸，结合工艺运行状况，拱顶耐火砖使用周期基本上为上膨胀缝耐火砖使用周期的2倍，如此一来，检修更换膨胀缝耐火砖时，拱顶耐火砖不得不在未达到使用周期（寿命）的情况下被拆除更换，造成极大的浪费，且此举使气化炉检修周期增加1倍有余，不利于气化炉的备用，影响系统的运行效率，成为系统运行及备炉的隐患。因此，据气化炉膨胀缝耐火砖实际蚀损速率和拱顶耐火砖的蚀损速率情况制定相应的改型方案，使膨胀缝耐火砖和拱顶耐火砖蚀损速率保持一致，可提高拱顶耐火砖的利用率。
2 耐火砖蚀损原因分析
水煤浆气化炉向火面高铬耐火砖长期与高压、高温、高流速、低粘度的熔渣及强还原性介质接触，并承受火焰的舔烧，其蚀损的根本原因在于熔渣侵蚀渗透（导致耐火砖组织结构变化）、应力破坏、熔渣和高速气流冲蚀 ［3］。
2.1 熔渣对耐火砖的侵蚀渗透
熔渣对耐火砖的侵蚀主要有渗透、熔解和冲蚀磨损。煤中含有的Si、Fe、Al、Ca等元素及其盐类物构成了渣的成分，熔渣通过对耐火砖的渗透、熔解及在强还原性气氛下，耐火砖表面形成低熔点化合物，该化合物不断地被高速气流冲刷，最终导致剥蚀。实践表明，高含量CaO的熔渣形成新的低熔物相较于高含量SiO2的炉渣对耐火砖的侵蚀性更强；另外，高含量CaO的熔渣具有低灰熔点、流动性良好的特点，不易在耐火砖表面形成渣层，起不到以渣抗渣的作用，且其流动状态还冲蚀砖体，加速耐火砖的蚀损。不同成分熔渣的渗透性对比如图2。
2.2 热应力引起的破坏
水煤浆气化炉开、停车时，因内衬各层耐火砖的升降温速率存在差异及膨胀系数不同，环向和垂直方向均会产生应力，当应力大于耐火砖本体的强度时，耐火砖的边角处就会出现裂纹。另外，砖与砖的位移面上还会发生摩擦，产生具有局部撕裂作用的剪切力，也会加速耐火砖表面熔渣的侵蚀，导致其表面出现解体、剥落的裂纹。
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