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流化床气化炉内衬耐火材料

发布日期:2021-07-14 00:00 来源: 点击:

加压流化床煤气化技术是近年来随着洁净煤技术的兴起而发展起来的新一代大型、先进煤气化技术。气化炉结构通常分为3 层:内层为直接接触高温介质的耐火材料层;中间层为保温材料层;外层为不锈钢炉壳。除了反应器结构和附属设备等关键技术外,由于温度、压力及其它反应工况等条件的要求,其反应器衬里材料的选择和烘制也是关系到工艺成败的关键技术。内衬耐火材料衬里的使用寿命对气化炉长周期稳定运行影响巨大。

  煤气化工艺因采用的煤种繁多、品质各异,流化床气化炉内反应工况复杂,通常伴有高温氧化、硫化、氢化、碳化、氯化等的气氛腐蚀,同时对于高碱金属煤种或添加碱金属催化剂的工艺还可能引入碱腐蚀等问题,该些侵蚀严重影响了耐火材料的使用寿命,并且对高温装置的安全稳定运行造成不良影响。气化炉内腐蚀的发生使得耐火材料的选择和使用寿命备受关注。

  1 耐火材料的种类及失效机理

  耐火材料使用工况的复杂及恶劣性决定了依据使用环境不同需对耐火材料提出不同性能要求,包括其抗温度损害性能、抗热应力破坏性能及抗环境介质侵蚀性能等。

  对于流化床气化炉,内衬耐火材料的损坏主要分为化学侵蚀、热侵蚀、机械侵蚀三大类。化学侵蚀会导致耐火材料结构性能的降低,进而加大热力学侵蚀及机械侵蚀对材料耐磨性能的影响。材料的选择需充分结合工艺特点。通常材料选取时需关注的理化指标包括耐压抗折强度、耐磨及热震稳定性、重烧线变率等。当反应工况下选择的材料、如浇注料未达所需烧结温度,则强度会大大降低,首先需要保证所选耐火材料在工作温度下具备较好的强度,或者在开始烘炉时烘至达到材质的烧结温度以保证工况运行时材料的强度较高。另外,耐火材料在制作施工、安装及烘炉过程中的不合理也会导致耐材的损坏。

  因此,必须确保厂家在施工制作过程中严格按照设计要求进行施工,同时保证整个过程满足耐材生产厂家提出的材料施工要求。确保材料中所含的水分完全转化为水蒸气逸出,避免炉子点火运行后因耐火材料中的水蒸气压力超过材料的拉伸强度进而引起衬里分层、崩溃、导致炉子内衬塌落。

  2 流化床反应器及耐碱腐蚀耐火材料研究现状

  1)流化床反应器用耐火材料的现状

  通常流化床用耐火材料内衬按作用可分为三类:耐磨材料;耐火材料;保温材料。现有流化床采用的耐火材料包括:磷酸盐耐材;碳化硅耐材;刚玉耐材;氮化硅结合碳化硅产品等。

  磷酸盐砖适用于1200~1600 ℃温度范围,为500 ℃低温热处理得到的不烧砖,已在水泥窑应用多年,早期的循环流化床锅炉内衬也采用该材料。但在循环流化床锅炉的运行温度范围内(850~900 ℃),磷酸盐耐材性能不稳定,耐磨性差,但因价格优势,其早期在流化床具有较多应用。

  碳化硅耐材具有优异的耐磨及热震稳定性。但对于煤气化工艺,因反应器内略带氧化性气氛导致其使用受限,且较高的成本也限制了碳化硅的使用。

  硅酸铝质耐火材料(Al2O3-SiO2系),基本化学组成为Al2O3、SiO2。该系耐材中应用较多的为莫来石及刚玉耐火材料。莫来石因耐火度高、抗蠕变、抗化学侵蚀性好、荷重软化温度高、抗热震性能较好、体积稳定性能好以及电绝缘性强,成为理想的高级耐火材料。但是莫来石的化学成分不稳定,包括2Al2O3·SiO2 及3Al2O3·2SiO2 两种形式。刚玉耐火材料中,Al2O3 含量高于90%且主晶相为α-Al2O3,具有热力学强度高、化学稳定性好、抗热震性及抗磨损性好、抵抗还原剂作用能力强等性能,因此作为高级耐火材料的重要原料。

  综合上述材料性能及价格等各方面因素考虑,煤气化炉通常选用刚玉作为内衬耐火材料,通常使用的原料品种有白刚玉、高铝刚玉和棕刚玉等。

  对于煤气化炉,选取耐材组成及设计结构的不同导致耐材内衬的抗煤灰侵蚀能力各异。煤灰对耐火材料的侵蚀机理即煤灰矿物质与耐火材料反应、侵蚀的过程。研究表明,煤灰对高铝耐材的侵蚀非常强,碳化硅耐材次之,刚玉耐火材料抗侵蚀能力非常强。

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