气化炉炉砖质量管控的资源投入与过程监测探讨
时间：2022-12-03 17:45:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
娄兴敏
（神华工程技术有限公司，北京 100011）
水煤浆气化技术是国内采用较多的煤气化工艺，该技术的应用核心设备为水煤浆气化炉。在生产使用过程中，气化炉内壁处于高压高温的工况，同时受到气流的冲刷、熔渣的侵蚀和高温不稳定造成的热应力损毁，在这种情况下，合格的气化炉内壁质量是项目建设过程中必须要达到的要求。当前水煤浆气化炉的内壁炉砖主要是高铬材料，成分以Cr2O3为主，典型的炉砖结构可分为4 层，分别为热面砖、背衬砖、隔热砖和纤维涂抹料，其结构示意图如图1 所示。
图1 典型气化炉内壁炉砖结构示意图
多层炉砖耐火材料的选择主要要考虑生产运行期间的稳定性，既要抗高温、有足够的抗蠕变强度，还要耐侵蚀，高温下有良好的化学稳定性，所以在不同气化技术和煤种条件下的耐火材料结构形式多有不同，但总体来说结构层数均较多，这就给筑炉质量管控带来了一定难度。
作为水煤浆气化装置核心关键设备的气化炉，设备结构通常分为反应室和激冷室上下两部分。反应室的正常工作温度在1 300℃～1 600℃，压力在2.0 MPa～8.5 MPa，主要反应物质为C 和H2O，通过裂解和氧化产出H2和CO（粗煤气），同时还有若干比较复杂的化学反应，所有反应结束后煤渣通过下降管落到下方激冷室中，经水洗通过连接锁斗有序排出。
气化炉外在体型庞大，炉砖砌筑工作需要气化炉进场后方能开展，受限空间下人员出入相对困难，需要搭设直梯从激冷室下降管中攀爬到炉膛内，给过程监测带来一定不便。
尽管在气化炉投用前有着烘炉这一关键过程，烘炉结束后也可以再次对炉膛质量进行检查，但受制于烘炉结束后距离装置投料时间较短，而且即便有一定的质量瑕疵，只要不影响首次投用，造价成本较高的炉膛在短时间内也不具备整改条件，所以气化炉筑炉和烘炉前期的资源投入和过程监测尤为重要，要保证一次成功率。
本文尝试根据某实际案例（某大型煤化工装置）气化炉筑炉和烘炉中资源投入和过程监测的具体要求，分析研判该案例气化炉筑炉过程中的必要因素，为类似工程建设提供一定参考。
2.1 案例项目概况
案例项目为某大型煤化工装置，其中气化装置采用GE 水煤浆气化工艺，气化炉于2019 年中制造完成到场，2020 年中开始筑炉，同年8 月份开始烘炉，年底完成投料，一次投产成功。
烘炉的主要目的有两个，一是去除耐火材料中的吸附水和结晶水，二是检验筑炉耐火材料和筑炉质量，以防炉砖在生产运行过程中出现开裂情况。
为防止在第一次烘炉过程中因温度过高引发炉砖不必要的开裂，本次烘炉恒定温度设为800 ℃，为正常工作温度的2/3 左右，因为烘炉持续时间在15 d～20 d，所以这个较低的烘炉曲线设定有利于较好地把控温度，有效降低了烘炉过程中的断火风险，后来的烘炉过程和最终效果也验证了这点。
2.2 烘炉方案
该装置共设置5 套气化炉，采用3 开2 备，分为两个系列。烘炉方案根据两个系列的投用顺序分别选用了大循环和小循环两种方案，大循环与小循环的差别主要是气化炉下部激冷室中预热水的循环流程不同。其中，大循环流程为：灰水槽—低压灰水泵—激冷水过滤器—气化炉—渣池—渣池泵—真空闪蒸罐上段—真空闪蒸罐下段—沉降槽给料泵—沉降槽—灰水槽；
小循环流程为：渣池—渣池泵—临时跨线—激冷水过滤器—气化炉—锁斗—渣池。
两种方案参与的设备不同，后者能使系统在短时间内较快地具备投用条件，前者则能带动更多工艺流程内的设备，在完成烘炉工序的同时可以检验更多设备的性能，包括动设备等。需要注意的是烘炉过程中预热水温度应不超过80 ℃，所以对小循环流程的预热水要采取必要的室外冷却措施，如将渣池内的水通过地沟引入其他水池等。
对处于气化炉反应室内的炉砖来说，两种方案没有差别，都是通过预热烧嘴将燃料气引入炉膛内进行燃烧以提供热源，从而达到烘炉曲线。同样需要注意的是烘炉过程中要做好温度保持，如有中断，需重新计算该温度曲线下的烘炉时间。
2.3 烘炉效果
该装置烘炉过程较为顺利，在烘炉结束后打开人孔再次进入炉膛逐台检查，4 台气化炉部分耐火材料表面有细微裂缝，1 台气化炉的热面砖有表层局部脱落情况。
在CO 和H2强还原气氛、高温环境中，尽管炉渣会与高铬砖反应生成脱锆层和尖晶石相以保护炉砖，但在炉温降低时，炉渣（尤其是高钠渣和高碱渣）尖晶石相中的二价铬会被氧化成三价铬，从而在反应层处形成FeCr2O4，对渗入砖内的炉渣无法起到阻碍作用，这样的气氛和长期作用，会对热面砖形成渗透和冲蚀，从而进一步降低其使用寿命[1]。通常来说，气化炉筒体处的耐火材料使用寿命不小于12 000 h，拱顶处为15 000 h，锥底处为6 000 h，渣口处为4 500 h。此处的使用寿命主要是指向火面的热面砖，对起支撑作用的背衬砖和隔热作用的隔热砖则一般情况下不更换。
基于如上的研究结果和寿命保证期，对有表面细微裂缝的热面砖可以不做处理，但对表层脱落的情况要予以同材料修补[2]。
2.4 小结
通过对比其他装置同样工艺的气化炉烘炉后效果，该装置烘炉较为成功，未出现因筑炉前期遗留质量隐患导致耐火材料重新砌筑的最不利情况，避免了重大经济损失风险。
烘炉的方案选择是该工序最重要的资源投入控制，务必要确保流程的贯通和方案的执行，做好温度监控。
筑炉与烘炉存在一定的时间关系，在筑炉结束后一段时间内应开始烘炉工作，这个经验时间段数据跟装置所在地理区域和项目建设季节存在一定关系。通常来说，筑炉和烘炉之间不能有太长的时间间隔，尤其是不能有剧烈的温度变化，如夏季筑炉冬季烘炉，这种情况将会给炉膛质量造成一定隐患。
在控制筑炉工作环境的同时，还要做好人员、材料和方法的资源投入和过程监控。在该装置筑炉工作实际开展前1 年即提前进行了质量策划，包括质量目标、专业分包、队伍选择、材料控制和技术方案等，明确了管理目标、工期安排、投入资源、负责人和评价方式。
在工期安排上，应综合考虑中交投产节点和烘炉持续时间来安排确定筑炉队伍进场时间，可在招标方案上明确两个系列同步砌筑的要求。在专业分包和队伍选择方面重视业绩和口碑，选择国内一流的专业设计团队和施工团队，并提前半年进行技术方案的对接，以充分贯彻专利技术商对炉膛尺寸的要求。对高铬砖这种重金属材料，因成本费用较高，更要严格把关原材料的检验[3]。
3.1 砖体尺寸设计
对水煤浆气化炉反应室来讲，有4 个尺寸比较重要：筒体内径、锥体高度、锥体斜度、拱口高度，这些尺寸会直接影响到炉内反应效率，进而影响到投产负荷。为确保达到专利商要求的尺寸，所有砖数均要提前排出尺寸，包括砖的高度、层数、形状等，耐火砖的制作要严格按预排尺寸进行，对关键部位的成型耐火砖还要进行预砌。尺寸设计和预砌均要在厂家完成，确保到场的砖体能严丝合缝地完成整体砌筑。
3.2 砖体砌筑要求
施工环境温度宜保持在10 ℃～30 ℃，筑炉施工前要清除气化炉内壁的浮锈等杂物，在砌筑之前要按照现行有关耐火砖标准里的尺寸偏差要求对热面砖、背衬砖及隔热砖进行外观检查，清除所有不合格砖。
耐火砖形状是根据气化炉的内径要求设计的，故砌筑时应在图纸规定的地方切割加工，如需额外切割加工必须经厂家设计同意，切割后的砖不能少于最初尺寸的一半。
每种类型的耐火砖必须用相匹配的耐火泥来砌筑；
干、湿耐火泥不能相混，耐火泥要求搅拌均匀，泥桶、砌刀、搅拌器都不能被其他东西污染，泥浆固化后不得用敲打的方法来修正砌体质量的缺陷，如要修正，必须重新涂抹耐火泥砌筑。
耐火砖砌筑过程中，要检查每层砌体水平度、各环形砖内径是否与图纸相符及是否同心于炉中心线，发现有偏差随时调整，还应经常检查砖层的高度，使砖层保持在合理的范围内。所有的环形砖采用交错砌筑，层与层采用内层低外层高阶梯次序错层砌筑。
砌筑过程中，建议在气化炉内壁上分别作出隔热砖及背衬砖的最高水平位置，作为与拱顶砖砌筑时的参照。
同时要注意热电偶贯入砖（椭）圆孔的方向，因气化炉运行时耐火砖是整体向上热膨胀的，若热电偶位于孔的下部，气化炉运行时会将热电偶切断，所以砌筑时热电偶应位于孔的上部，其上表面距孔顶部5 mm。
3.3 砌筑过程监测
必须要对所有砖体进行外观检查，及时排除尺寸偏差大于1.2 mm、裂纹大于0.3 mm 的不合格砖体；
对水质要进行氯离子含量的测量，其质量浓度不能超过25 mg/L，同时pH 值宜在6.5～7.5。
要求所有砌体都采用挤浆法施工，所用灰缝泥浆应饱满，泥浆饱满度≥96%。背衬砖、热面砖灰缝轴向宽度1 mm，环向宽度1.2 mm，隔热砖灰缝宽度≤2 mm。
要求膨胀缝的结构、分布及数值应严格按厂家设计规定执行，其宽度允许偏差+5 mm～-1 mm，留设的膨胀缝应均匀平直，缝内不得夹杂有泥浆等异物。
为确保可伸缩量的控制，可以在热面砖与背衬砖及背衬砖与隔热砖之间铺贴一层厚度2.0 mm～3.0 mm的可燃材料，该材料在烘炉过程中会因燃烧而留下足够的膨胀间隙，可以有效减少炉砖胀裂概率。
因砌筑顺序为先筒体，后拱顶，最后为锥体，所以筒体下方要设置托砖板，在托砖板上部铺贴厚度6 mm的纤维纸，其所有支撑筋板均需用厚度6 mm 的纤维纸包裹，做到砌筑过程中的成品保护。
为严格控制半径误差和水平度误差，砌筑现场应制作测量杆，每根测量杆的长度应视衬里后的炉内半径而定。半径误差测量时，测量杆的一端与炉墙的垂直表面接触，另一端刚好擦过垂直中心线；
水平误差测量时，应将测量杆平放在砌体上表面，并紧靠中心线，测量杆上放置水平尺，以此检查水平误差。
在砌筑前的各项准备工作到位、技术交底完成、每位操作人员都明确砌筑要求后方能动工，同时砌筑第一排砖，尤其是对其水平度要严格检查。因为砌筑的重要性，对该工序要求各方务必加强巡检力度。
3.4 小结
该装置气化炉的砌筑过程重点管控在资源投入方面和事前事中控制方面，从原材料进场开始即安排专人全程负责。尽管砌筑过程需要每天攀爬高度11 m以上的直梯进入不断抬升的作业面，但总体质量把控较好，工期和质量均得到了有效保证，为后期烘炉和投料成功奠定了基础。
气化炉炉砖的质量控制重在对资源投入的事前事中监控，包括人员、材料、方法和环境的有效把握，技术方案的提前对接，专业分包的合理选择，材料进场时的验收，炉砖砌筑过程中的尺寸监控，烘炉过程中的温度监测等，只有做好如上工作，方能切实保证气化炉炉砖质量和最终的烘炉效果，为生产投料提供一个合格的初始气化炉炉膛。
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