一种顶喷式水煤浆气化炉锥底的耐火材料配置方式的制作方法

本发明属于耐火材料，主要涉及一种水煤浆气化炉炉衬耐火材料配置方式。

背景技术：

1、煤气化是以煤为主要碳源与水蒸气高温下发生c+h2o=co+h2的反应制备合成气原料，用于氨、甲醇等化工原料生产的化工过程；水煤浆气化是煤气化技术的主流之一，操作稳定、投资小、产率高，在我国已有约40年的应用历史；其典型炉型之一的德士古（texaco）水煤浆气化炉，该炉炉腔主体为立式呈圆筒状，水煤浆等原料由顶部烧嘴喷入，熔渣和合成气从底部锥状口排出，炉壳为高压容器钢，内衬由向火面砖和保温砖组成耐火材料炉衬；气化操作温度高，炉衬耐火材料工作环境严苛，向火面砖在高温和较高的炉内压力下，受气、液、固相物质的冲刷、侵蚀极易损毁，需定期维修更换；国内外普遍采用cr2o3≥75wt%的cr2o3-al2o3-zro2（俗称高铬砖）为向火面砖，气化中炉内流场、温度场分布不均，导致向火面高铬砖损毁速率不均，锥底部位高铬砖寿命3000～4000h，远低于筒体部位的8000～16000h；锥底砖已成为制约水煤浆气化炉长周期安全高效运行的瓶颈。

2、高铬砖的主要原料为cr2o3，其不溶于水，化学性质稳定，但在高温、碱性、强氧化环境下可转化为可溶性cr6+；六价铬化合物被列入有毒有害水污染物名录（第一批），世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，六价铬在1类致癌物清单中；高铬砖在生产、使用以及用后存在着转化为六价铬的潜在风险，是煤气化技术绿色发展的潜在隐患。

3、水煤浆气化炉内腔通常由半球形穹顶（拱顶）、圆柱形筒体和圆锥形锥底三部分构成；炉膛内这三部分耐火材料设计的相对独立，可方便内衬耐火材料的拆除更换；其中锥底部位耐火材料主要由铬刚玉浇注料和高铬砖2种；铬刚玉浇注料与钢壳直接接触，其作用有二：一方面是对腔体不规则形状进行填空修补，另一方面是该材料具有一定的抗渣性，能短期抵挡因向火面砖失效引起的安全隐患；锥底高铬砖为向火面砖，其由特殊几何结构的多块砖拼接，形成规则形状的锥形口，方便熔渣排出；气化炉运行过程中，高速气流卷携着高温煤渣不断对锥底向火面高铬砖进行冲刷和侵蚀，导致高铬砖损毁异常严重。另外，对于顶喷式单喷嘴气化炉，锥底是距离烧嘴最远的部位，开停车、煤浆流速、煤浆成分波动、煤/氧比波动等造成烧嘴火焰长短和温度波动大，使得锥底温度波动大，该处的高铬砖受热震影响导致的剥落损毁严重。

技术实现思路

1、为解决水煤气气化炉锥底部位炉衬受高温熔渣侵蚀和热震剥落严重造成的耐火材料寿命短、现有技术使用的含铬耐火材料不环保等技术问题，本发明提出一种环保型水煤浆气化炉锥底耐火材料配置方式，以提升锥底炉衬寿命，摒弃铬污染，促进水煤气化炉的长周期、绿色运行。

2、本发明为完成上述目的采用如下技术方案：

3、一种水煤浆气化炉锥底耐火材料配置方式，水煤浆气化炉锥底炉衬由直接接触熔渣的工作衬耐火材料和不与熔渣直接接触的背衬耐火材料两部分；所述的工作衬耐火材料材质为不含cr2o3的碳化硅-氧化物复合耐火材料；所述的背衬耐火材料材质为不含cr2o3的al2o3-sic-c复合耐火材料；所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料为经过模具预成型的定型制品；所述的al2o3-sic-c复合耐火材料为不定形散状料，使用时加入结合剂采用浇注或捣打方式施工；所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料1400℃埋炭下热态抗折强度25～50mpa，1100℃～室温水冷热震≥20次；所述的工作衬耐火材料厚度为工作衬耐火材料与背衬耐火材料厚度之和的30%～50%。

4、所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料在1000℃下的导热系数为5～20 w/(m·k)。在气化炉运行时，较高导热率的工作衬有利于锥底形成较大温度梯度，使工作衬材料表面形成较高黏度的渣层，保护工作衬材料内部不受侵蚀，实现“以渣抗渣” 。

5、所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料为碳化硅-刚玉复合材料、碳化硅-镁铝尖晶石复合材料、碳化硅-六铝酸钙复合材料、碳化硅-锆酸钙复合材料中的一种或它们的组合，这类复合材料能抵抗高温下煤熔渣的侵蚀，具有良好的抗渣性。

6、所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料中含有2%～10%的al、si、al-si金属或合金。金属或合金的添加，会在材料内部生成非氧化物低维相，可提升材料的断裂韧性、抗氧化性和抗渣性。

7、所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料为经1200～1700℃高温烧成的制品，或为100～200℃低温烘干后的免烧制品。高温烧成制品在使用时具有体积稳定和化学性质稳定的优点；免烧制品可在材料使用过程中利用炉温实现烧成，更加绿色低碳。

8、所述的碳化硅-氧化物复合耐火材料组分中的碳化硅为电熔法制备的颗粒，纯度w（sic）≥97%，粒度范围0.5mm-5 mm。电熔碳化硅晶粒发育大，高温性能优异，抗煤熔渣侵蚀性好；纯度要求为 w(sic)≥97%，是因为若碳化硅纯度低，在高温下容易生成sio2、fe2o3、na2o、k2o等高温下易形成低熔点物质，降低耐火材料的高温力学性能和抗渣性；要求碳化硅为颗粒而非细粉，是因为较大粒度的碳化硅抗氧化性更优。

9、所述的al2o3-sic-c复合耐火材料中al2o3质量分数50%～60%，sic质量分数20%～30%。控制组分中al2o3、sic占比在于调节材料的抗渣性、导热率等，使其作为安全屏障，当工作衬失效时其能短期抵挡熔渣侵蚀。

10、所述的水煤浆气化炉锥底耐火材料的施工顺序为先将背衬耐火材料浇注或捣打施工在锥底炉壳内，形成较为规则的内腔，待内衬材料具有一定强度后，在其上方用与工作层同材质的耐火泥作为接缝材料砌筑工作衬耐火材料，使其形成的喇叭口砖腔体的锥底空腔。

11、本发明提出的一种水煤浆气化炉锥底耐火材料配置，针对现有高铬砖为工作衬热震剥落导致损毁严重导致工作衬寿命短、使用含铬耐火材料环保差等突出问题，采用耐高温、抗侵蚀、抗热震性优异、高强度的碳化硅-氧化物复合材料为工作衬，能抵挡煤熔渣的侵蚀、冲刷和热震剥落，延长工作衬寿命，减少锥底耐火材料的维修更换频次；采用碳化硅-氧化物复合耐火材料工作衬与al2o3-sic-c复合耐火材料背衬组合构成耐火材料锥底具有明显优势：其一，两类材料均为无铬材料，绿色环保；其二，二者均为氧化物-非氧化物复合，相容性好、界面结合性强；其三，al2o3-sic-c复合耐火材料具有一定的耐熔渣侵蚀性，当操作异常导致碳化硅-氧化物复合耐火材料工作衬完全脱落或蚀损后，能临时抵挡熔渣的侵蚀，不至于造成安全事故；其四，采用不定形的al2o3-sic-c复合耐火材料和具有固定形状的碳化硅-氧化物复合耐火材料组合，能高效调节施工面的几何尺寸，保障施工效率和施工质量；另外，对工作衬碳化硅-氧化物复合耐火材料不仅要求其具有较高的高温抗折强度和抗热震性，以抵抗熔渣的冲刷蚀损和热震损毁；而且要求该材料具有一定的热导率范围，该热导率远高于高铬砖（1000℃时热导率3~4 w/(m·k)），在气化炉运行时有利于锥底形成较大温度梯度，使工作衬材料表面形成较高黏度的渣层，保护工作衬材料内部不受侵蚀，实现“以渣抗渣”，提高工作衬寿命。

12、本发明提出的一种水煤浆气化炉锥底耐火材料配置，采用抗渣侵蚀性优、强度高、抗热震性好的碳化硅-氧化物复合材料定型制品与具有一定抗渣性的al2o3-sic-c复合的不定形耐火材料组合，所用原料绿色环保，不含cr2o3；炉衬耐侵蚀、耐冲刷、抗热震，降低损毁速率、延长寿命；制品与不定形搭配，易于施工；背衬采用抗渣性材料，做到双重安全；两种材料的体积密度仅为现有技术所用材料的2/3，相同容积腔体材料的使用重量更少；与现有技术相比，本发明具有绿色环保、长寿、安全等显著优势，应用于单喷嘴顶喷式水煤浆气化炉锥底，可实现炉衬的绿色化、长寿化和轻量化。