SiC耐火材料在干煤粉水冷壁气化炉的应用及施工

干煤粉水冷壁气化炉可以处理灰熔点较高煤种，不受煤种成浆性能的限制，近年来，随着新疆、内蒙等地褐煤等低阶煤的开发利用而再次走俏。已工业化的干煤粉气化炉主要有引进的shell、GSP以及国内的HT-L炉，均为干煤粉进料水冷壁式气流床技术。

干煤粉水冷壁气化炉采用膜式水冷壁耐火衬里形式，内壁衬里布有水冷管，仅在向火面有一层薄的耐火材料层。由于具备高强度、高热震稳定性、高抗还原能力以及极强的抗渣侵蚀性能，SiC耐火材料是目前干煤粉水冷壁气化炉的主要内衬材料。干煤粉水冷壁气化炉中耐火材料使用情况见表1。
1、耐火隔热结构及材料选择
从表1可知，SiC材料在干煤粉水冷壁气化炉中敷设范围广，实际使用量大。气化室的使用量更是占到SiC耐火材料总量的一半以上。有鉴于此，本节将以气化室SiC耐火材料使用情况为例，阐述耐火隔热结构特点及材料的选用要求。

1.1耐火隔热结构
干煤粉水冷壁气化炉一般分为上下两部分，上部为气化室，下部为激冷室。气化室是整个气化炉的核心部件。煤粉及氧气在气化室反应，温度约为1600℃。气化室主要由内件和壳体两部分构成，主要包括膜式水冷壁、环形空间和竖直筒状壳体。气化室内件由:气化室水冷壁、顶部冷却器、渣口冷却器和烧嘴冷却器等部分及相应的集箱、连接管组成。
气化室水冷壁直筒段为列管结构，上下锥段为盘管结构，在水冷壁管子的向火面敷设有一层薄的SiC耐火材料，以抵挡高温合成气气流对水冷壁的冲刷，防止管子损坏，水冷壁采用一定压力下的冷却水进行冷却保护。气化室内件采用“水冷壁+耐火衬里”的耐火隔热结构，使气化炉承受高压、高温的单元分离，达到炉壳承受高压、水冷壁承受高温的效果，实现水冷壁气化炉长周期的运行。
干煤粉水冷壁气化炉耐火隔热结构主要特点有以下几点。
(1)水冷壁外可以形成稳定的固渣层，“以渣抗渣”，抵抗气体和熔渣的冲刷和磨损，形成自我修复式耐火材料结构，提高材料的使用寿命。
(2)水冷壁降低耐火材料的蚀损率，保证SiC材料的使用温度<1400℃，高温强度不降低。
(3)耐火材料的组合结构，炉内向外依次由熔渣、固渣、SiC耐火材料、水冷壁构成，如图1所示。

从以上耐火隔热结构可知，敷设耐火材料主要作用有以下几点。
(1)防止膜式壁磨损、腐蚀。
(2)防止膜式壁受到较大的热冲击。
(3)控制水冷壁吸热量，保证气化炉气化室内温度场维持在需要温度水平。
1.2耐火材料的选择
1.2.1使用环境
选择气化炉耐火材料的主要依据有使用环境和材料性能。使用环境的影响一般考虑以下几点。
(1)气化炉最高操作温度和最高操作压力。
(2)气化室内介质气氛。
(3)气化炉排渣方式。
(4)冲刷气流携带颗粒情况。
(5)气化炉炉型及耐火材料砌筑方法等。
选用的耐火材料，最高允许使用温度必须高于气化炉的最高操作(设计)温度，且具有一定的耐火度，可以抵抗气化炉内高温热负荷的作用而不软化。同时，须注意，较高的操作压力会加速合成气中的水蒸气及H2对耐火材料的磨损及侵蚀。
1.2.2材料性能
SiC耐火材料的性能一般取决于材料中SiC颗粒间的结合状况，种类较多。SiC耐火材料的主要性能指标见表2。

捣打料由具有一定级配的耐火骨料、粉料、结合剂、外加剂加水或其他液体经过混炼而成。一般用在用料量较少或耐磨层较薄(一般不超过18δ60mm)或边角等销钉密集区，常采用木槌捣打，振动浇注。一般捣打料是可塑料，结合剂是磷酸盐，可不进行高温烘炉排除水份，仅需自然养护和射灯照射到一定温度，即可强化具有一定的强度。捣打料的内衬，含水率低、打结密实，性能优于同材质的耐火浇注料。缺点是施工速度慢，劳动强度大，有被干式震动料和优质耐火浇注料代替的趋势。
浇注料具有较高流动性，应用范围较广，一般用于耐磨层较厚区域，机器浇灌，可以用振动棒伸入振动，相对来说强度更高，由于结合剂采用水泥和水，需要烘炉排出水分，烘炉有严格的升温曲线，时间较长。浇注料按气孔率分:有致密性耐火浇注料和气孔率不低于45%的隔热耐火材料;按结合剂分:有水硬性结合、化学结合、凝聚结合耐火浇注料。
气化室水冷壁向火侧敷设SiC耐火材料既是为了减少热损失，也是为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，以渣抗渣，以渣护炉壁，保护气化炉衬里不受侵蚀。为有效挂渣，除了运行时稳定控制好气化炉炉膛温度和汽水系统，也须根据各种氧化物高温下在煤渣中的溶解度等选择合适的耐火材料。

2、耐火材料敷设
为保证耐火衬里有最佳的使用性能，需要对耐火材料的施工工艺和成型质量进行严格控制。耐火材料的施工一般由耐火材料提供方完成，施工前应制定详细的施工方案和质量控制措施并选择有资质、有经验的施工队伍。
2.1施工前准备
(1)锚固件检查
锚固件的材质、尺寸、间距及焊接工艺满足图纸设计要求。所有焊接的销钉、抓钉或其它组件，应通过100%的外观检查、锤击测试来检查焊接质量，松动及损坏的锚固件应重焊。
(2)设备清洗
浇注前应对基底及工作区域进行彻底清理，防止杂质进入浇注料中。对搅拌机、输送机、运输工具等也应在使用前彻底清洗，设备做到每班清洗一次。搅拌过可塑料的搅拌机在使用前必须经过彻底清洗后才能用于浇注料的拌合。

2.2施工过程控制
(1)水质及水量
混合耐火材料的水质要求:洁净的生活用水，要求PH值在6.0～8.0的范围内，严禁使用咸水和带悬浮物的其它用水。需加水混合的耐火材料，加水量应严格按工艺要求执行。
(2)温度控制
一般而言，耐火材料施工的基底温度不宜低于5℃或高于35℃;灰浆施工，基底温度宜控制在5℃至30℃之间。耐火材料在自然养护之前，不能遭受冻结;在烘炉之前，不能受潮。
(3)制模
制模是一道非常关键的工序，模板制的好与坏直接影响浇注的质量。模板控制就是控制其牢固性和尺寸的准确性。浇注完毕后，至少12小时内，不能任意动模型或拆模;在烘炉前，应彻底检查模板是否拆除干净。
(4)混合搅拌
混合时应先进行干混，在干混均匀后缓慢加水搅拌。具体混合时间以厂家提供书面资料为准，严禁长时间对浇注料进行搅拌。
(5)振捣浇注
浇注过程中应时刻注意检查制模的稳固性，浇注完毕后用振动棒轻微敲击模板侧壁，消除气泡。部件浇注需一次性连续施工，不中断，施工后严禁二次施工进行抹面找平等。
(6)水冷壁内衬材料截止位置，用碳化硅可塑料捣打密实，上倒角处圆滑过渡、无凹坑、在鳍片处形成锯齿状圆滑过渡，收尾整齐。
(7)在浇注料和耐火纤维毯之间应摆放油纸或涂刷防水剂，以防水渗透。
(8)施工时，根据设计要求和现场实际情况，科学地设置膨胀缝，防止浇注料在运行过程中出现贯穿性的裂纹。
(9)在设有温度和压力测点处，施工中要防止浇注料振捣时使测点套管松动，标高和角度发生偏差。

2.3养护及修补
在开始烘炉前，近期施工的热硬性、水和结合或化学结合的耐火材料自然养护至少3天。在自然养护期间，耐火材料层的温度应保持在10℃以上;化学结合的耐火材料不能受潮，表面不应覆盖;热19硬性的耐火材料不需特殊养护，但在烘炉前不能受潮或受冻。
施工完成后须对内衬表面进行外观检查，内衬工作层表面应平整光滑，无垮踏、无脱落、无鼓泡、无贯穿性裂纹。对检查出的各种缺陷应在烘炉前及时修补。
3、结语
干煤粉水冷壁式气流床技术是当今世界上较为先进的现代洁净煤技术，但其工程化应用尚存在一定的局限，针对耐火材料选择及设计方面，有如下几点建议:
(1)耐火材料优选国内产品
干煤粉水冷壁式气化炉主要为引进的shell、GSP气化炉，煤气化技术是专利技术，国内授权制造商通常只是做转化设计，在耐火材料的设计上一般都没有选择权。技术专利商往往选择的是国外产品，成本高、供货周期长。SiC材料在国内电站锅炉上已经有非常成熟的应用，技术专利商和授权制造商应该积极探讨交流，对国内现有耐火材料进行全面的研究，分析不同材料的导热性能、力学性能等，筛选出适合干煤粉水冷壁气化炉的优质耐火材料。在消化吸收再创新的基础上，联合耐火材料生产商积极研发新型保温材料，减少项目执行难度。
(2)编制耐火材料施工工艺
膨胀缝、测点孔等关键部位的设计，加水操作、搅拌时间等要求都应该制定标准，耐火隔热结构作为非标设备，国内外都没有关于这种设备的设计规范，更没有成熟的经验可供借鉴。通常耐火材料的施工工艺由厂家编制，但是每个厂家技术实力不一，对现场情况的掌握不同，加之不同的施工队伍能力有差距，导致各个项目内衬质量千差万别。因此，技术专利商应积极与授权制造商和有实力的耐火材料厂家交流，制定针对煤种、炉型的特定耐火材料的施工工艺，便于项目执行和管理。

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