多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐拱頂耐火磚蝕損的主要機理，即爐內(nèi)流場分布規(guī)律決定了拱頂部位是耐火磚的薄弱環(huán)節(jié)，氣化爐設計尺寸、對應操作壓力、負荷、工藝噴嘴裝配尺寸是主要影響因素。從設備、操作、管理等方面總結(jié)了避免拱頂耐火磚蝕損過快的應對措施。圖1所示為OMB加壓氣化爐拱頂用耐火磚。
圖1 OMB加壓氣化爐拱頂耐火磚示意
OMB加壓氣化爐耐火磚蝕損原因分析
通常，水煤漿氣化爐耐火磚的蝕損原因主要包括高溫下的化學侵蝕和高溫氣流沖刷帶來的機械侵蝕2個方面，操作爐溫高和原料煤種不適宜會加快耐火磚的蝕損速率。
化學侵蝕
化學侵蝕包括煤灰侵蝕和合成氣侵蝕。
煤灰侵蝕是指煤灰中的CaO，F(xiàn)eO等金屬氧化物在熔融狀態(tài)下滲透至耐火磚內(nèi)部的孔隙中，在高溫下與耐火磚中的Cr2O3發(fā)生化學反應，從而造成耐火磚材質(zhì)變化,結(jié)構(gòu)變得疏松、易脫落。
合成氣侵蝕是指合成氣中還原性非常強的H2和CO在高溫、高壓下進入耐火磚內(nèi)部孔隙中，與耐火磚中的SiO2，F(xiàn)e2O3等物質(zhì)發(fā)生氧化-還原反應，造成耐火磚材質(zhì)、結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化。
機械侵蝕
機械侵蝕主要包括高速氣流夾帶灰渣顆粒對耐火磚表面的沖刷及熔渣在耐火磚表面流動過程中形成的剝離作用，其易蝕損部位的分布與氣化爐內(nèi)流場分布有直接關(guān)系。
操作爐溫
在氣化爐內(nèi)溫度過高的環(huán)境中，耐火磚表面會處于軟化甚至熔融狀態(tài)，機械強度大幅降低，從而更易被高溫熔渣侵蝕及被氣流沖刷而加快蝕損速率。根據(jù)有關(guān)文獻記載，氣化爐操作溫度每提高100 °C，耐火磚的蝕損速率將提高4倍。
原料煤種類
原料煤對耐火磚的影響主要體現(xiàn)在其灰分含量及種類、灰熔點、灰渣粘溫特性等方面。灰分含量增加會加快灰分對耐火磚的沖刷;灰分中各種元素含量的不同，對耐火磚的侵蝕速率也不同;灰熔點高及灰渣粘溫特性差的煤需要較高的操作爐溫以保證順利排渣，從而會縮短耐火磚的使用壽命。
影響OMB加壓氣化爐拱頂耐火磚蝕損的因素
OMB加壓氣化爐內(nèi)流場分布規(guī)律的影響OMB加壓氣化爐內(nèi)流場可分為射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)6個部分。氣化爐結(jié)構(gòu)特點及爐內(nèi)流場分布規(guī)律決定了其耐火磚的薄弱部位在拱頂區(qū)域。該區(qū)域的氣流具有如下特點:①距離燃燒區(qū)近，溫度很高;②距拱頂近，流速快，沖刷力強;③上升的撞擊流股相對截面積小，會集中對局部的耐火磚形成沖刷。上述特點造成拱頂部分耐火磚成為OMB加壓氣化爐內(nèi)耐火磚的薄弱環(huán)節(jié)。
OMB加壓氣化爐拱頂部位高徑比
此高徑比是指噴嘴安裝平面至拱頂?shù)母叨扰c爐膜直徑的比值。根據(jù)OMB加壓氣化爐內(nèi)部流場分布規(guī)律，要防止拱頂耐火磚被快速蝕損，應盡量增大撞擊區(qū)至拱頂?shù)木嚯x，使撞擊流股在到達頂部時動能衰減至最小，同時燃燒反應已結(jié)束，以減少對耐火磚的直接沖刷。華東理工大學通過熱模試驗得出結(jié)論：當出噴嘴的氧氣流速達到100m/ s時，合理的高徑比應為1. 3;如出噴嘴的氧氣流速繼續(xù)提高，則要求的高徑比 應更大。
工藝噴嘴的裝配間隙
OMB加壓氣化爐采用三通道預膜式噴嘴，外環(huán)及中心通道介質(zhì)為氧氣，中間通道介質(zhì)為煤漿, 其端部的裝配尺寸將影響外環(huán)通道的流通面積，在其它操作指標(主要是指操作負荷及操作壓力)不變的情況下，將會造成出噴嘴氧氣流速發(fā)生變化。工業(yè)化應用初期的千噸級OMB加壓氣 化爐，先期由于工藝噴嘴外環(huán)氧氣間隙過小，氧氣流速達145 m/s，而后經(jīng)調(diào)整的工藝噴嘴外環(huán)氧氣間隙又過大，氧氣流速降至95 m/s，結(jié)果都造成了拱頂磚蝕損過快的現(xiàn)象。
操作壓力與對應的負荷
此影響主要體現(xiàn)在出噴嘴氧氣的流速方面。由于在不同的操作壓力下，同等質(zhì)量的氣體體積是不同的，低壓高負荷狀態(tài)下出工藝噴嘴的氧氣流速較高，而高壓低負荷狀態(tài)下出工藝噴嘴的氧氣流速較低。如前所述，此類情況都會造成對耐火磚的蝕損加快。
預防措施
拱頂部位高徑比的改進
在保證設備合理投資額度的情況下，盡量使拱頂部位的高徑比達到最大。初期工業(yè)化應用的2臺千噸級OMB加壓氣化爐的高徑比只有1.05，為目前所有工業(yè)生產(chǎn)新型氣化爐中比值最小的，此后設計的高徑比一般在1.60以上。
拱頂部位耐火磚的改進
(1)改進氣化爐預熱口封堵磚的形狀原設計的預熱口封堵磚均為圓柱形，密封面積小，易出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象�，F(xiàn)設計的預熱口封堵磚都改為圓錐形，增大密封面積，減少了磚縫竄氣的可能性。改進前、后預熱口封堵磚形式見圖2。
圖2 改進前、后預熱口封堵磚形式
(2)減少拱頂部位耐火磚層數(shù)
早期設計的拱頂部位爐襯分3層，分別為耐高溫沖刷性強的向火面磚、耐高溫沖刷性一般的背襯磚和耐火水泥。目前，已有企業(yè)將拱頂部分向火面磚與背襯磚合二為一，做成1層向火面磚，增加了向火面磚的厚度，提高了其抗沖刷的能力。
(3)改變拱頂部位耐火磚的整體結(jié)構(gòu)
主要方案為增加拱頂部位耐火磚厚度，消除易被沖刷的平臺，延長其使用壽命。目前，該方案已在部分新設計的氣化爐上實施。
壓力負荷操作曲線的確定
目前所有已運行及在建的OMB加壓氣化爐都根據(jù)其不同的操作壓力及負荷、工藝噴嘴裝配尺寸等指標計算出與之對應的操作曲線，規(guī)定了不同裝配尺寸的工藝噴嘴在不同操作壓力下的投料負荷,以控制氣化爐內(nèi)氣流的形態(tài)及速度，保證最佳的煤漿霧化效果，降低耐火磚的蝕損。
工藝噴嘴的管理
對工藝噴嘴的管理主要是控制其端部裝配尺寸，保證運行時出噴嘴氧氣流速控制在正常范圍內(nèi);同時通過使用耐高溫、耐磨損材料，保證噴嘴噴頭部位在運行一段時間后仍能保持完好，防止因磨損、變形出現(xiàn)偏噴現(xiàn)象而對耐火磚造成損壞。
結(jié)語
由于采用工藝噴嘴水平對置安裝的形式，OMB加壓氣化爐內(nèi)流場分布規(guī)律造成氣化爐拱頂耐火磚是其薄弱環(huán)節(jié)。但通過在OMB加壓氣化爐設計時保證拱頂部分合理的高徑比，操作時控制好爐內(nèi)撞擊流的速度，控制好入爐原料煤質(zhì)量等措施，可將拱頂耐火磚的侵蝕速率控制在正常范圍內(nèi)，確保氣化爐的穩(wěn)定運行。