干熄焦炉耐火材料选择及全生命周期成本分析

发表时间:2019/12/18   来源:《基层建设》2019年第26期   作者:谭建秋
[导读] 摘要:随着能源的不断开发和使用,能源危机越来越明显,我国逐渐加大了对节能减排工作的管理力度。
        中国能源建设集团广东火电工程有限公司  广东广州  510735
        摘要:随着能源的不断开发和使用,能源危机越来越明显,我国逐渐加大了对节能减排工作的管理力度。干熄焦炉中斜道区是易损坏部位,该部位常用耐火材料达不到设计使用年限迫使干熄炉停产检修,已经成为制约干熄焦炉发展的重要因素。选用高档新型耐火材料碳化硅制品,能够显著延长易损部位耐火材料寿命。经分析可知,虽然新材料成本较普通耐火材料高,但其使用寿命显著延长,在耐火材料服役的全生命周期之内,综合成本总体能够获得降低。
        关键词:干熄焦炉;耐火材料;综合成本
        引言:
        干熄焦技术发展早期工程投资高,干熄焦设备未能实现国产化。我国焦炉数量较多,不同焦炉的产能也存在着不同程度的差异,因此出现了引进装置与炉型生产能力不协调的问题,增加了干熄焦的能源消耗。在生产中主要采用备用干熄焦的方式,提高了生产成本,降低了干熄焦生产的经济效益。目前,我国干熄焦装置生产中充分结合生产能力和配置进行了适度调整,呈现出大型化的发展趋势。
        1干熄焦技术概述
        干熄焦工艺起源于瑞士,20 世纪 40 年代,很多发达国家对干熄焦技术进行了研究,进入60年代前苏联研究成果日渐丰富,该技术也得到了广泛应用。但是在干熄焦装置自动控制和环保方面起点并不高。70 年代出现了全球性的能源危机,干熄技术的发展速度也明显加快。日本是在此期间干熄焦技术发展最为迅速的国家,使干熄焦技术不仅在其国内被普遍应用,同时它将干熄焦技术输到德国、中国、韩国等国家,其干熄焦技术已达到国际领先水平。80 年代德国对干熄焦技术装置进行优化和改进,使其运行成本降低,整个系统更加优化。
        2干熄焦炉斜道区用耐火材料损毁分析
        综合目前国内干熄焦生产过程中存在的各种问题,发现干熄焦炉体最主要的损坏部位是斜道区牛腿砖。易损部位的损毁机理如下。
        2.1结构原因
        斜道区耐材损坏以结构应力为主。斜道牛腿受上部环梁、环形风道自重的压力,焦炭向下移动的摩擦力、向上的循环气体夹带焦粉的冲刷力和材料本身膨胀、收缩的内力作用。炉体升温时,环形风道和环梁沿直径方向向外膨胀,而牛腿膨胀向炉心变化,形成剪切力;由于焦炭和循环气体温度变化,在无外力作用下环梁的直径基本不变,只是环梁的砖缝被拉开。焦炭、循环气体及耐火材料的温度沿斜道高度连续变化,特别是斜道区下部温度在300~700℃之间变化,会产生很大的热应力,从而造成耐火材料的拉裂、剥落等。牛腿冷收缩时受到上部砌体的压力使其头部砖被拉断,同时受焦炭和循环气体温度变化的影响使砖龟裂、剥蚀而损坏。
        2.2化学侵蚀原因
        在受到结构应力损毁的同时,炉内介质对耐火材料产生化学作用,主要包括以下几个方面:(1)循环气体中的CO在300~600℃范围内发生化学反应(2CO→CO2+C),分离出的游离碳对耐火材料有侵蚀作用,会造成耐火砖砌体破裂或完全损坏。(2)国产的莫来石砖和碳化硅砖一般都含有Fe2O3,内衬砖高温状态下长期经受CO、H2等气体的侵蚀,在强还原性气氛下极易与Fe2O3反应。反应方程式为:3CO+Fe2O3→2Fe+3CO2和H2+Fe2O3→3H2O+2Fe。生成的CO2(g)、H2O(g)与灼热的焦炭在高温状态下又生成强还原性气体CO、H2,进一步加速游离碳的生成。(3)碱侵蚀。乌克兰在对干熄焦内衬砖的研究中发现,焦炭表面富集一定的碱金属,在750℃以上可产生少量的钾钠或钾盐钠盐的蒸气,它们会分解莫来石晶相结构形成松脆质结构的六方钾钠霞石等低熔物,致使制品表层呈层状脱落,在焦炭、气流的作用下磨损加速[1]。(4)各种有害介质与炉衬材料发生化学作用导致的化学侵蚀损毁。


        3干熄焦炉用耐火材料选择
        3.1干熄焦炉常用耐火材料
        干熄炉砌体属于竖窑式结构,炉体自上而下可分为预存室、斜道区、冷却室和一次除尘装置等。
        3.2常用耐火材料的局限性
        目前,国内大多数干熄焦炉斜道区采用莫来石-碳化硅砖,该耐火材料具有较好的热震稳定性、耐磨性、高抗折强度、强抗侵蚀性等。但随着干熄焦技术的日益普及和成熟完善,研究发现干熄焦炉耐材,尤其是斜道区耐材的寿命偏短,导致干熄焦炉运行检修周期短,检修时间长。且与锅炉系统检修不匹配,导致干熄焦炉维护成本居高不下,运行效能下降,甚至影响到高炉的顺利运行。为延长斜道区耐火材料寿命并提高干熄焦炉的运行效率,各干熄焦厂家不断进行改进,包括改善耐火制品的外观质量和尺寸偏差,严格控制砌筑质量,确保每个牛腿受力均匀,预留膨胀空间,合理安排烘炉计划,尽量保证干熄焦炉稳定运行[2]。然而,这些改良办法无法从根本上解决干熄焦炉内衬寿命偏短的问题。干熄焦炉内衬损坏,尤其是斜道区耐材内衬的损坏,导致停炉修补的周期短、次数多。初期基本每年需要停炉一次对斜道进行浇筑修补,而反复浇筑修补将进一步缩短干熄焦炉的运行周期,引发停炉检修频率上升。
        3.3干熄焦炉用新型耐火材料
        我公司针对斜道区耐火材料寿命偏低的问题专门开展技术攻关,研发了复相氮化物结合碳化硅产品并不断加以改良[3]。目前,以氮化物结合碳化硅耐火材料制品作为干熄焦炉关键部位耐火材料的技术理念,得到了湖南华菱涟源钢铁有限公司、柳州钢铁股份有限公司等多家用户的认可。部分厂家在未改变干熄焦炉型结构和操作工况的条件下,采用氮化硅结合碳化硅或氮化硅/氧氮化硅复相结合碳化硅耐火材料制品对莫来石-碳化硅砖进行替代,斜道区耐火材料的寿命有了显著提高。
        4耐火材料不同选择的成本对比
        4.1材料成本对比
        目前,多数设计院、厂家在选用耐火材料时对于复相氮化物结合碳化硅砖仍持谨慎的观望态度,主要原因在于使用复相氮化物结合碳化硅砖成本将远远高于莫来石-碳化硅砖。而考虑材料成本时,仅考虑制品的采购价格是片面的,产品全生命周期发生的整体成本应当纳入考虑范畴且起决定作用。
        4.2其它方面对比
        使用复相氮化物结合碳化硅砖对干熄焦炉斜道区进行改造后,干熄焦率和年发电量可获得较大幅度的提高。此外,由于干熄炉停炉次数的减少,降低了因频繁倒换干、湿焦炭对高炉造成的影响[4]。同时,卢一国等人预测,如果干熄焦装置斜道区耐火材料的过早损坏问题得以解决,干熄焦装置的一代炉龄将可能达到7~10年,其经济效益和社会效益是非常巨大的。而复相氮化物结合碳化硅砖目前在干熄焦炉斜道区的最长使用寿命已达8年,完全可以满足干熄焦装置的使用需求,突破耐火材料寿命的瓶颈。
        结论:
        干熄焦斜道区耐火材料受到结构和化学侵蚀两方面因素影响,成为干熄焦炉中最易损坏的部位,目前采用的莫来石-碳化硅砖服役寿命常常无法达到要求。选用高档新型复相氮化物结合碳化硅制品,能够显著改善易损部位耐火材料寿命。经分析,虽然新材料成本较普通耐火材料偏高,但其使用寿命显著延长,在耐火材料服役的全生命周期之内,综合成本总体能够获得降低。
        参考文献:
        [1]徐国涛,盛军波,吕永劲,陈胜春,张洪雷,李华,刘黎.大型干熄焦炉斜道区破损调研及其结构与耐火材料的研究[J].耐火材料,2016,50(02):125-129.
        [2]徐国涛,盛军波,吕永劲,陈胜春,崔会明,张洪雷,刘黎.大型干熄焦炉冷却段用耐磨耐火材料的研制与应用[J].耐火材料,2016,50(01):48-50.
        [3]徐斌,任社安.不定形耐火材料在干熄焦炉中的应用与实践[J].工业炉,2015,37(06):67-69.
        [4]徐国涛,吕永劲,盛军波,张洪雷,刘黎.大型干熄焦炉冷却段耐火材料的破损分析及性能研究[J].耐火材料,2015,49(02):128-130.
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