石油、化工行業(yè)熱工爐用哪些耐火材料
化工和石油工業(yè)是耐火材料應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。由于熱工爐窯多,操作條件復(fù)雜,所以,需要選擇各種不同類型耐火材料以適應(yīng)各自特殊的應(yīng)用條件。
在此,選擇其中較為突出的特殊應(yīng)用的例子作些簡單說明。
(1)炭黑燃油爐用耐火材料。在生產(chǎn)炭黑的工藝中,為了提高生產(chǎn)效率和反應(yīng)程度,必須提高反應(yīng)溫度,所以,需要具有高耐火性能的耐火材料才能與之相適應(yīng)。又如,要生產(chǎn)硬質(zhì)炭黑,也必須提高反應(yīng)溫度,特別是生產(chǎn)長壽命、滾動磨損小的輪胎則需要更硬的炭黑,其反應(yīng)溫度達到2000-2100℃,這就要求更耐火的耐火材料與之相適應(yīng)。
(2)渣化煤氣化裝置。眾所周知,煤氣工業(yè)廣泛應(yīng)用耐火材料。氣化設(shè)備內(nèi)襯耐火材料使用條件極為嚴酷,操作溫度和壓力高,氣化爐渣屬于侵蝕力極強的酸性渣,對耐火材料具有極強的侵蝕能力。同時,還有出現(xiàn)高度侵蝕性氣體的情況。選用高耐酸性爐渣侵蝕的耐火材料才能獲得高壽命。
(3)石油裂化器。在石油精煉工藝中,催化裂化器內(nèi)的操作條件屬于最苛刻的操作條件之一,工藝條件包括高溫和高壓。催化裂化器襯用耐火材料需要具備較高的耐磨性和較低的熱傳導(dǎo)率這樣兩個相互矛盾的性能。因為高耐磨性一般需要高密度,而低熱傳導(dǎo)率一般需要較低的密度,因此,需要介紹一下具備這兩個性能的材料及其有關(guān)的問題。
本文主要對上述石化工業(yè)中的炭黑反應(yīng)器用耐火材料進行討論和分析,為相關(guān)耐火材料的開發(fā)和應(yīng)用提供依據(jù)。
炭黑反應(yīng)器用耐火材料
炭黑主要是元素碳熔融或結(jié)合的近似球狀顆粒的聚集體。當今主要采用油爐工藝進行生產(chǎn),生產(chǎn)出不同品種和不同粒度的炭黑。
炭黑生產(chǎn)工藝簡況
炭黑的生產(chǎn)大部分采用燃油爐。通常,燃油爐工藝采用一種類似很大的燃油器的圓筒形反應(yīng)器,由4個帶(或室)組成,即燃燒帶(室)、節(jié)流環(huán)(室)、反應(yīng)帶(室)和急冷帶(室)。
在燃燒帶增加的預(yù)熱空氣和燃燒的原料提供生產(chǎn)過程所需要的高溫,同時亦為原料進入反應(yīng)帶的通道起點。
節(jié)流環(huán)將燃燒帶和反應(yīng)帶分離,同時提高進入反應(yīng)帶的氣體速度。
反應(yīng)帶形成炭黑,并通過溫度、氣體速度和隨著原料引入的不同“種子”材料而控制炭黑的顆粒大小、形狀和硬度。急冷帶通過噴水使溫度急劇下降,從而結(jié)束爐內(nèi)反應(yīng)。
操作溫度在反應(yīng)器全部反應(yīng)過程中變化不定。加溫操作從燃燒帶的前端開始,向著節(jié)流環(huán)溫度越來越髙。在節(jié)流環(huán)處溫度最高,速度最快。在反應(yīng)帶,溫度稍有下降,速度變得相當緩慢,通過沿著冷卻帶不同位置噴射冷卻水來改變反應(yīng)時間的長短,即通過急速噴水來降低溫度。
此外,當生產(chǎn)炭黑的品種改變時,通常會發(fā)生溫度的劇烈波動,當冷卻帶的位置改變時,也會引起溫度的急劇變化,這種溫度劇變都會引起耐火材料剝落損毀。
炭黑顆粒的大小受爐子尺寸、結(jié)構(gòu)、溫度和冷卻前在反應(yīng)帶停留的時間長短的限制,而操作溫度和第一次噴水的位置則取決于炭黑的等級。
炭黑反應(yīng)器用耐火材料的選擇
最理想的炭黑反應(yīng)器內(nèi)襯耐火材料應(yīng)具有耐火度高、抗熱震穩(wěn)定性好、密度大、氣孔率低和抗高溫腐蝕/侵蝕性強等優(yōu)點。
大多數(shù)炭黑反應(yīng)器內(nèi)襯采用Al2O3-SiO2質(zhì)耐火材料砌筑,其中靠內(nèi)襯則采用高鋁質(zhì)耐火材料或者黏土質(zhì)耐火材料砌筑。操作溫度范圍不同時需要選用不同檔次的耐火材料筑襯。
在低溫(1550?1750℃)范圍內(nèi)操作的反應(yīng)器內(nèi)襯,一般選用莫來石結(jié)合Al2O3(含量大于90%)的剛玉磚砌筑。有時在冷卻帶則選用高純度的(Al2O3含量為60%~70%)高鋁磚砌筑。
在高溫(1750~1925℃)范圍內(nèi)操作的反應(yīng)器內(nèi)襯,通常都進行分區(qū)砌筑,在燃燒帶的熱面,一般選用90%Al2O3-10%SiO2的耐火材料筑襯;在高溫節(jié)流環(huán)和反應(yīng)器熱面,則選用99%A12O3的剛玉磚和具有良好的抗熱震性能的90%Al2O3-10%Cr2O3磚砌筑。
在超高溫(大于1925℃,即2000-2100℃)范圍,則選用Cr2O3-Al2O3(70%Cr2O3)磚砌筑。
1、SiO2-Al2O3質(zhì)耐火材料
在SiO2-Al2O3系耐火材料中,當w(Al2O3)>90%時,被稱為剛玉質(zhì)耐火材料。
當使用純凈SiO2和Al2O3材料生產(chǎn)剛玉質(zhì)耐火材料時,其液相出現(xiàn)的溫度為1840℃,如圖5-1所示。
采用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)的剛玉質(zhì)耐火材料,其物理性能和使用性能并不能達到非常理想的程度,其抗熱震性都較差。現(xiàn)在通過使用純凈原料和原位形成的結(jié)合技術(shù)等,剛玉質(zhì)耐火材料的物理性能和使用性能有了長足的進步,品種不斷增加。其中,原位莫來石結(jié)合90%Al2O3的剛玉磚和特殊Al2O3結(jié)合94%Al2O3,甚至98%Al2O3的剛玉磚都先后開發(fā)出來了。
這些特殊剛玉耐火制品比同材質(zhì)的傳統(tǒng)剛玉耐火制品的氣孔率更低,密度更高,強度更大,尤其是抗熱震性非常突出。50mm*50mm*76mm樣品在1200℃保溫lOmin、水冷2min,空氣中放置干燥8min為一循環(huán)在40次以上(見表5-1),而傳統(tǒng)制品僅為2~7次,即使是傳統(tǒng)莫來石剛玉制品也只有10~15次。
特殊莫來石結(jié)合剛玉磚主要用于低溫炭黑反應(yīng)爐中,或者用于高溫炭黑反應(yīng)爐的冷卻帶。實際使用結(jié)果表明,在燃燒和限制帶使用時,特殊莫來石結(jié)合90%A12O3的剛玉磚的使用壽命比同材質(zhì)傳統(tǒng)莫來石-剛玉磚高50%~200%,大大延長了爐子的使用壽命。特殊A12O3結(jié)合剛玉磚(95%~98%Al2O3),王要用于炭黑反應(yīng)爐中使用條件苛刻的反應(yīng)帶,其使用溫度極限可達2000℃。
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