空冷气流床气化炉高铬耐火衬里与熔渣反应机理的基础研究

空冷气流床气化技术因具有较大的煤种与粒度适应性(可选择煤和石油焦等作为碳源)以及较高的碳转化效率等技术优越性，被认为是煤炭洁净高效利用最重要技术之一。目前，空冷气流床气化炉高铬耐火衬里的寿命问题被认为是影响气化炉连续、高效运行的关键问题之一，而熔渣对耐火衬里的侵蚀则被认为是影响耐火衬里寿命的主要原因。本项目拟对高铬耐火衬里与不同碳源所形成熔渣的反应机理进行研究，并对耐火衬里显微结构、熔渣热物理性能等因素对耐火衬里侵蚀性能的影响进行研究，建立起描述耐火衬里的侵蚀性能与熔渣黏度以及耐火衬里在熔渣中溶解驱动力的模型。在此基础上提出抑制熔渣对耐火衬里侵蚀的方案。

针对项目提出的研究目标及研究内容，结合不同碳源所形成熔渣组分的变化，首先采用分子动力学模拟手段研究了一系列不同碳源形成渣系基础成分CaO-SiO2-Al2O3三元熔渣体系的结构，研究结果表明在CaO摩尔分数不变的前提下，Al2O3对SiO2的替代可使体系的聚合度增加。非桥氧倾向于与Si连接，而Al主要充当网络中间体的角色。计算了不同组分下的键长和键角,表明键长分布和键角分布是互相关联的，键角分布随体系成分的不同略有变化。在上述研究的基础上，系统地测试和分析了CaO-SiO2-Al2O3-MgO体系的黏度变化规律，并采用FT-IR和XPS实验测试了熔体的基团结构。结果表明，随着氧化铝/氧化硅比例的增加，熔体的黏度降低。这些基于熔体性能的研究，为研究熔渣与材料的反应及研究其侵蚀机理奠定了基础。. 在上述熔渣热物理性能及结构研究的基础上，系统研究了不同煤系来源形成熔渣与耐火材料的反应原理，研究结果表明在低氧化铁或者没有氧化铁的熔渣中，反应过程中，熔渣与耐火材料之间没有形成反应层，耐火材料在熔渣中的溶解曲线表明，熔渣中的基团的扩散反应是控速环节。当温度为1400度时,氧化铝在所研究的三种熔渣中的全溶解时间分别为3150, 1440及 944秒，全溶解时间与驱动力和黏度成一定比例关系。溶解动力学表明，氧化铝在熔渣中经历了以下过程，首先，氧化铝在熔渣中有一个快速沉降的过程，紧接着沉降速率变慢。进一步的研究表明，沉降速率依赖于黏度和界面能。在上述研究的基础上建立了氧化铝材料在熔渣体系中溶解驱动力与黏度之间的定量关系,表明溶解与驱动力成正比,与黏度成反比关系，在此基础上,建立了熔渣对材料侵蚀的动力学模型。 . 针对气化炉高温高压还原气氛的特点，项目提出了采用氮氧化物耐火材料替代部分氧化铬的构想，在热力学分析的基础上，烧结温度为1800℃氧分压控制在1×10-5到1×10-8 大气压范围内，合成了氮氧化物耐火材料。在此基础上，系统地研究了所合成的氮氧化物材料与熔渣之间的反应。结果表明材料的抗渣侵蚀是一个复杂的过程。对侵蚀后的材料进行分析表明，侵蚀过程中有一层产物层生成。对材料的侵蚀试验表明，材料半径的侵蚀与时间开平方成线性关系，这表明离子通过产物层的扩散是控速环节。渣中FeO的加入明显增加了渣的侵蚀速率，这主要是因为FeO对材料的氧化以及FeO降低了渣的黏度。