热回收焦炉集气管内衬材料的使用与发展

　　热回收焦炉是一种新型焦炉，由于其全负压操作、平接焦、废气燃烧、环境污染小、余热发电、配煤范围广、焦炭质量优等特点，受到了国内外广大炼焦用户的青睐。但是，由于它是一种全新的炉型，而且在我国起步比较晚，在设计和使用的过程中，不可避免地出现了一些问题和缺陷，如：选用何种材料作为焦炉集气管的内衬，曾经作为一个突出的问题摆在设计单位和焦化厂家技术人员面前。

　　1焦炉集气管内衬的工作环境及材料要求

　　热回收焦炉集气管是连接烟囱和焦炉的桥梁，是焦炉废气系统的重要部位。在生产过程中，煤饼在炭化室内隔绝空气的情况下，在高温时发生干馏，产生的荒煤气在焦炉炭化室及火道内燃烧后，生成的废气经上升道、上升管、桥管进入集气管，最后进入余热锅炉和烟囱。集气管的工作环境是比较恶劣的，它不但要长期在高温下工作，同时还要承受含有粉尘气体的高速冲刷；另外，煤饼在炭化室内从到从煤转化成焦的过程中，由于炭化室和火道内的温度随着焦炭的逐渐成熟而逐步下降，因此集气管内部温度是随着焦炉的温度变化而变化的；同时，由于生产时不断的推焦和加煤，也会造成集气管内局部产生高温和低温。据检测，集气管内温度大约一般在950℃——1250℃之间变化。由于工作环境恶劣，给集气管的内衬，特别是直接接触烟气的那层材料造成了一定程度的损害。

　　由于集气管在热回收焦炉所处的特殊位置、特殊的工作环境，因此，在设计时，应要求集气管内衬材料具有耐火度及荷重软化点高，导热系数低，抗热震性能好，抗“蠕”变性能优，隔热效果强等优点。否则，就有可能造成集气管内大量的热量散失，致使其内部烟气温度降低，减少了余热电厂的发电量；就有可能造成内衬在高温时发生变形、甚至造成顶面下沉、局部或者大面积坍塌，使集气管钢外壳局部或大面积的烧坏烧穿，致使焦炉漏气、漏火，焦炉内部的负压变成正压，直接影响了生产，也减少了电厂的发电量，同时还污染了环境，最后导致炼焦车间大修，给焦化厂家造成非常严重的损失。

　　2集气管内衬材料发展及比较

　　从2000年8月我国自行设计的第一座19孔热回收焦炉在山西侯马寰达实业公司投产，到2003年热回收焦炉在国内得到迅猛发展，以致后来走出国门，走进印度、巴西、越南、印尼、泰国、伊朗等国家，集气管内衬曾经使用过多种材料，经过多次试验，都没有取到很好的效果。经过积极探索，最后终于找到一种比较理想的材料组合结构形式。其发展历程如下：

　　2.1高铝砖+轻质粘土砖+石棉板组合结构

　　这种结构形式2002年在中冶集团鞍山焦耐院设计的山西侯马中化寰达实业有限公司的热回收焦炉集气管内衬中使用，2004年又在山西高平市三甲炼焦股份有限公司的热回收焦炉中使用，其内衬从内到外分四层，具体结构是：第一层是厚度为114mm的一级高铝砖(AI2O3≥65%)，第二层和第三层是114mm轻质粘土砖(比重为0.8)，第四层是10mm厚的石棉板。

　　这种结构的优点在于内衬强度高，稳定性能好；但是它有明显的缺点：1、内衬重量大，对焦炉集气管钢外壳和炉体及焦炉基础压力大；2、由于所选用的材料导热系数高，隔热效果差，集气管道内大量的热量散失，最后进入余热锅炉内部的废烟气温度降低，直接的后果是减少了电厂的发电量；同时由于集气管钢外壳长期承受高温，对它也有一定的损害；3、由于结构复杂，内衬的层数多，造成施工困难；另外由于高铝砖的强度高，特别是集气管三通、四通及弯头的地方，由于加工量大，浪费的材料多，增加了施工成本和材料成本，也延长了施工工期。由于以上诸多缺点，这种结构在后来的热回收焦炉设计中并没有得到焦化生产厂家的赞同，所以也没有得到大面积应用。

　　2.2轻质粘土浇注料+无石棉硅酸钙板组合结构

　　这种结构形式2003年在山西化工设计院设计的山西汾阳文峰焦化有限公司热回收焦炉集气管内衬中使用，后又在山西介休市路鑫煤炭气化有限公司热回收焦炉集气管中使用。具体结构是：从内到外分别是一层150mm厚轻质粘土浇注料（比重为1.2）和一层80mm厚的硅钙板，浇注料内部附有锚固件（锚固件一般为1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti）与钢板壁联结成为一体。因为浇注料是大面积连成一个整体，同时集气管内部的温度随着焦炉炭化室的温度变化而不断发生变化，由于这个原因，浇注料不断地产生膨胀和收缩。而且集气管内部温度也不均匀，造成浇注料的膨胀和收缩也不均匀，这时候浇注料就比较容易产生裂缝，废气通过裂缝进入到浇注料内层，随着时间的推移，浇注料内部的裂缝不断加长加大，然后浇注料局部甚至是大面积脱落，最后将硅钙板甚至是管道钢外壳烧坏。由于冷空气从烧坏处被吸入到集气管内部，造成焦炉吸力减小，焦炉炭化室经常产生正压，既影响了生产，又污染了环境。因此这种结构形式没有得到设计单位和焦化厂家的赞同，也就没有得到推广使用。

　　2.3无石棉硅酸钙板+聚轻高铝砖组合结构

　　（1）聚轻高铝砖主要技术参数

　　（2）无石棉硅酸钙板主要技术参数

　　2003年5月，经焦化厂家和设计院及施工单位的讨论研究，这种结构形式第一次在山西高平市兴高焦化有限公司得到使用。具体结构是：从内到外分别是一层150mm厚的聚轻高铝砖和一层80mm厚的硅钙板。后经生产检验，这种结构形式基本能够满足生产要求。尽管如此，由于硅酸钙板在高温时容易产生龟裂，随着时间的推移，硅钙板全部由一块块整体大块变成了大小不等的小块状甚至颗粒状，造成整体隔热效果差；虽然聚轻高铝砖耐火度和荷重软化点基本能够满足热回收焦炉集气管的使用条件，但是其抗“蠕”变性能和抗剥落性能不是很好，会影响到内衬的使用寿命；同时其隔热的效果并不是很好，两种材料结合在一起，造成集气管内大量的热量散失到空气中，不但造成了热量的浪费，同时也损坏了集气管钢外壳。因此这种形式仅在国内的山西高平市兴高焦化有限公司、山东临沂市金兴焦化有限公司及山西省太谷县中煤京达焦化有限公司等少数几家使用，并没有被广大焦化厂家接受。

　　2.4含锆陶瓷纤维模块+陶瓷纤维毯组合结构

　　这种结构形式从2004年开始在辽宁盛盟焦化有限公司、山东日照焦电有限公司等国内外十几家焦化厂得到应用，其特征是在集气管的内壁从外到内依次设置有一层50mm厚的陶瓷纤维毯层和由一层170mm厚的陶瓷纤维制成的隔热模块,隔热模块和纤维毯层构成平铺叠砌复合衬里结构,隔热模块之间可设置纤维毯压缩补偿模块,隔热模块和纤维毯经锚固件（锚固件一般为1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti）与钢板壁联结成为一体。

　　含锆陶瓷纤维模块的主要技术指标如下：

　　耐火度:1400℃;

　　加热永久线变化：1350℃×24h≤-3；

　　导热系数：0.052-0.070W/m·k;

　　体积密度：200——220kg/m3

　　陶瓷纤维模块制品作为内衬的优点：

　　（1）陶瓷纤维模块制品导热系数小，热容低，使集气管外壁温度降低，减少了热量损失，改善了操作环境；

　　(2)陶瓷纤维模块体积密度小，可大大降低内衬重量，减少对焦炉炉柱及焦炉基础的压力；

　　(3)施工简便。陶瓷纤维模块膨胀系数小，施工时可以不用考虑留设膨胀缝；又因为它的强度小，方便加工。

　　(4)施工周期短，集气管道安装前就可以将内衬全部施工好，缩短了施工周期。

　　陶瓷纤维模块用作内衬缺点：

　　国内外许多使用这种材料作为热回收焦炉集气管内衬的焦化厂家，在投产半年后就出现了集气管顶面局部脱落或大面积脱落，造成集气管道钢外壳局部或大面积烧红甚至烧坏烧穿，集气管和焦炉炭化室及燃烧火道压力和吸力变小，炭化室和炉顶经常出现正压，焦炉出现冒烟和跑火现象，直接影响了焦炉和余热锅炉的正常生产，降低了焦炭的质量和产量，减少了电厂的发电量，同时也加大了环境污染。经有关专家分析，认为造成这种结果的主要原因如下：

　　(1)首要原因是陶瓷纤维模块在高温时收缩率大，一旦在高温时模块发生收缩，模块内部产生缝隙，烟气进入模块内部；

　　（2）锚固件和集气管内皮焊点处腐蚀脱落；

　　（3）锚固件和高温烟气发生接触，造成锚固件炭化变粗，不再承重；

　　（4）集气管内部的温度在变化，模块的膨胀和收缩也一直在变化，破坏了陶瓷纤维模块的整体性。

　　（5）陶瓷纤维模块强度差，高速气流对模块表面的冲刷和腐蚀作用，造成折叠快表面出现了坑坑洼洼不平现象，加大了废气的阻力，也容易使模块表面剥落。

　　由于出现了严重的质量问题，到2007年的时候这种结构形式基本不再用作热回收焦炉集气管内衬，原来已经使用的十几家焦化厂家现已基本改造完毕。

　　2.5陶瓷纤维板+抗渗碳轻质莫来石砖组合结构

　　这种结构形式的具体布局如下：

　　集气管道从内到外分别是：一层170mm抗渗碳轻质莫来石砖(比重为1.0)，砖与砖的接触面是四面咬合口，均承凹凸形式（即砖舌和砖槽的形式），然后是两层40mm的陶瓷纤维板（也有焦化厂家将下半部分的两层40mm厚的陶瓷纤维板改成80mm厚的抗渗碳轻质莫来石砖，比重为0.6-0.8）。

　　各种材料主要理化指标如下：

　　（1）抗渗碳莫来石砖主要理化指标

　　（2）陶瓷纤维制品及配套高温胶泥主要理化指标

　　这种结构优点如下：

　　（1）抗渗碳轻质莫来石砖强度高，抗热震性能好，抗“蠕”变性能优，在高温时内衬整体性及密封性好；

　　（2）陶瓷纤维板在高温时不会发生龟裂，各种性能优于无石棉硅酸钙板。

　　（3）材料导热序数低，隔热效果好，保温性能强，外表热量散失少；

　　（4）使用寿命长，维修次数少，为生产厂家节约了生产成本。

　　其缺点如下：

　　（1）一次性投入成本比较高；

　　（2）施工质量要求较高，施工难度较大，施工工期较长。

　　3结语

　　经过近几年生产实践证明，陶瓷纤维板+抗渗碳轻质莫来石砖这种组合结构形式是现阶段热回收焦炉集气管内衬的一种最好的结构组合，它的优点明显大于缺点，目前国内外热回收焦炉厂家集气管内衬基本都选用这种结构形式。自2006年这种结构第一次用作热回收焦炉集气管内衬以来，没有出现任何问题，使用效果令焦化厂家非常满意。许多原来使用陶瓷纤维模块，浇注料+硅钙板的焦化厂家经过技术改造，也使用这种结构，而且改造后使用至今没有出现以前曾经出现过的问题，同时节能效果非常明显，经检测集气管外壁温度均≤80℃（不含环境温度），焦炉结焦周期平均缩短4-6小时，发电量也增加了60度/吨焦炭（冶金焦生产厂家）。经过技术改造，焦化厂家经济效益和社会效益得到了显著的提高。

　　目前，这种组合结构形式得到了广大热回收焦化生产厂家的认可和赞同，彻底解决了困扰设计单位和焦化厂家多年的大难题，使我国热回收焦炉的设计和生产技术日臻成熟，给国内外焦化厂家提供了名符其实的清洁、节能、环保的焦炉，在生产和环保方面又上了一个新的台阶。