Выбор и применение огнеупорных футеровок для реакторов, работающих с техническим углеродом
Реактор для производства технического углерода является ключевым элементом оборудования в процессе его получения. Он состоит из пяти основных частей: камеры сгорания, горловины, реакционной секции, закалочной секции и промежуточной секции. Повреждение футеровочного материала печи в основном вызвано воздействием высокотемпературного и высокоскоростного воздушного потока, химической эрозией, высокотемпературным плавлением и термическим ударом от колебаний температуры во время запуска и остановки. Огнеупорный футеровочный материал должен обладать следующими характеристиками:
- (1) Высокая огнеупорность, отсутствие размягчения или деформации при высоких температурах.
- (2) Отличная высокотемпературная объемная стабильность и стабильность в восстановительной атмосфере.
- (3) Высокая устойчивость к эрозии расплавленной золой.
- (4) Высокая высокотемпературная прочность, позволяющая противостоять воздействию высокоскоростного воздушного потока.
- (5) Хорошая термостойкость.
Огнеупорные материалы для реакторов с техническим углеродом
Современное состояние и тенденции развития огнеупорных материалов для реакторов с техническим углеродом. В настоящее время огнеупорные материалы для футеровки реакторов с техническим углеродом, как в стране, так и за рубежом, можно разделить на четыре основные категории: Al2O3, SiO2, Al2O3, Al2O3-Cr2O3 и ZrO2. Система Al2O3-SiO2 включает высокоглиноземистые, муллитовые и муллитово-корундовые продукты. Система Al2O3 состоит из корундовых продуктов. Система Al2O3-Cr2O3 включает хромокорундовые материалы с различным содержанием Cr2O3. Система ZrO2 включает хромокорундовые продукты, содержащие оксид циркония, и чистые оксиды циркония. Эти материалы могут быть формованными (например, обожженный кирпич, кирпич с химическим соединением) или неформованными (например, литой, трамбованный) изделиями. Также обсуждаются выбор, срок службы и свойства материалов для футеровки реакторов из технического углерода.
Корундово-муллитовые изделия
Корундово-муллитовые изделия изготавливаются с использованием белого корунда в виде гранул и оксида алюминия, глины и других совместно измельченных порошков в качестве матрицы, синтезируемых in situ в процессе высокотемпературного спекания для получения муллита. Эти изделия используются в качестве футеровки для реакторов из технического углерода, имеющих максимальную рабочую температуру 1700℃ и срок службы более 48 месяцев. Однако в восстановительных атмосферах эти изделия страдают от проблемы восстановления муллита реагентами, такими как H2, CO и C. При высоких температурах C или H2 разлагают муллит на корунд и SiO2. SiO2 либо уходит с технологическим газом, либо дополнительно восстанавливается до Si, образуя стеклообразную фазу внутри продукта, что приводит к пористой структуре материала или образованию стеклообразной фазы. В условиях интенсифицированных химических процессов и при высоких температурах термического разложения углеводородного сырья в высокоскоростном газовом потоке корундово-муллитовые продукты непригодны для выполнения комплексных функций, необходимых для футеровки реакторов.
Корундовые продукты
Использование корундовых продуктов в качестве футеровочных материалов в условиях высоких температур и высокой скорости потока жидкости в восстановительной атмосфере демонстрирует превосходную коррозионную стойкость и срок службы по сравнению с корундово-муллитовой футеровкой. Под воздействием H2 небольшое количество β-Al2O3 в корундовом материале восстанавливается Na2O и превращается в α-Al2O3, что приводит к перекристаллизации и росту кристаллов корунда, тем самым повышая прочность продукта при высоких температурах. Другие высокотемпературные свойства остаются в значительной степени неизменными. Поэтому высокочистые корундовые продукты пригодны для длительного использования в восстановительной атмосфере при температуре 1800-1850℃.
Высокочистые корундовые кирпичи используются в горловинах и реакционных секциях реакторов по производству технического углерода на нескольких заводах, и их срок службы почти вдвое превышает срок службы футеровочных смесей CA334.
Продукция серии Al2O3-Cr2O3
Огнеупорные материалы серии Al2O3-Cr2O3 представляют собой высококачественный новый тип огнеупорных материалов, разработанный с использованием высоких технологий. Они подходят для футеровки реакторов по производству технического углерода или других сверхвысокотемпературных тепловых устройств, работающих при температуре около 2000℃. Этот материал синтезируется при высоких температурах из Al2O3 и Cr2O3 и демонстрирует превосходные высокотемпературные механические свойства и стойкость к шлаковой коррозии по сравнению с чистыми корундовыми изделиями. Al₂O₃ и Cr₂O₃ образуют твердый раствор при высоких температурах, а температура появления жидкой фазы увеличивается с увеличением содержания Cr₂O₃. Таким образом, добавление Cr₂O₃ к Al₂O₃ улучшает только высокотемпературные механические свойства чистых корундовых изделий, не вызывая при этом негативных последствий.
Хромокорундовые кирпичи GGY-5 и GGY-12 показали хорошие результаты в горловине и реакционной секции реакторов для производства технического углерода, работающих при температуре около 2000℃, со сроком службы футеровки более 15 месяцев. Срок службы хромокорундовых литьевых смесей превышает 12 месяцев. В то же время, аналогичные продукты, после использования в газификаторах Texaco для производства синтетического аммиака, продемонстрировали хорошую работу печи и срок службы более 3 лет.
Огнеупорные материалы на основе ZrO2
В последние годы, для удовлетворения потребностей в усовершенствованных процессах производства технического углерода, были проведены исследования и разработки продуктов Al2O3-Cr2O3-ZrO2 и огнеупорных материалов на основе ZrO2. Огнеупорные материалы на основе ZrO2 представляют собой высококачественные огнеупорные материалы на основе ZrO2. ZrO2 имеет температуру плавления 2677℃, а его продукты обладают высокой температурой размягчения, высокой высокотемпературной прочностью, отличной стойкостью к шлаковой коррозии и высокотемпературной термодинамической стабильностью. Поэтому они широко используются в тепловом оборудовании, работающем при температурах выше 2000℃.
Системы Al2O3-Cr2O3 или системы Al2O3-Cr2O3 с добавлением небольшого количества ZrO2 используются в качестве футеровки реакторов. Добавление небольшого количества ZrO2 в систему Al2O3-Cr2O3 направлено на повышение устойчивости системы к термическому удару и химической коррозии, тем самым продлевая срок службы футеровочного материала печи. Футеровочные материалы для печей из Al2O3-Cr2O3-ZrO2 (включая фасонные и нефасонные материалы) могут иметь срок службы более 18 месяцев в горловине и реакционной секции реакторов для производства технического углерода.
Изделия на основе ZrO2, используемые в качестве футеровки высокотемпературных реакторов для производства технического углерода, являются новыми продуктами, исследованными, разработанными и применяемыми в последние годы. Кирпичи из чистого ZrO2 с CaO или MgO в качестве стабилизаторов были протестированы в качестве футеровок камеры сгорания, горловины, реакционной секции и секции охлаждения усовершенствованных реакторов для производства технического углерода. После использования было обнаружено, что эти изделия по-прежнему обладают низкой термостойкостью и проблемами эрозии, вызванными реакцией ZrO2 с C с образованием ZrC в восстановительной атмосфере при температуре около 1600℃. Для улучшения качества этих изделий и дальнейшего увеличения срока их службы в некоторые стабилизированные образцы ZrO2 были добавлены соответствующие добавки, и полученные кирпичи, обожженные при высоких температурах, значительно улучшили прочность на сжатие и термостойкость. При использовании в высокотемпературной и сверхвысокотемпературной восстановительной атмосфере реактора они предотвращали коррозию, вызванную реакцией ZrO2 с C с образованием ZrC при температуре около 1600℃.
В лабораторных условиях сравнивали и анализировали циркониевые кирпичи, стабилизированные CaO, с корундовыми кирпичами, хромокорундовыми кирпичами, корундово-муллитовыми кирпичами и высокохромистыми кирпичами. Результаты показали, что циркониевые кирпичи обладают наилучшей устойчивостью к высокотемпературной газовой эрозии, химической коррозии от частиц сажи и эрозии от примесей в рабочей среде. Удовлетворительные результаты были также достигнуты в реальных печных испытаниях в горловине и реакционной секции реактора для производства сажи на заводе по производству сажи. Однако цирконий относительно дорог, что делает его использование потенциально неэкономичным и сложным для внедрения, если нет особых требований.
Исходя из условий эксплуатации реакторов для производства технического углерода, включая рабочую температуру, рабочее давление, скорость потока газа, атмосферу и условия закалки, наиболее перспективные огнеупорные материалы для футеровки должны обладать высокой огнеупорностью, превосходными высокотемпературными механическими свойствами, хорошей устойчивостью к шлаковой эрозии и термическому удару, а также высокотемпературной термодинамической стабильностью. Лучшим выбором являются материалы на основе диоксида циркония, Al2O3-Cr2O3 и корунда; материалы на основе SiO2, MgO и CaO не подходят.
С появлением новых технологий в отрасли производства технического углерода постоянно развивается и производство огнеупорных материалов для футеровки реакторов. Низко- и среднесортные огнеупорные материалы, использовавшиеся на ранних этапах развития отрасли, постепенно заменяются современными, высококачественными и высокосортными продуктами. В настоящее время наиболее перспективными огнеупорными материалами для футеровки высокотемпературных, сверхвысокотемпературных и высоконапорных реакторов для производства технического углерода являются материалы с хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Термодинамически стабильные чистые Al2O3, Al2O3-Cr2O3 или Al2O3-Cr2O3-ZrO2, а также формованные и неформованные материалы на основе ZrO2, как показал практический опыт, обеспечивают наилучшие характеристики.
Фунтование реакторов для производства технического углерода Rongsheng
Проектирование огнеупорных материалов для футеровки реакторов для производства технического углерода должно основываться на условиях эксплуатации, с соответствующим выбором материалов. Для одного и того же реактора и одного и того же процесса в разных секциях следует использовать огнеупорные материалы, подходящие для соответствующих частей, применяя комплексную технологию футеровки печи для достижения наилучших технических и экономических результатов. Научный выбор огнеупорных материалов для футеровки реакторов для производства технического углерода, путем подбора огнеупорных кирпичей из соответствующих материалов для разных температурных зон, позволяет эффективно контролировать производственные затраты и обеспечивать долгосрочную стабильную работу футеровки печи, достигая сбалансированного соотношения между техническими характеристиками и экономическими выгодами.
