Выбор огнеупорных материалов для реактора сажи

Чтобы правильно выбрать огнеупорный кирпич для реактора сажи, необходимо прежде всего понять его конструкцию и рабочие условия.

Производство сажи, в особенности современный метод масляной печи, по своей сути представляет собой точно контролируемую химическую реакцию, протекающую в условиях экстремально высоких температур. Его ключевое оборудование — цилиндрический реактор — внутренне разделен на четыре функционально различных зоны: горения, дросселирования, реакции и закалки. Каждая из этих зон предъявляет уникальные и чрезвычайно строгие требования к футеровочным огнеупорам. Для обеспечения стабильности, эффективности и длительной работы производства глубокое понимание рабочих условий каждой зоны и подбор наиболее подходящих огнеупорных материалов являются ключевой технологией в сажевой промышленности.

Экстремальные условия работы сажевого реактора и проблемы для огнеупоров

Внутренняя среда сажевого реактора — это динамичная и сложная физико-химическая система. Начиная с зоны горения, температура резко возрастает, достигая пика в зоне дроссельного кольца, где также наблюдается максимальная скорость потока газа; в зоне реакции температура несколько снижается, поток стабилизируется, и здесь образуется сажа; наконец, в зоне закалки реакция резко прекращается путем распыления воды для быстрого охлаждения.

Этот процесс создает три основные проблемы для огнеупорных материалов:

1. Экстремально высокие температуры: В зависимости от производимого сорта сажи, рабочая температура может варьироваться от 1550°C до 2100°C и выше, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к температуре огнеупорности материалов.
2. Резкие тепловые удары: При смене марки сажи или регулировке положения зоны закалки температура в реакторе может резко колебаться, что легко приводит к растрескиванию и отслаиванию огнеупоров из-за термических напряжений.
3. Высокотемпературная эрозия и коррозия: Высокоскоростные высокотемпературные газовые потоки вызывают постоянную механическую эрозию и химическое воздействие на футеровку, особенно в таких областях, как дроссельное кольцо.

Следовательно, идеальный материал для футеровки сажевого реактора должен сочетать в себе высокую температуру огнеупорности, превосходную стабильность и устойчивость к термическому удару, высокую плотность, низкую пористость, а также выдающуюся стойкость к высокотемпературной коррозии/эрозии.

Стратегия зонального выбора огнеупорных материалов

Футеровка сажевого реактора, как правило, выполняется по схеме зональной кладки, где в зависимости от температуры и условий работы каждой зоны выбираются огнеупоры разного класса для достижения оптимального баланса между техническими характеристиками и экономической эффективностью.

Зоны низких температур (1550–1750°C): Обычно выбирают корундовый кирпич с содержанием Al₂O₃ более 90%, где связующей фазой является муллит. В зоне закачки иногда также используют высокочистый высокоглиноземистый кирпич с содержанием Al₂O₃ 60–70%.
Зоны высоких температур (1750–1925°C): Рабочая поверхность (горячая сторона) зоны горения обычно выбирается из материала 90% Al₂O₃ — 10% SiO₂. В то время как для дроссельного кольца и горячей стороны зоны реакции, где температуры самые высокие, а эрозия наиболее интенсивна, требуется применение чистого корундового кирпича с 99% Al₂O₃ или хромистого корундового кирпича 90% Al₂O₃ — 10% Cr₂O₃, где введение оксида хрома усиливает устойчивость к термическому удару.
Зоны сверхвысоких температур (>1925°C, даже 2000–2100°C): При производстве специальных марок сажи (например, сажи для шин с низким сопротивлением качению) традиционные материалы уже не справляются. Необходимо использовать сверхвысокотемпературные огнеупорные материалы, представленные системой Cr₂O₃-Al₂O₃ (например, 70% Cr₂O₃).