現代大型煤化工中普遍應用的水煤漿進料液態排渣氣流床氣化爐，根據氣化爐隔熱襯里的不同分為水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐。水冷壁氣化爐以廢鍋流程為主，耐火磚氣化爐幾乎均為水激冷流程。本系列將從不同方面對水冷壁氣化爐與耐火磚氣化爐進行對比。
煤炭分級利用提質后產生大量的半焦和焦炭，這些半焦和焦炭揮發分較低一般為7%～12%，反應活性較差，灰分和原煤有關，灰熔點和原煤相同。
對于耐火磚氣化爐，焦炭氣化一直是水煤漿氣化的一個禁區，主要原因是焦炭的揮發分較低。耐火磚氣化爐采用蓄熱式點火，氣化爐必須先用預熱燒嘴將爐溫升至800℃以上，然后更換為工藝燒嘴投煤漿，水煤漿進入氣化爐后，首先脫水分和揮發分，利用耐火磚的蓄熱將揮發分點燃，然后將煤點燃，所以耐火磚氣化爐要求原料的揮發分大于20%。
此外，由于焦炭的反應活性較差，為了保證焦炭的充分反應需要提高氣化溫度，這將導致耐火磚氣化爐的耐火磚襯里使用壽命降低。
水冷壁氣化爐采用一個組合燒嘴進行點火/升溫/投料操作，先用燃料氣將氣化爐爐溫升至800℃，然后在常壓下直接投煤漿，燃料氣和煤漿、氧氣一起從燒嘴口噴出，利用燃料氣放出的熱量直接將煤點燃，所以可以使用焦炭氣化。
而且對于反應活性較差的半焦和焦炭，水冷壁氣化爐可以容許較小的渣口尺寸，從而減少因直接從渣口流出而未來得及完全反應的碳顆粒數量，而且渣口附近的回流區強化了碳顆粒的返混，增大了固體顆粒的停留時間，從而保證了半焦和焦炭氣化的碳轉化率。
因此，水冷壁氣化爐更適用于揮發分含量低、反應活性差的半焦和焦炭氣化。
石油焦是石油焦化裂解之后提煉的副產品。在石油裂化和裂解過程中，大部分的氫和氧被轉化到氣體和液體產物中，使得石油焦具有很高的含碳量，其熱值也很高，可達34MJ/kg以上。但是由于石油焦主要由長鏈脂肪烴縮聚物和稠環芳烴縮聚物構成，揮發分含量較低，而且石油焦孔隙結構很不發達，造成其氣化活性很低。石油焦灰分含量一般低于0.5%，遠低于煙煤的灰分含量7%以上。而且石油焦灰分中Ni、V等重金屬元素含量高，從幾百到幾千μg/g不等，使石油焦灰熔點可達1500℃以上。石油焦顆粒表面具有很強的疏水性，石油焦配水制成水焦漿的濃度可以很高，一般可以達到60%以上，最高甚至可達70%。
對于需要液態排渣的耐火磚氣化爐，由于石油焦的灰熔點已經大大超過耐火磚的使用溫度范圍，因而耐火磚氣化爐無法直接氣化石油焦原料。此外，石油焦灰分中的微量元素特別是V元素對耐火磚產生很強的侵蝕作用。研究表明，石油焦液相熔渣中V元素以VOx的形式在熔渣和耐火磚的相互作用面沉積，并與耐火材料表面Cr層發生化學反應，造成耐火材料表面發生化學散裂。由于石油焦的氣化活性很低，難以在氣化爐內完全反應，造成碳轉化率降低，而且由于吸熱的碳的氣化反應因活性低而推遲了，導致氣化爐內產生了局部的高溫區域，同時由于石油焦灰分太低導致耐火磚表面渣層太薄，因而很容易發生爐壁超溫。
對于耐火磚氣化爐，一般需要將石油焦和煤混配后才能氣化，但是必須嚴格控制操作溫度的石油焦摻混比例，一般石油焦摻混比例不能超過30%。在高比例摻燒石油焦時常常出現碳轉化率低、氣化爐壁超溫等問題。
對于水冷壁氣化爐，水冷壁上形成向火側液態、背火側固態的穩定渣層。由于高熱阻的渣層對水冷壁起到保護作用，使氣化溫度可以達到很高，而且不會受到氣化爐內高溫區域變化的影響，可以直接氣化高灰熔點的石油焦原料。而且由于固態渣層的隔離保護，水冷壁完全不受熔渣的物理侵蝕和化學侵蝕，不會受到石油焦中V元素的侵蝕作用。
對于石油焦活性很低的情況，水冷壁氣化爐可以容許較小的渣口尺寸，從而減少因直接從渣口流出而未來得及完全反應的碳顆粒數量，而且渣口附近的回流區強化了碳顆粒的返混，增大了固體顆粒的停留時間，從而保證了石油焦氣化的碳轉化率。
對于石油焦灰分含量低的情況，可以通過將沉降槽底部的細灰返回氣化爐的方式來增加原料的灰含量，從而為水冷壁穩定掛渣提供足夠的灰源。而且細灰循環也增加了碳在氣化爐內的停留時間，從而增加總的碳轉化率。
從以上來看，水冷壁氣化爐具有高比例摻燒石油焦的能力，當采用細灰循環時水冷壁氣化爐甚至可以氣化100%石油焦原料。
作者簡介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生學歷，高級工程師，2015年畢業于清華大學熱能工程系，主要從事煤氣化和煤炭清潔高效利用技術研究和開發工作。
撰稿 | 管清亮
編輯 | 李瑞丹
審核 | 岳 軍
