一种水煤浆气化炉剖析

刘志栋

（惠生工程（中国）有限公司天津分公司，天津300192）

引言

我国目前的能源特点是富煤、贫油、少气。煤炭在一次能源中占比70%以上，煤。煤气化产生的合成气可以用于生产多种有机化工基础原料，通常可用于生产合成氨、甲醇、乙醇、乙二醇、城市煤气、醋酸等。

在当今的煤气化技术上，采用的炉型主要的国内炉型有：HT-L 粉煤加压气化（航天炉）、水煤浆水冷壁煤气化炉（晋华炉）、宁煤炉、华理多喷嘴对置水煤浆炉、五环炉等炉型；国外炉型主要有：GL 熔渣煤气化炉（英国燃气公司）、壳牌（SHELL）粉煤气化炉、GSP 干煤粉气化炉（西门子公司）、B 鲁奇（LURGI）煤气化、GE（原德士古TEXACO）水煤浆炉等。对于整套生产装置气化是源头，是生产装置的核心，气化炉运行的稳定运行直接影响到整套生产装置生产效率。

1 煤气化技术简介

气化技术，是以煤原料在一定的温度和压力下与水和氧气反应生成CO 和H2的过程，主要化学反应有：

气化反应在很短的时间内完成，主要生成后期生产需要的CO 和H2，以及副产物CO2和H2O，还有少量H2S、CH4、COS 以及微量的HCOOH、NH3等，生产上统称为气化气。

2 GE煤气化技术反应过程

GE 气化炉以水煤浆为原料，气化剂为氧气。水煤浆在炉膛反应室气化后形成粗合成气，粗合成气通过下降管直接向下，从下降管水面以下排出。进入气化炉的激冷室。为了防止下降管过热，下降管内侧顶部设置激冷环，激冷环形成一层水膜来保护下降管，在下降管的底部，成气与激冷水混合并被冷却。下降管与上升管之间设置环隙，合成气与激冷水的两相混合物通过环隙通道向上流动。同时在上升管的顶部，安装有挡板用以分离气体夹带的水份，粗合成气由急冷气体出口进入下一个流程，出急冷室的合成气温度约257℃。

3 GE煤气化炉结构特点及各项性能[1]

3.1 工艺操作参数

气化炉炉膛由耐火砖砌筑而成，耐火材料能够耐受1540℃左右高温，生产时气化反应温度约为1400℃。为了控制炉体表面温度气化炉壳体设有壁温监测系统，炉子壁温控制在345～370℃，气化炉外壁温度不能低于200℃,以避免内壁结露造成露点腐蚀。气化室内温度通过壳体外表面安装的热电偶来测量。因气化过程生成少量的H2S 气体，设计过程中应注意湿H2S 的腐蚀。

3.2 GE加压水煤浆气化优缺点

GE加压水煤浆气化先进性有：

1）水煤浆的流动性较好，可以利用水煤浆泵输送，输送较为容易，提高生产效率；

2）水煤浆气化具有较低的灰熔点、较好的稳定性等特点；

3）GE加压水煤浆气化炉内结构简单，无机械传动装置，操作弹性大，可靠程度高；

4）GE加压水煤浆气化炉单位体积产气量大，生成的粗煤气质量好，粗煤气中80%左右为产品气（C0+H2），一般可96～97%的碳转化率。

5）全过程产生的污染物较少，无焦油产生，工艺先进、可靠。

GE加压水煤浆气化工艺不足之处为：

1）因为每2 个月需要更换一次烧嘴，为了保证停炉更换烧嘴时连续生产的负荷需要设置备炉，建设投资较大。

2）气化温度不宜过高，气化温度维持1400℃左右，温度提升会影响气化炉耐火砖使用寿命

3）生产运行成本较高，主要来源于更换耐火砖。

4 GE 炉结构特点

气化炉是一个有耐火材料衬里的反应设备。总体上由气化炉壳体、气化炉内件、隔热耐火衬里、气化烧嘴组成。

4.1 壳体材料

GE 气化炉使用过程中存在大量氢气，为了按Nelson 曲线进行选择合适的材料以防氢腐蚀。

气化炉燃烧室壳体内壁耐火料与气相空间接触，根据工艺操作参数分析，氢分压约1.7MPa，温度425℃，选用SA387 Grll CL2（1.25Cr—0.5Mo）材料较为合适，取腐蚀余量大于6mm；

急冷室为气液相空间，壳体材料采用SA387 Grll CL2+316L 复合板结构，主要是防止合成气净化后形成的酸性介质腐蚀，腐蚀余量取大于1.5mm。

4.2 气化炉内件

气化炉内件主要有上升管、下降管、急冷环等以及相应的支撑结构等。

粗合成气从气化炉反应室出来，通过下降管内侧顶部设置激冷环向下进入激冷室，下降管在水面以下排出合成气。为防止下降管过热，下降管内侧顶部设置激冷环形成一层水膜来保护。合成气在下降管的底部与激冷水混合直接被冷却，同时通过下降管与上升管之间的环隙向上流动，由出口流入下一个工段。激冷环的作用就是使激冷水沿下降管均匀的分布在急冷室内，工艺气从1400℃左右冷却到约250℃。

激冷环及下降管选用耐高温、耐应力腐蚀的镍基合金Incoloy825 材料,主要是为了耐受激冷环外工艺气和熔融灰渣的侵蚀和冲蚀。同时环外是高温大约1400℃，材料必须具有良好的耐应力腐蚀破坏性能以及对氧化性和非氧化性腐蚀都有非常高的耐蚀性。激冷环和下降管由于使用条件非常苛刻，极易损坏，每台气化炉至少需要设置1 套备件以备检修使用。

4.3 气化炉烧嘴

气化炉烧嘴是气化炉核实部件之一，目前气化炉普遍采用的烧嘴有2 通道、3 通道及4 通道等不同型式。GE 水煤浆气化炉烧嘴采用的是3 通道气化烧嘴，内部通道为一次氧气通道，中间通道为水煤浆通道，外部通道为二次氧气通道，烧嘴头的外部设置水冷盘以进行冷却保护。

烧嘴头承受着高温高压及高速气流的冲刷，烧嘴的整体使用寿命一般不超过2 个月。

5 影响气化炉使用寿命的因素

5.1 化学腐蚀

由于气化炉的原料为水煤浆，因此含有一定量的重金属及灰分等杂质，这些杂质对耐火砖的危害很大。CaO、SiO2及Na2O 能与砖内的A12O3反应生成低熔点的玻璃体，降低了耐火砖的高温强度；Ni 与S、Fe 反应能生成共聚物，这些共聚物渗透到砖的气孔中，如果与氧气接触，体积将会增大，会造成耐火砖出现裂纹，甚至脱落。

5.2 炉内的高压、高温以及高速气流冲刷

如果烧嘴中心线与壳体中心线存在偏差，火焰会烧到耐火砖上，将砖壁上的保护熔渣冲刷下来，同时水煤浆与氧气经过加压进入气化室，流速较快，加剧了耐火砖的破损。

6 小结

煤气化技术是高效、清洁的利用煤炭的技术之一。主要应用于碳一化工合成、IGCC 技术、燃料电池、煤炭直接/间接液化等高新能源煤利用技术，是一种先导性技术和核心技术。气化工艺的开发主要集中在节能降耗、清洁利用，提高气化效率、提高碳转化上。主要手段是提高气化压力、扩大煤种适应性、提高单炉气化能力。

从当前国内外的趋势看，煤气化的发展方向主要集中在加压、提温、适应多种煤种、易净化、低污染、大型化。

目前国外技术看，加压固定床气化炉、加压流化床气化炉和加压气流床气化炉等加压气化炉型具有明显的优势。三类气化炉各有特点，虽然德士古气化炉存在烧嘴头及耐火衬里易烧损；生产运行周期不长等缺陷，但是其处理量较大，生产能力较高，其操作压力高，节省后期的合成气压缩机功耗。不能否认产业化程度以德士古(Texaco)、鲁奇(Lurgi) 最为成熟，Texaco 气化炉的日处理量已在不断扩大。

随着各个行业的装置规模不断扩大，相信GE(德士古TEXACO)随着气化炉技术的不断提高，将会研制出新一代的气化炉。开启煤气化3.0 时代。