一種水煤漿氣化爐剖析

劉志棟

（惠生工程（中國）有限公司天津分公司，天津300192）

引言

我國目前的能源特點是富煤、貧油、少氣。煤炭在一次能源中占比70%以上，煤。煤氣化產生的合成氣可以用于生產多種有機化工基礎原料，通常可用于生產合成氨、甲醇、乙醇、乙二醇、城市煤氣、醋酸等。

在當今的煤氣化技術上，采用的爐型主要的國內爐型有：HT-L 粉煤加壓氣化（航天爐）、水煤漿水冷壁煤氣化爐（晉華爐）、寧煤爐、華理多噴嘴對置水煤漿爐、五環爐等爐型；國外爐型主要有：GL 熔渣煤氣化爐（英國燃氣公司）、殼牌（SHELL）粉煤氣化爐、GSP 干煤粉氣化爐（西門子公司）、B 魯奇（LURGI）煤氣化、GE（原德士古TEXACO）水煤漿爐等。對于整套生產裝置氣化是源頭，是生產裝置的核心，氣化爐運行的穩定運行直接影響到整套生產裝置生產效率。

1 煤氣化技術簡介

氣化技術，是以煤原料在一定的溫度和壓力下與水和氧氣反應生成CO 和H2的過程，主要化學反應有：

氣化反應在很短的時間內完成，主要生成后期生產需要的CO 和H2，以及副產物CO2和H2O，還有少量H2S、CH4、COS 以及微量的HCOOH、NH3等，生產上統稱為氣化氣。

2 GE煤氣化技術反應過程

GE 氣化爐以水煤漿為原料，氣化劑為氧氣。水煤漿在爐膛反應室氣化后形成粗合成氣，粗合成氣通過下降管直接向下，從下降管水面以下排出。進入氣化爐的激冷室。為了防止下降管過熱，下降管內側頂部設置激冷環，激冷環形成一層水膜來保護下降管，在下降管的底部，成氣與激冷水混合并被冷卻。下降管與上升管之間設置環隙，合成氣與激冷水的兩相混合物通過環隙通道向上流動。同時在上升管的頂部，安裝有擋板用以分離氣體夾帶的水份，粗合成氣由急冷氣體出口進入下一個流程，出急冷室的合成氣溫度約257℃。

3 GE煤氣化爐結構特點及各項性能[1]

3.1 工藝操作參數

氣化爐爐膛由耐火磚砌筑而成，耐火材料能夠耐受1540℃左右高溫，生產時氣化反應溫度約為1400℃。為了控制爐體表面溫度氣化爐殼體設有壁溫監測系統，爐子壁溫控制在345～370℃，氣化爐外壁溫度不能低于200℃,以避免內壁結露造成露點腐蝕。氣化室內溫度通過殼體外表面安裝的熱電偶來測量。因氣化過程生成少量的H2S 氣體，設計過程中應注意濕H2S 的腐蝕。

3.2 GE加壓水煤漿氣化優缺點

GE加壓水煤漿氣化先進性有：

1）水煤漿的流動性較好，可以利用水煤漿泵輸送，輸送較為容易，提高生產效率；

2）水煤漿氣化具有較低的灰熔點、較好的穩定性等特點；

3）GE加壓水煤漿氣化爐內結構簡單，無機械傳動裝置，操作彈性大，可靠程度高；

4）GE加壓水煤漿氣化爐單位體積產氣量大，生成的粗煤氣質量好，粗煤氣中80%左右為產品氣（C0+H2），一般可96～97%的碳轉化率。

5）全過程產生的污染物較少，無焦油產生，工藝先進、可靠。

GE加壓水煤漿氣化工藝不足之處為：

1）因為每2 個月需要更換一次燒嘴，為了保證停爐更換燒嘴時連續生產的負荷需要設置備爐，建設投資較大。

2）氣化溫度不宜過高，氣化溫度維持1400℃左右，溫度提升會影響氣化爐耐火磚使用壽命

3）生產運行成本較高，主要來源于更換耐火磚。

4 GE 爐結構特點

氣化爐是一個有耐火材料襯里的反應設備。總體上由氣化爐殼體、氣化爐內件、隔熱耐火襯里、氣化燒嘴組成。

4.1 殼體材料

GE 氣化爐使用過程中存在大量氫氣，為了按Nelson 曲線進行選擇合適的材料以防氫腐蝕。

氣化爐燃燒室殼體內壁耐火料與氣相空間接觸，根據工藝操作參數分析，氫分壓約1.7MPa，溫度425℃，選用SA387 Grll CL2（1.25Cr—0.5Mo）材料較為合適，取腐蝕余量大于6mm；

急冷室為氣液相空間，殼體材料采用SA387 Grll CL2+316L 復合板結構，主要是防止合成氣凈化后形成的酸性介質腐蝕，腐蝕余量取大于1.5mm。

4.2 氣化爐內件

氣化爐內件主要有上升管、下降管、急冷環等以及相應的支撐結構等。

粗合成氣從氣化爐反應室出來，通過下降管內側頂部設置激冷環向下進入激冷室，下降管在水面以下排出合成氣。為防止下降管過熱，下降管內側頂部設置激冷環形成一層水膜來保護。合成氣在下降管的底部與激冷水混合直接被冷卻，同時通過下降管與上升管之間的環隙向上流動，由出口流入下一個工段。激冷環的作用就是使激冷水沿下降管均勻的分布在急冷室內，工藝氣從1400℃左右冷卻到約250℃。

激冷環及下降管選用耐高溫、耐應力腐蝕的鎳基合金Incoloy825 材料,主要是為了耐受激冷環外工藝氣和熔融灰渣的侵蝕和沖蝕。同時環外是高溫大約1400℃，材料必須具有良好的耐應力腐蝕破壞性能以及對氧化性和非氧化性腐蝕都有非常高的耐蝕性。激冷環和下降管由于使用條件非常苛刻，極易損壞，每臺氣化爐至少需要設置1 套備件以備檢修使用。

4.3 氣化爐燒嘴

氣化爐燒嘴是氣化爐核實部件之一，目前氣化爐普遍采用的燒嘴有2 通道、3 通道及4 通道等不同型式。GE 水煤漿氣化爐燒嘴采用的是3 通道氣化燒嘴，內部通道為一次氧氣通道，中間通道為水煤漿通道，外部通道為二次氧氣通道，燒嘴頭的外部設置水冷盤以進行冷卻保護。

燒嘴頭承受著高溫高壓及高速氣流的沖刷，燒嘴的整體使用壽命一般不超過2 個月。

5 影響氣化爐使用壽命的因素

5.1 化學腐蝕

由于氣化爐的原料為水煤漿，因此含有一定量的重金屬及灰分等雜質，這些雜質對耐火磚的危害很大。CaO、SiO2及Na2O 能與磚內的A12O3反應生成低熔點的玻璃體，降低了耐火磚的高溫強度；Ni 與S、Fe 反應能生成共聚物，這些共聚物滲透到磚的氣孔中，如果與氧氣接觸，體積將會增大，會造成耐火磚出現裂紋，甚至脫落。

5.2 爐內的高壓、高溫以及高速氣流沖刷

如果燒嘴中心線與殼體中心線存在偏差，火焰會燒到耐火磚上，將磚壁上的保護熔渣沖刷下來，同時水煤漿與氧氣經過加壓進入氣化室，流速較快，加劇了耐火磚的破損。

6 小結

煤氣化技術是高效、清潔的利用煤炭的技術之一。主要應用于碳一化工合成、IGCC 技術、燃料電池、煤炭直接/間接液化等高新能源煤利用技術，是一種先導性技術和核心技術。氣化工藝的開發主要集中在節能降耗、清潔利用，提高氣化效率、提高碳轉化上。主要手段是提高氣化壓力、擴大煤種適應性、提高單爐氣化能力。

從當前國內外的趨勢看，煤氣化的發展方向主要集中在加壓、提溫、適應多種煤種、易凈化、低污染、大型化。

目前國外技術看，加壓固定床氣化爐、加壓流化床氣化爐和加壓氣流床氣化爐等加壓氣化爐型具有明顯的優勢。三類氣化爐各有特點，雖然德士古氣化爐存在燒嘴頭及耐火襯里易燒損；生產運行周期不長等缺陷，但是其處理量較大，生產能力較高，其操作壓力高，節省后期的合成氣壓縮機功耗。不能否認產業化程度以德士古(Texaco)、魯奇(Lurgi) 最為成熟，Texaco 氣化爐的日處理量已在不斷擴大。

隨著各個行業的裝置規模不斷擴大，相信GE(德士古TEXACO)隨著氣化爐技術的不斷提高，將會研制出新一代的氣化爐。開啟煤氣化3.0 時代。