現(xiàn)代大型煤化工中普遍應(yīng)用的水煤漿進(jìn)料液態(tài)排渣氣流床氣化爐，根據(jù)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(duì)水冷壁氣化爐與耐火磚氣化爐進(jìn)行對(duì)比。
煤炭分級(jí)利用提質(zhì)后產(chǎn)生大量的半焦和焦炭，這些半焦和焦炭揮發(fā)分較低一般為7%～12%，反應(yīng)活性較差，灰分和原煤有關(guān)，灰熔點(diǎn)和原煤相同。
對(duì)于耐火磚氣化爐，焦炭氣化一直是水煤漿氣化的一個(gè)禁區(qū)，主要原因是焦炭的揮發(fā)分較低。耐火磚氣化爐采用蓄熱式點(diǎn)火，氣化爐必須先用預(yù)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(jìn)入氣化爐后，首先脫水分和揮發(fā)分，利用耐火磚的蓄熱將揮發(fā)分點(diǎn)燃，然后將煤點(diǎn)燃，所以耐火磚氣化爐要求原料的揮發(fā)分大于20%。
此外，由于焦炭的反應(yīng)活性較差，為了保證焦炭的充分反應(yīng)需要提高氣化溫度，這將導(dǎo)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(gè)組合燒嘴進(jìn)行點(diǎn)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(diǎn)燃，所以可以使用焦炭氣化。
而且對(duì)于反應(yīng)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(lái)得及完全反應(yīng)的碳顆粒數(shù)量，而且渣口附近的回流區(qū)強(qiáng)化了碳顆粒的返混，增大了固體顆粒的停留時(shí)間，從而保證了半焦和焦炭氣化的碳轉(zhuǎn)化率。
因此，水冷壁氣化爐更適用于揮發(fā)分含量低、反應(yīng)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(chǎn)品。在石油裂化和裂解過(guò)程中，大部分的氫和氧被轉(zhuǎn)化到氣體和液體產(chǎn)物中，使得石油焦具有很高的含碳量，其熱值也很高，可達(dá)34MJ/kg以上。但是由于石油焦主要由長(zhǎng)鏈脂肪烴縮聚物和稠環(huán)芳烴縮聚物構(gòu)成，揮發(fā)分含量較低，而且石油焦孔隙結(jié)構(gòu)很不發(fā)達(dá)，造成其氣化活性很低。石油焦灰分含量一般低于0.5%，遠(yuǎn)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(diǎn)可達(dá)1500℃以上。石油焦顆粒表面具有很強(qiáng)的疏水性，石油焦配水制成水焦?jié){的濃度可以很高，一般可以達(dá)到60%以上，最高甚至可達(dá)70%。
對(duì)于需要液態(tài)排渣的耐火磚氣化爐，由于石油焦的灰熔點(diǎn)已經(jīng)大大超過(guò)耐火磚的使用溫度范圍，因而耐火磚氣化爐無(wú)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(duì)耐火磚產(chǎn)生很強(qiáng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成耐火材料表面發(fā)生化學(xué)散裂。由于石油焦的氣化活性很低，難以在氣化爐內(nèi)完全反應(yīng)，造成碳轉(zhuǎn)化率降低，而且由于吸熱的碳的氣化反應(yīng)因活性低而推遲了，導(dǎo)致氣化爐內(nèi)產(chǎn)生了局部的高溫區(qū)域，同時(shí)由于石油焦灰分太低導(dǎo)致耐火磚表面渣層太薄，因而很容易發(fā)生爐壁超溫。
對(duì)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(yán)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(guò)30%。在高比例摻燒石油焦時(shí)常常出現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化率低、氣化爐壁超溫等問(wèn)題。
對(duì)于水冷壁氣化爐，水冷壁上形成向火側(cè)液態(tài)、背火側(cè)固態(tài)的穩(wěn)定渣層。由于高熱阻的渣層對(duì)水冷壁起到保護(hù)作用，使氣化溫度可以達(dá)到很高，而且不會(huì)受到氣化爐內(nèi)高溫區(qū)域變化的影響，可以直接氣化高灰熔點(diǎn)的石油焦原料。而且由于固態(tài)渣層的隔離保護(hù)，水冷壁完全不受熔渣的物理侵蝕和化學(xué)侵蝕，不會(huì)受到石油焦中V元素的侵蝕作用。
對(duì)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(lái)得及完全反應(yīng)的碳顆粒數(shù)量，而且渣口附近的回流區(qū)強(qiáng)化了碳顆粒的返混，增大了固體顆粒的停留時(shí)間，從而保證了石油焦氣化的碳轉(zhuǎn)化率。
對(duì)于石油焦灰分含量低的情況，可以通過(guò)將沉降槽底部的細(xì)灰返回氣化爐的方式來(lái)增加原料的灰含量，從而為水冷壁穩(wěn)定掛渣提供足夠的灰源。而且細(xì)灰循環(huán)也增加了碳在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間，從而增加總的碳轉(zhuǎn)化率。
從以上來(lái)看，水冷壁氣化爐具有高比例摻燒石油焦的能力，當(dāng)采用細(xì)灰循環(huán)時(shí)水冷壁氣化爐甚至可以氣化100%石油焦原料。
作者簡(jiǎn)介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，2015年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，主要從事煤氣化和煤炭清潔高效利用技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)工作。
撰稿 | 管清亮
編輯 | 李瑞丹
審核 | 岳 軍
