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[摘 要]煤的高效、洁净转化是中国能源利用的发展方向，煤气化技术作为煤化工行业的一种高效洁净的关键技术，越来越受到人们的重视。大型煤气化工艺主要包括三种：固定床煤气化技术、流化床煤气化技术和气流床煤气化技术，其中最先进的煤气化工艺是气流床煤气化工艺。本文针对气流床煤气化工艺中存在的问题进行了分析和探讨，为气流床煤气化工艺的改进提供思路。
[关键词]水煤浆气化；干煤粉气化；喷嘴；气化炉；耐火砖
中图分类号：S687 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0048-01
引言
大型煤气化工艺中以气流床煤气化工艺较为先进的技术。气流床煤气化工艺主要分为干煤粉气化工艺和水煤浆气化工艺两大类，其中干煤粉气化工艺以SHELL气化技术为代表，水煤浆气化工艺工业应用普遍的是GE气化技术。气流床煤气化工艺中气化炉是影响工艺稳定运行的重要设备，现有的干粉煤气化技术和水煤浆气化技术均存在许多运行问题。根据目前工艺运行状况，将气流床煤气化工艺问题主要分为三大类：水煤浆气化工艺的存在问题，干煤粉气化工艺的存在问题，水煤浆和干煤粉气化工艺共同的存在问题。本文主要介绍了气流床煤气化工艺中存在的问题，并进行了分析和探讨，为气流床煤气化工艺的技术改进提供思路。
1.水煤浆气化工艺气化炉存在问题及其原因
1.1 水煤浆气化工艺气化炉存在问题
水煤浆气化工艺中气化炉大部分采用的是三通道或五通道的气化喷嘴，其气化喷嘴的工作原理都是利用气化剂的高速流动将水煤浆流破碎为小液滴，同时两者尽量混合均匀。目前供货厂家生产的喷嘴的使用寿命均很短，寿命少则50d，多则90d；例如南京某公司使用的编号为Z3201A的喷嘴平均使用寿命只有50d，这严重影响了化工生产的稳定性和连续性，造成生产成本的增加；同时，气化喷嘴的维护费用占整个气化炉维护成本的一半左右，可见研究开发寿命长的喷嘴至关重要。
其次，耐火砖寿命短的问题是水煤浆气化工艺中另一个亟待解决的难题，使用寿命多在1a左右。耐火砖寿命短的主要原因是由于煤气化炉内长期维持高温高压以及复杂的气液固三相共存。但更换耐火砖需要停产，且所需停产时间较长，对于工厂的连续化作业和生产效益带来了不小的影响。
1.2 气化喷嘴与耐火砖寿命问题的原因
气化喷嘴和耐火砖工作环境温度高达1400℃、压力在6.5MPa左右，同时存在着腐蚀性气体如硫化氢等化合物以及高还原性气体如氢气和一氧化碳等。喷嘴内部为氧气和水煤浆混合高速流体，喷嘴的出口和冷却水底部夹套直接与高温气体接触，这样就导致喷嘴在受到内部高速流体的摩擦的同时，还要受到喷嘴内外温差高达上千度所引起的热应力以及还原性气体和腐蚀性气体相互作用的化学效应的叠加影响，喷嘴长时间运行其外部会逐渐出现裂痕、缝隙。同时这些裂痕和缝隙又为高腐蚀性和高还原性气体的化学反应提供场所，随着气化炉长时间的进行，使得缝隙越来越大，裂缝交叉又会造成喷嘴顶端的换热部件脱落，最终导致喷嘴不能正常工作。
由于耐火砖是直接接触反应体系的保温材料，在气化炉运行过程中，部分耐火砖会直接受到喷嘴流下的高速流体的冲刷；同时耐火砖上不可避免的残留部分的炉渣，随着炉渣的积攒，炉渣中的含炭化合物会慢慢侵蚀到耐火砖内部，与耐火砖内的某些成分发生化学反应，造成耐火砖表面出现变脆、脱皮和脱落的现象，而这些现象都会造成耐火砖寿命缩短。
2.干煤粉气化工艺气化炉存在问题及原因
2.1 干煤粉气化工艺气化炉存在问题
干煤粉气化工艺的气化炉大部分都是水冷壁技术，水冷壁技术的工作原理是采用“以渣坑渣”的方式，即熔融态的灰渣与水冷壁接触后，由于存在換热温差，熔融态灰渣会冷却凝固并附着在水冷壁上，导致传热阻力也会发生变化并逐渐增大，当水冷壁上附着的灰渣增加到一定厚度时，灰渣向外传递热量的速率会小于灰渣接收热量的速率，此时，熔融态灰渣在水冷壁上继续向下流淌的同时实现了均匀挂载，这样就起到保护水冷壁的又能起到维持气化炉温度的作用。然而，气化炉内部是处于管流、旋流、射流和回流等多种复杂流动形态的流体环境中，使得气化炉壁的热通量增大，从而严重影响气化炉的换热性能和运行性能。另外，粗合成气中不可避免地携带有大量的灰，这部分灰极易黏在气化炉壁和管道内壁上，造成激冷装置、气化炉口及管道积灰甚至堵塞的现象，从而有可能引发严重的生产事故。
2.2 干煤粉气化炉问题产生的原因
干煤粉气化工艺的气化炉出现的水冷壁上挂渣不均匀的问题除了与氧煤比、水蒸汽用量和干煤粉灰分含量等外部因素有关，最重要的是气化炉各处的水冷壁是处于不同流动形态的局部小环境中，而每一处小环境中的不同流动区域内流体的物质组成和含量也不同，这些成分和含量的不同会导致各处水冷壁传热阻力的也不同，挂在水冷壁上的灰渣也就随之发生相应变化。随着气化炉长时间运行，造成热通量也持续高位，不仅造成能耗的增加，而且给炉温的控制也带来了不小的难题，更有可能导致水冷壁无法正常运行从而出现停车事故。
高温高压下灰分是以小液滴形式存在，具有滴定黏性，粗合成气输送过程中及其容易包裹灰分小液滴，灰分小液滴在经过激冷设备、管壁炉壁和炉口等温度比较低的复杂结构的设备时，灰分会迅速凝固且粘连在壁面上；此外小液滴流动的同时会产生很多的滞留区，而这些滞留区极易使灰聚集附着，使得管路的截面面积越来越小，最终导致堵塞。
3.部分水煤浆和部分干煤粉气化工艺存在的共同问题及原因
3.1 部分水煤浆和部分干煤粉气化工艺存在的共同问题
现有的气流床气化工艺中都会不可避免的产生大量灰渣，灰渣可分为粗灰渣和细灰渣两类。研究发现，灰渣中含有大量可燃物且可燃性也较高；根据文献报道，细灰渣的炭元素含量达到了36%，而细灰渣中可燃物含量更是高达50%以上。由此可见气流床气化工艺中还存在碳转化率低的问题。
3.2 形成问题的原因
现有气流床煤气化工艺中气化炉灰渣在快速向下流动过程中，不仅出现了煤粉未参与反应就被带出气化炉，而且存在部分煤粉反应不完全先现象，这些现象可能与喷嘴的收缩角角度设计的偏小，煤颗粒粒度过大，操作温度和操作压力过小以及停留时间过短等因素有关。
4.结语
现有的气流床煤气化工艺主要存在的问题有：水煤浆气化工艺中的高温高压且存在腐蚀气体和高还原性气体的复杂环境造成气化炉喷嘴和耐火砖使用寿命极短；干煤粉气化工艺的气化炉水冷壁会出现的挂渣不均匀和粗合成气带灰的问题；两种气化工艺均存在着碳转化低的问题。针对现有的气流床煤气化工艺中存在技术和设备等方面的不足，提出几点建议：运用CFD数值模拟软件对现有技术进行改进；重新开发停留时间短、耐温更高、耐压更大的气化炉；在煤中添加添加剂使燃烧温度降低，从而降低了对气化设备的要求。
参考文献
[1] 李佳.GE三通道水煤浆烧嘴工业应用及故障分析[J].齐鲁石油化工，2013，41（4）：317-321.
[2] 齐胜远.E-Gas气化技术及其应用分析[J].大氮肥，2013，36（3）：145-149.
[3] 郑泉杰，林亚森，王明锋，等.GE水煤浆气化炉的结构设计特点分析[J].大氮肥，2009，32（3）：153-157.
[4] 闫波，陈鹏程，石连伟，等.GSP气化炉水冷壁挂渣影响因素探究[J].化肥工业，2014，41（5）：69-71，80.
[5] 高旭霞，郭晓镭，龚欣.气流床煤气化渣的特征[J].华东理工大学学报：自然科学版，2009，35（5）：677-683.
[6] 任立伟，魏蕊娣，王建森.影响煤气化反应性的关键因素[J].煤炭技术，2014，33（8）：282-284.
[关键词]水煤浆气化；干煤粉气化；喷嘴；气化炉；耐火砖
中图分类号：S687 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0048-01
引言
大型煤气化工艺中以气流床煤气化工艺较为先进的技术。气流床煤气化工艺主要分为干煤粉气化工艺和水煤浆气化工艺两大类，其中干煤粉气化工艺以SHELL气化技术为代表，水煤浆气化工艺工业应用普遍的是GE气化技术。气流床煤气化工艺中气化炉是影响工艺稳定运行的重要设备，现有的干粉煤气化技术和水煤浆气化技术均存在许多运行问题。根据目前工艺运行状况，将气流床煤气化工艺问题主要分为三大类：水煤浆气化工艺的存在问题，干煤粉气化工艺的存在问题，水煤浆和干煤粉气化工艺共同的存在问题。本文主要介绍了气流床煤气化工艺中存在的问题，并进行了分析和探讨，为气流床煤气化工艺的技术改进提供思路。
1.水煤浆气化工艺气化炉存在问题及其原因
1.1 水煤浆气化工艺气化炉存在问题
水煤浆气化工艺中气化炉大部分采用的是三通道或五通道的气化喷嘴，其气化喷嘴的工作原理都是利用气化剂的高速流动将水煤浆流破碎为小液滴，同时两者尽量混合均匀。目前供货厂家生产的喷嘴的使用寿命均很短，寿命少则50d，多则90d；例如南京某公司使用的编号为Z3201A的喷嘴平均使用寿命只有50d，这严重影响了化工生产的稳定性和连续性，造成生产成本的增加；同时，气化喷嘴的维护费用占整个气化炉维护成本的一半左右，可见研究开发寿命长的喷嘴至关重要。
其次，耐火砖寿命短的问题是水煤浆气化工艺中另一个亟待解决的难题，使用寿命多在1a左右。耐火砖寿命短的主要原因是由于煤气化炉内长期维持高温高压以及复杂的气液固三相共存。但更换耐火砖需要停产，且所需停产时间较长，对于工厂的连续化作业和生产效益带来了不小的影响。
1.2 气化喷嘴与耐火砖寿命问题的原因
气化喷嘴和耐火砖工作环境温度高达1400℃、压力在6.5MPa左右，同时存在着腐蚀性气体如硫化氢等化合物以及高还原性气体如氢气和一氧化碳等。喷嘴内部为氧气和水煤浆混合高速流体，喷嘴的出口和冷却水底部夹套直接与高温气体接触，这样就导致喷嘴在受到内部高速流体的摩擦的同时，还要受到喷嘴内外温差高达上千度所引起的热应力以及还原性气体和腐蚀性气体相互作用的化学效应的叠加影响，喷嘴长时间运行其外部会逐渐出现裂痕、缝隙。同时这些裂痕和缝隙又为高腐蚀性和高还原性气体的化学反应提供场所，随着气化炉长时间的进行，使得缝隙越来越大，裂缝交叉又会造成喷嘴顶端的换热部件脱落，最终导致喷嘴不能正常工作。
由于耐火砖是直接接触反应体系的保温材料，在气化炉运行过程中，部分耐火砖会直接受到喷嘴流下的高速流体的冲刷；同时耐火砖上不可避免的残留部分的炉渣，随着炉渣的积攒，炉渣中的含炭化合物会慢慢侵蚀到耐火砖内部，与耐火砖内的某些成分发生化学反应，造成耐火砖表面出现变脆、脱皮和脱落的现象，而这些现象都会造成耐火砖寿命缩短。
2.干煤粉气化工艺气化炉存在问题及原因
2.1 干煤粉气化工艺气化炉存在问题
干煤粉气化工艺的气化炉大部分都是水冷壁技术，水冷壁技术的工作原理是采用“以渣坑渣”的方式，即熔融态的灰渣与水冷壁接触后，由于存在換热温差，熔融态灰渣会冷却凝固并附着在水冷壁上，导致传热阻力也会发生变化并逐渐增大，当水冷壁上附着的灰渣增加到一定厚度时，灰渣向外传递热量的速率会小于灰渣接收热量的速率，此时，熔融态灰渣在水冷壁上继续向下流淌的同时实现了均匀挂载，这样就起到保护水冷壁的又能起到维持气化炉温度的作用。然而，气化炉内部是处于管流、旋流、射流和回流等多种复杂流动形态的流体环境中，使得气化炉壁的热通量增大，从而严重影响气化炉的换热性能和运行性能。另外，粗合成气中不可避免地携带有大量的灰，这部分灰极易黏在气化炉壁和管道内壁上，造成激冷装置、气化炉口及管道积灰甚至堵塞的现象，从而有可能引发严重的生产事故。
2.2 干煤粉气化炉问题产生的原因
干煤粉气化工艺的气化炉出现的水冷壁上挂渣不均匀的问题除了与氧煤比、水蒸汽用量和干煤粉灰分含量等外部因素有关，最重要的是气化炉各处的水冷壁是处于不同流动形态的局部小环境中，而每一处小环境中的不同流动区域内流体的物质组成和含量也不同，这些成分和含量的不同会导致各处水冷壁传热阻力的也不同，挂在水冷壁上的灰渣也就随之发生相应变化。随着气化炉长时间运行，造成热通量也持续高位，不仅造成能耗的增加，而且给炉温的控制也带来了不小的难题，更有可能导致水冷壁无法正常运行从而出现停车事故。
高温高压下灰分是以小液滴形式存在，具有滴定黏性，粗合成气输送过程中及其容易包裹灰分小液滴，灰分小液滴在经过激冷设备、管壁炉壁和炉口等温度比较低的复杂结构的设备时，灰分会迅速凝固且粘连在壁面上；此外小液滴流动的同时会产生很多的滞留区，而这些滞留区极易使灰聚集附着，使得管路的截面面积越来越小，最终导致堵塞。
3.部分水煤浆和部分干煤粉气化工艺存在的共同问题及原因
3.1 部分水煤浆和部分干煤粉气化工艺存在的共同问题
现有的气流床气化工艺中都会不可避免的产生大量灰渣，灰渣可分为粗灰渣和细灰渣两类。研究发现，灰渣中含有大量可燃物且可燃性也较高；根据文献报道，细灰渣的炭元素含量达到了36%，而细灰渣中可燃物含量更是高达50%以上。由此可见气流床气化工艺中还存在碳转化率低的问题。
3.2 形成问题的原因
现有气流床煤气化工艺中气化炉灰渣在快速向下流动过程中，不仅出现了煤粉未参与反应就被带出气化炉，而且存在部分煤粉反应不完全先现象，这些现象可能与喷嘴的收缩角角度设计的偏小，煤颗粒粒度过大，操作温度和操作压力过小以及停留时间过短等因素有关。
4.结语
现有的气流床煤气化工艺主要存在的问题有：水煤浆气化工艺中的高温高压且存在腐蚀气体和高还原性气体的复杂环境造成气化炉喷嘴和耐火砖使用寿命极短；干煤粉气化工艺的气化炉水冷壁会出现的挂渣不均匀和粗合成气带灰的问题；两种气化工艺均存在着碳转化低的问题。针对现有的气流床煤气化工艺中存在技术和设备等方面的不足，提出几点建议：运用CFD数值模拟软件对现有技术进行改进；重新开发停留时间短、耐温更高、耐压更大的气化炉；在煤中添加添加剂使燃烧温度降低，从而降低了对气化设备的要求。
参考文献
[1] 李佳.GE三通道水煤浆烧嘴工业应用及故障分析[J].齐鲁石油化工，2013，41（4）：317-321.
[2] 齐胜远.E-Gas气化技术及其应用分析[J].大氮肥，2013，36（3）：145-149.
[3] 郑泉杰，林亚森，王明锋，等.GE水煤浆气化炉的结构设计特点分析[J].大氮肥，2009，32（3）：153-157.
[4] 闫波，陈鹏程，石连伟，等.GSP气化炉水冷壁挂渣影响因素探究[J].化肥工业，2014，41（5）：69-71，80.
[5] 高旭霞，郭晓镭，龚欣.气流床煤气化渣的特征[J].华东理工大学学报：自然科学版，2009，35（5）：677-683.
[6] 任立伟，魏蕊娣，王建森.影响煤气化反应性的关键因素[J].煤炭技术，2014，33（8）：282-284.