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摘 要: 综述了国内外流化床气化炉的开发现状，总结了各种炉型的结构特点，并且分析了流化床气化炉今后的发展方向。
关键词: 流化床气化炉 特点 发展方向
一、前言
我国“富煤、少油、缺气”的能源状况，决定了煤炭在我国的能源消费结构中始终占据着重要的地位。作为煤化工和洁净煤的重要单元技术—煤炭气化技术,在化工、冶金、机械及城市燃气供应等多个方面已有广泛应用，在国民经济中占有十分重要的地位。区别于常见的固定床和气流床气化炉，流化床气化技术以碎煤为原料(小于6mm)，具有操作温度适中，煤气易于净化，投资低，原料适应性宽等特点，因此愈来愈受到重视。
流化床气化炉中，颗粒呈流态化状态，从而消除了固体颗粒间的内摩擦力，使颗粒具备了流体的性质，提高了其传热、传质性能。早在《天工开物》中已有使用的记载[1]。用于煤气化生产时，已经开发的炉型有温克勒（Winkler）、高温温克勒（HTW）、U-gas、KRW、循环流化床、恩德炉及灰熔聚炉。
二、流化床气化炉的结构
1、外部结构
虽然不良的流化现象——腾涌和沟流，是由于操作过程中静床层高度和床径的不当比例引起的，但是，腾涌一般发生在高径比大的床层中，沟流一般发生在大直径床层中，流化床反应器的构造必须有合适的高径比。同时，为了延长物料的停留时间和降低出口煤气的温度，流化床气化炉一般都设置了扩大段，且扩大段的直径一般要比浓相段的直径略大。
2、分布板的型式
作为流化床反应器的核心构件，设计良好的分布板，对颗粒的均匀流化起着举足轻重的地位。
在材料的选择上，金属和陶瓷各有优势，陶瓷能耐腐蚀气体和高温，但对热冲击或热膨胀应力的强度极低，并且，由于陶瓷易磨蚀，使用过程中锐孔会逐渐扩大，进而影响气速和流化效果。而由于气化剂对分布板的冷却作用，金属分布板可耐受腐蚀气体和高的炉温，所以，从强度和总的经济考虑，一般选用金属分布板。
由于在大直径床层中的负荷较重，平板受压弯曲无法预测，而弧形板较耐重负荷和热应力。同时，因为鼓泡和沟流优先产生于靠近流化床的中心位置，凹型板比凸型板有更好的纠正趋向，所以分布板一般设计为凹型。
当分布板为单孔板时，气化剂由底部中心集中进入，在物料中形成喷泉，和物料的下降运动共同组成内部环流，也称之为喷射流化床，此床层的压降比一般流化床要低，床内横向的传热、传质也较一般的流化床要好；但是床层密度有显著的波动，且易引起沟流和腾涌。当分布板有较多进气孔时，低气速下床层密度的变化可忽略不计，且气泡较小，气固相接触较为密切且气体沟流较少。
为使气化剂经过锐孔后的流量均匀，分布板必须有足够的压降。如果孔径过大，气速将会变小，物料将会泄漏进入气室；反之，将引起沟流现象。一般来说，锐孔喷射后的动能应为床层重量阻力的1/2或3/4。同时，开孔率过高，又会提高分布板的压降，这样，增加动力消耗的同时，也阻碍了两层或多层间的固体颗粒循环。
分布板沿一般与气化炉内壁垂直布置，Winkler炉的气化剂则通过6个侧向喷嘴进入流化床。
3、开工喷嘴
用于气化炉的升温或者烘炉操作。根据所用燃料的不同，有不同的结构。设计时必须注意以下几点：
（1）为防止在管线中形成爆炸性混合物，燃料和空气在炉内方可混合；
（2）如燃料为煤层气，因耗氧量过大，应考虑气体的预混结构[2]；
（3）如燃料为油，则有雾化片、旋流片和分油嘴三部分组成；
（4）正常生产时，喷嘴均应通入保护性气体
4、进料方式
流化床气化炉因其炉温低且颗粒停留时间短，故要求使用反应活性高的煤，如褐煤、长焰煤等。为确保煤的流态化，一般进料粒度为0—10mm；为确保进煤系统的通畅及气化效率和氧耗，含水量最高不超过12%；为确保进煤系统通畅，进煤管线一般配有吹送气，气源为氮气、二氧化碳、空气或者循环煤气；此外，为提高入炉煤的温度，进煤管线一般配有蒸汽夹套。
同时，为了减少进煤对物料层及气流场的影响，Winkler气化炉沿炉体的圆周互成180°或120°设置二到三个进料口，使得煤在浓相段得以均匀分布。
5、炉温的提升
因流化床气化炉的反应温度必须低于煤灰的软化温度，在此温度下，还原反应进行不够彻底，且煤气产品中CO2含量较高，为有效解决这一问题，常有以下三种途径：
1）、稀相段加入二次风
在床面上部的稀相区引入二次蒸汽和氧气，这样，一是降低了上升气流速度以延长停留时间，以便进一步反应和分离气体中的夹带物；二是促进反应，该区域温度比流化床内操作温度高200℃左右，使气体中夹带的细灰继续气化反应，密相段产生的甲烷和高碳化合物进一步燃烧和裂解；三是此处的高温将“软性”的夹带煤粉变成了砂型的半焦粉，对余热锅炉的磨损会增强。当使用低活性煤时，二次气化可显著改善气化效率。采用该做法的有Winkler炉、恩德炉。
2）、中心射流产生局部高温
除分布板进气维持床内正常流化外，再由中心管（位于分布板中央的排灰口处）进入氧/汽比较大的气流，其目的是在床底中心区产生局部高温，使未燃的碳燃烧气化，使煤中的灰分在软化而未熔融的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的球状灰渣，直到球状灰渣不能被上升气流托起时，便被有选择性的排出炉外。从而提高了炉内物流的含碳量。
这种团聚排灰的方式，与传统的固态和液态排渣方式不同。与固态排渣相比，降低了灰渣中的碳损失；与液态排渣相比，减少了灰渣带走的显热损失，从而提高了气化过程的碳利用率，是煤气化排渣技术的重大发展。
3）、提高入炉煤和气化剂的温度
因气化过程的目标反应C＋CO2＝2CO-172kJ/mol，C＋H2O＝CO＋H2-131kJ/mol均为吸热反应，因此提高入炉原料的温度对炉温的提高有实际意义。具体做法有入炉煤管线伴热、提高蒸汽温度、入炉空气或者氧气预热等。
4）、提高气化炉的操作温度
流化床的操作温度必须小于T2，当气化低活性煤时，且含有较多的碱土金属氧化物时，加入石灰，可提高灰熔点，从而提高炉温，采用该做法的有HTW炉。
6、排渣方式
流化床气化炉的灰渣温度和炉内物料温度几乎相等，为回收其中显热，实现顺畅排渣，大致有湿态排渣和干态排渣两种方法。
1）、湿态排渣
渣斗中充水，对灰渣直接进行冷却，该法对灰渣冷却彻底，避免了高温灰渣对排渣系统设备、管线及阀门的冲刷和磨损，使得灰渣能够顺利排出，灰水和煤气的洗涤水一起沉淀、过滤后即可循环使用。但灰渣经此高温急冷后，不适宜做建材。采用此排渣方式的有U-gas气化炉、
2）、干态排渣
灰渣经间接降温后，排出炉体。而为了回收灰渣的显热，可采用水夹套或者耐磨衬里的方式。后者只能耐热不能降温，而前者可有效回收热量，因此，前者比后者更加有吸引力，但实际运行中，因为灰渣急速冷却，容易在渣斗内壁形成挂壁。且灰渣对内壁磨损严重，使得渣斗发生泄漏的现象时有发生。
根据耐磨衬里耐冲刷、耐磨损而不能降温的特点，在渣斗上部加喷淋水管线，对灰渣进行降温，避免渣斗内部的挂壁现象，也缓减了磨损现象。同时，副产的蒸汽又返回气化炉内参加气化反应。但在升温或者烘炉的过程中，需考虑冷凝水的排出及喷嘴的保护。
7、炉顶降温装置
因流化床气化炉的床层相对固定床较薄，且气速较高，所以出口煤气温度较高（几乎和床温一致），且携带大量细灰，为了防止熔融的飞灰堵塞余热锅炉的管子，必须使煤气出口温度低于灰熔点。常用以下方法进行处理：
1）、水冷壁进行降温
用水冷壁降温较为平稳，同时可以副产蒸汽。
2）、直接用喷淋水进行降温
此法水和含尘煤气直接接触产生蒸汽，对温度有较好的控制，产生的蒸汽亦可参加炉内反应，但因喷淋水只能降温，不能降热，过多的使用，可能会增加气体总流量从而对后系统冲刷严重，并且气体温度过低，蒸汽的转化率也将大打折扣，因而此处的温度一般控制在950℃左右。升温或者烘炉的过程中，也必须保护好喷嘴。
8、飞灰处理系统
Winkler炉的炉顶细灰经单级旋风除尘器分离后，并未返回气化炉，而是和灰渣一起送往辅助锅炉作为燃料。
其他的流化床气化炉的细灰经两级或者旋风除尘器分离，第一级的出料返回气化炉重新反应，第二级除尘器的出料回收后，另做他用。
三、结论
1、“上吐下泻”的问题有待于彻底解决
由于炉内物料混合均匀，而生产煤气客观要求炉内必须保持还原性气氛，也就是炉内物料必须保持较高的含碳量，这就使得一般流化床气化炉底渣和炉顶飞灰残炭量高，即所谓的“上吐下泻”。虽然中心射流和选择排灰，实现了灰渣和碳的分离，也就是说降低了灰渣中的残炭率，对“下泻”的避免有积极的意义。但是，飞灰的治理并没有实际的效果。有人认为原因在于流化床内部的还原性气氛，应该将其返回到喷射区，即氧化区内。
2、开发流化床加压气化技术
压力提高后，临界流化速度将会减小；对床层阻力的影响很小；为维持床层膨胀高度不变，需要增加气体流速，也使得气体在床内的停留时间相应的增加；加压流化较均匀，气泡含量很小，颗粒往复运动均匀；带出物的量和尺寸都减小了。并且，生产强度约与压力增加的平方根成正比。而且加压气化提高了煤气的压力，减少了后续工段的压缩功耗。
3、借鉴先进经验，提高流化床的气化效率
目前，流化床开发较好的技术如中心射流产生局部高温、稀相段加入二次风、提高气化炉的反应温度、湿态排渣等，应将这些好的做法加以耦合，从而切实提高流化床的气化效率。
参考文献：
[1] 金涌 祝京旭等 《流态化工程原理》[M] 北京：清华大学出版社，2001:2.
[2]顾恒祥 《燃料与燃烧》[M] 西安：西北工业大学出版社，1993:87
作者简介：
时小兵(1977一)，男，山西晋城人，硕士研究生，化工工程师，现在晋城煤业集团从事化工工作。联系方式：bxs8596@163.com
关键词: 流化床气化炉 特点 发展方向
一、前言
我国“富煤、少油、缺气”的能源状况，决定了煤炭在我国的能源消费结构中始终占据着重要的地位。作为煤化工和洁净煤的重要单元技术—煤炭气化技术,在化工、冶金、机械及城市燃气供应等多个方面已有广泛应用，在国民经济中占有十分重要的地位。区别于常见的固定床和气流床气化炉，流化床气化技术以碎煤为原料(小于6mm)，具有操作温度适中，煤气易于净化，投资低，原料适应性宽等特点，因此愈来愈受到重视。
流化床气化炉中，颗粒呈流态化状态，从而消除了固体颗粒间的内摩擦力，使颗粒具备了流体的性质，提高了其传热、传质性能。早在《天工开物》中已有使用的记载[1]。用于煤气化生产时，已经开发的炉型有温克勒（Winkler）、高温温克勒（HTW）、U-gas、KRW、循环流化床、恩德炉及灰熔聚炉。
二、流化床气化炉的结构
1、外部结构
虽然不良的流化现象——腾涌和沟流，是由于操作过程中静床层高度和床径的不当比例引起的，但是，腾涌一般发生在高径比大的床层中，沟流一般发生在大直径床层中，流化床反应器的构造必须有合适的高径比。同时，为了延长物料的停留时间和降低出口煤气的温度，流化床气化炉一般都设置了扩大段，且扩大段的直径一般要比浓相段的直径略大。
2、分布板的型式
作为流化床反应器的核心构件，设计良好的分布板，对颗粒的均匀流化起着举足轻重的地位。
在材料的选择上，金属和陶瓷各有优势，陶瓷能耐腐蚀气体和高温，但对热冲击或热膨胀应力的强度极低，并且，由于陶瓷易磨蚀，使用过程中锐孔会逐渐扩大，进而影响气速和流化效果。而由于气化剂对分布板的冷却作用，金属分布板可耐受腐蚀气体和高的炉温，所以，从强度和总的经济考虑，一般选用金属分布板。
由于在大直径床层中的负荷较重，平板受压弯曲无法预测，而弧形板较耐重负荷和热应力。同时，因为鼓泡和沟流优先产生于靠近流化床的中心位置，凹型板比凸型板有更好的纠正趋向，所以分布板一般设计为凹型。
当分布板为单孔板时，气化剂由底部中心集中进入，在物料中形成喷泉，和物料的下降运动共同组成内部环流，也称之为喷射流化床，此床层的压降比一般流化床要低，床内横向的传热、传质也较一般的流化床要好；但是床层密度有显著的波动，且易引起沟流和腾涌。当分布板有较多进气孔时，低气速下床层密度的变化可忽略不计，且气泡较小，气固相接触较为密切且气体沟流较少。
为使气化剂经过锐孔后的流量均匀，分布板必须有足够的压降。如果孔径过大，气速将会变小，物料将会泄漏进入气室；反之，将引起沟流现象。一般来说，锐孔喷射后的动能应为床层重量阻力的1/2或3/4。同时，开孔率过高，又会提高分布板的压降，这样，增加动力消耗的同时，也阻碍了两层或多层间的固体颗粒循环。
分布板沿一般与气化炉内壁垂直布置，Winkler炉的气化剂则通过6个侧向喷嘴进入流化床。
3、开工喷嘴
用于气化炉的升温或者烘炉操作。根据所用燃料的不同，有不同的结构。设计时必须注意以下几点：
（1）为防止在管线中形成爆炸性混合物，燃料和空气在炉内方可混合；
（2）如燃料为煤层气，因耗氧量过大，应考虑气体的预混结构[2]；
（3）如燃料为油，则有雾化片、旋流片和分油嘴三部分组成；
（4）正常生产时，喷嘴均应通入保护性气体
4、进料方式
流化床气化炉因其炉温低且颗粒停留时间短，故要求使用反应活性高的煤，如褐煤、长焰煤等。为确保煤的流态化，一般进料粒度为0—10mm；为确保进煤系统的通畅及气化效率和氧耗，含水量最高不超过12%；为确保进煤系统通畅，进煤管线一般配有吹送气，气源为氮气、二氧化碳、空气或者循环煤气；此外，为提高入炉煤的温度，进煤管线一般配有蒸汽夹套。
同时，为了减少进煤对物料层及气流场的影响，Winkler气化炉沿炉体的圆周互成180°或120°设置二到三个进料口，使得煤在浓相段得以均匀分布。
5、炉温的提升
因流化床气化炉的反应温度必须低于煤灰的软化温度，在此温度下，还原反应进行不够彻底，且煤气产品中CO2含量较高，为有效解决这一问题，常有以下三种途径：
1）、稀相段加入二次风
在床面上部的稀相区引入二次蒸汽和氧气，这样，一是降低了上升气流速度以延长停留时间，以便进一步反应和分离气体中的夹带物；二是促进反应，该区域温度比流化床内操作温度高200℃左右，使气体中夹带的细灰继续气化反应，密相段产生的甲烷和高碳化合物进一步燃烧和裂解；三是此处的高温将“软性”的夹带煤粉变成了砂型的半焦粉，对余热锅炉的磨损会增强。当使用低活性煤时，二次气化可显著改善气化效率。采用该做法的有Winkler炉、恩德炉。
2）、中心射流产生局部高温
除分布板进气维持床内正常流化外，再由中心管（位于分布板中央的排灰口处）进入氧/汽比较大的气流，其目的是在床底中心区产生局部高温，使未燃的碳燃烧气化，使煤中的灰分在软化而未熔融的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的球状灰渣，直到球状灰渣不能被上升气流托起时，便被有选择性的排出炉外。从而提高了炉内物流的含碳量。
这种团聚排灰的方式，与传统的固态和液态排渣方式不同。与固态排渣相比，降低了灰渣中的碳损失；与液态排渣相比，减少了灰渣带走的显热损失，从而提高了气化过程的碳利用率，是煤气化排渣技术的重大发展。
3）、提高入炉煤和气化剂的温度
因气化过程的目标反应C＋CO2＝2CO-172kJ/mol，C＋H2O＝CO＋H2-131kJ/mol均为吸热反应，因此提高入炉原料的温度对炉温的提高有实际意义。具体做法有入炉煤管线伴热、提高蒸汽温度、入炉空气或者氧气预热等。
4）、提高气化炉的操作温度
流化床的操作温度必须小于T2，当气化低活性煤时，且含有较多的碱土金属氧化物时，加入石灰，可提高灰熔点，从而提高炉温，采用该做法的有HTW炉。
6、排渣方式
流化床气化炉的灰渣温度和炉内物料温度几乎相等，为回收其中显热，实现顺畅排渣，大致有湿态排渣和干态排渣两种方法。
1）、湿态排渣
渣斗中充水，对灰渣直接进行冷却，该法对灰渣冷却彻底，避免了高温灰渣对排渣系统设备、管线及阀门的冲刷和磨损，使得灰渣能够顺利排出，灰水和煤气的洗涤水一起沉淀、过滤后即可循环使用。但灰渣经此高温急冷后，不适宜做建材。采用此排渣方式的有U-gas气化炉、
2）、干态排渣
灰渣经间接降温后，排出炉体。而为了回收灰渣的显热，可采用水夹套或者耐磨衬里的方式。后者只能耐热不能降温，而前者可有效回收热量，因此，前者比后者更加有吸引力，但实际运行中，因为灰渣急速冷却，容易在渣斗内壁形成挂壁。且灰渣对内壁磨损严重，使得渣斗发生泄漏的现象时有发生。
根据耐磨衬里耐冲刷、耐磨损而不能降温的特点，在渣斗上部加喷淋水管线，对灰渣进行降温，避免渣斗内部的挂壁现象，也缓减了磨损现象。同时，副产的蒸汽又返回气化炉内参加气化反应。但在升温或者烘炉的过程中，需考虑冷凝水的排出及喷嘴的保护。
7、炉顶降温装置
因流化床气化炉的床层相对固定床较薄，且气速较高，所以出口煤气温度较高（几乎和床温一致），且携带大量细灰，为了防止熔融的飞灰堵塞余热锅炉的管子，必须使煤气出口温度低于灰熔点。常用以下方法进行处理：
1）、水冷壁进行降温
用水冷壁降温较为平稳，同时可以副产蒸汽。
2）、直接用喷淋水进行降温
此法水和含尘煤气直接接触产生蒸汽，对温度有较好的控制，产生的蒸汽亦可参加炉内反应，但因喷淋水只能降温，不能降热，过多的使用，可能会增加气体总流量从而对后系统冲刷严重，并且气体温度过低，蒸汽的转化率也将大打折扣，因而此处的温度一般控制在950℃左右。升温或者烘炉的过程中，也必须保护好喷嘴。
8、飞灰处理系统
Winkler炉的炉顶细灰经单级旋风除尘器分离后，并未返回气化炉，而是和灰渣一起送往辅助锅炉作为燃料。
其他的流化床气化炉的细灰经两级或者旋风除尘器分离，第一级的出料返回气化炉重新反应，第二级除尘器的出料回收后，另做他用。
三、结论
1、“上吐下泻”的问题有待于彻底解决
由于炉内物料混合均匀，而生产煤气客观要求炉内必须保持还原性气氛，也就是炉内物料必须保持较高的含碳量，这就使得一般流化床气化炉底渣和炉顶飞灰残炭量高，即所谓的“上吐下泻”。虽然中心射流和选择排灰，实现了灰渣和碳的分离，也就是说降低了灰渣中的残炭率，对“下泻”的避免有积极的意义。但是，飞灰的治理并没有实际的效果。有人认为原因在于流化床内部的还原性气氛，应该将其返回到喷射区，即氧化区内。
2、开发流化床加压气化技术
压力提高后，临界流化速度将会减小；对床层阻力的影响很小；为维持床层膨胀高度不变，需要增加气体流速，也使得气体在床内的停留时间相应的增加；加压流化较均匀，气泡含量很小，颗粒往复运动均匀；带出物的量和尺寸都减小了。并且，生产强度约与压力增加的平方根成正比。而且加压气化提高了煤气的压力，减少了后续工段的压缩功耗。
3、借鉴先进经验，提高流化床的气化效率
目前，流化床开发较好的技术如中心射流产生局部高温、稀相段加入二次风、提高气化炉的反应温度、湿态排渣等，应将这些好的做法加以耦合，从而切实提高流化床的气化效率。
参考文献：
[1] 金涌 祝京旭等 《流态化工程原理》[M] 北京：清华大学出版社，2001:2.
[2]顾恒祥 《燃料与燃烧》[M] 西安：西北工业大学出版社，1993:87
作者简介：
时小兵(1977一)，男，山西晋城人，硕士研究生，化工工程师，现在晋城煤业集团从事化工工作。联系方式：bxs8596@163.com