现代大型煤化工中普遍应用的水煤浆进料液态排渣气流床气化炉，根据气化炉隔热衬里的不同分为水冷壁气化炉和耐火砖气化炉。水冷壁气化炉以废锅流程为主，耐火砖气化炉几乎均为水激冷流程。本系列将从不同方面对水冷壁气化炉与耐火砖气化炉进行对比。
煤炭分级利用提质后产生大量的半焦和焦炭，这些半焦和焦炭挥发分较低一般为7%～12%，反应活性较差，灰分和原煤有关，灰熔点和原煤相同。
对于耐火砖气化炉，焦炭气化一直是水煤浆气化的一个禁区，主要原因是焦炭的挥发分较低。耐火砖气化炉采用蓄热式点火，气化炉必须先用预热烧嘴将炉温升至800℃以上，然后更换为工艺烧嘴投煤浆，水煤浆进入气化炉后，首先脱水分和挥发分，利用耐火砖的蓄热将挥发分点燃，然后将煤点燃，所以耐火砖气化炉要求原料的挥发分大于20%。
此外，由于焦炭的反应活性较差，为了保证焦炭的充分反应需要提高气化温度，这将导致耐火砖气化炉的耐火砖衬里使用寿命降低。
水冷壁气化炉采用一个组合烧嘴进行点火/升温/投料操作，先用燃料气将气化炉炉温升至800℃，然后在常压下直接投煤浆，燃料气和煤浆、氧气一起从烧嘴口喷出，利用燃料气放出的热量直接将煤点燃，所以可以使用焦炭气化。
而且对于反应活性较差的半焦和焦炭，水冷壁气化炉可以容许较小的渣口尺寸，从而减少因直接从渣口流出而未来得及完全反应的碳颗粒数量，而且渣口附近的回流区强化了碳颗粒的返混，增大了固体颗粒的停留时间，从而保证了半焦和焦炭气化的碳转化率。
因此，水冷壁气化炉更适用于挥发分含量低、反应活性差的半焦和焦炭气化。
石油焦是石油焦化裂解之后提炼的副产品。在石油裂化和裂解过程中，大部分的氢和氧被转化到气体和液体产物中，使得石油焦具有很高的含碳量，其热值也很高，可达34MJ/kg以上。但是由于石油焦主要由长链脂肪烃缩聚物和稠环芳烃缩聚物构成，挥发分含量较低，而且石油焦孔隙结构很不发达，造成其气化活性很低。石油焦灰分含量一般低于0.5%，远低于烟煤的灰分含量7%以上。而且石油焦灰分中Ni、V等重金属元素含量高，从几百到几千μg/g不等，使石油焦灰熔点可达1500℃以上。石油焦颗粒表面具有很强的疏水性，石油焦配水制成水焦浆的浓度可以很高，一般可以达到60%以上，最高甚至可达70%。
对于需要液态排渣的耐火砖气化炉，由于石油焦的灰熔点已经大大超过耐火砖的使用温度范围，因而耐火砖气化炉无法直接气化石油焦原料。此外，石油焦灰分中的微量元素特别是V元素对耐火砖产生很强的侵蚀作用。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砖的相互作用面沉积，并与耐火材料表面Cr层发生化学反应，造成耐火材料表面发生化学散裂。由于石油焦的气化活性很低，难以在气化炉内完全反应，造成碳转化率降低，而且由于吸热的碳的气化反应因活性低而推迟了，导致气化炉内产生了局部的高温区域，同时由于石油焦灰分太低导致耐火砖表面渣层太薄，因而很容易发生炉壁超温。
对于耐火砖气化炉，一般需要将石油焦和煤混配后才能气化，但是必须严格控制操作温度的石油焦掺混比例，一般石油焦掺混比例不能超过30%。在高比例掺烧石油焦时常常出现碳转化率低、气化炉壁超温等问题。
对于水冷壁气化炉，水冷壁上形成向火侧液态、背火侧固态的稳定渣层。由于高热阻的渣层对水冷壁起到保护作用，使气化温度可以达到很高，而且不会受到气化炉内高温区域变化的影响，可以直接气化高灰熔点的石油焦原料。而且由于固态渣层的隔离保护，水冷壁完全不受熔渣的物理侵蚀和化学侵蚀，不会受到石油焦中V元素的侵蚀作用。
对于石油焦活性很低的情况，水冷壁气化炉可以容许较小的渣口尺寸，从而减少因直接从渣口流出而未来得及完全反应的碳颗粒数量，而且渣口附近的回流区强化了碳颗粒的返混，增大了固体颗粒的停留时间，从而保证了石油焦气化的碳转化率。
对于石油焦灰分含量低的情况，可以通过将沉降槽底部的细灰返回气化炉的方式来增加原料的灰含量，从而为水冷壁稳定挂渣提供足够的灰源。而且细灰循环也增加了碳在气化炉内的停留时间，从而增加总的碳转化率。
从以上来看，水冷壁气化炉具有高比例掺烧石油焦的能力，当采用细灰循环时水冷壁气化炉甚至可以气化100%石油焦原料。
作者简介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生学历，高级工程师，2015年毕业于清华大学热能工程系，主要从事煤气化和煤炭清洁高效利用技术研究和开发工作。
撰稿 | 管清亮
编辑 | 李瑞丹
审核 | 岳 军
