气流床煤气化是现代煤化工产业的龙头技术，按照进料方式的不同分为水煤浆进料和干粉进料，两者均具有水冷壁衬里的气化炉。本系列将从不同方面对水煤浆水冷壁气化炉与干粉气化炉进行对比。
气化炉反应室一般采用液态排渣，夹带熔融灰渣的合成气温度可以达到1300℃以上，具有很高的显热热量。在合成气进一步处理前需要将其冷却下来，常采用水激冷或者气体激冷方式，损失了大量显热热量。为了提高能源利用效率和能效水平，采用辐射式废热锅炉回收高温熔渣和合成气的显热同时副产高压蒸汽成为发展方向。水煤浆水冷壁气化炉辐射废锅是成熟技术，已经有多个稳定运行的商业案例，最长连续运行时间已超过140天。干粉气化炉辐射废锅尚无稳定运行的案例。本文将对水煤浆水冷壁气化炉的辐射废锅和干粉气化炉的辐射废锅进行对比分析。
辐射废锅直接接收来自气化炉反应室的粗煤气，以单炉有效气产量200000Nm3/h（日处理煤量3000吨级）为例，表1列出了典型干粉气化炉和水煤浆气化炉辐射废锅入口的合成气流量和组成。从表中可以看出，在相同的有效气产量条件下，水煤浆气化炉粗煤气中的H2O和CO2含量更高，其总的粗煤气流量比干粉气化炉高约37%。因此水煤浆气化炉粗煤气具有更大的显热量，在辐射废锅中相同的温度降可以回收更多的热量并副产更多的蒸汽。
气化炉产生的合成气用于化工时，往往需要将一部分或者全部的CO通过变换反应转化为H2，同时消耗H2O。为了变换工段不额外补充水或者水蒸气，需要气化炉合成气中的水蒸气具有一定的含量，而水蒸气的产生主要通过合成气显热来直接将激冷水气化产生，因此辐射废锅能够回收的最大热量还与变换工段需要的水气比有关。水煤浆气化炉合成气中H2含量高，所需要的变换量小，因此变换工段水气比要求比干粉气化炉低。对于合成氨项目，水煤浆气化炉粗煤气水气比要求高于0.78，此时辐射废锅可副产143t/h蒸汽；而干粉气化炉即使是激冷流程也需要在变换工段向合成气中补水，因此其辐射废锅已无显热回收潜力。对于合成甲醇项目，水煤浆气化炉粗煤气水气比要求高于0.48，此时辐射废锅可副产208t/h蒸汽；而干粉气化炉粗煤气水气比要求高于0.6，此时辐射废锅最多副产44t/h蒸汽，水煤浆辐射废锅副产蒸汽量几乎是干粉废锅的4.7倍；即使是水煤浆气化炉辐射废锅将合成气温度降低至与干粉气化炉一致，也能副产65t/h蒸汽，高于干粉废锅，见表2。
辐射废锅内的换热以气体辐射换热为主，与气体种类密切相关。H2和N2等分子结构对称的双原子气体是热辐射的透明体，而气体辐射主要取决于H2O和CO2等三原子气体。水煤浆气化炉合成气中具有热辐射能力的H2O和CO2含量远远高于干粉气化炉，根据初步估算，其辐射废锅气体辐射黑度比干粉气化炉高约25%。由于水煤浆气化炉辐射废锅内良好的气体辐射换热效果，相同的设备能力下其辐射废锅设备尺寸可以更小。
此外，辐射废锅的稳定运行受合成气携带灰渣的影响。干粉气化炉原料粒度细，气化室壁面挂渣少而大部分灰颗粒随气流直接流出渣口，使得出气化室的细灰含量大，细灰尺寸小，这些细灰进入辐射废锅后易弥散并沉积在废锅受热面上，使受热面沾污而影响换热效率，造成蒸汽产量下降。水煤浆气化炉气化室中灰颗粒主要被壁面捕捉而团聚成大尺寸熔渣，进入辐射废锅后易受重力分离而直接落入激冷室，对废锅换热效率影响较小。
综上所述，水煤浆水冷壁气化炉辐射废锅的热量回收和蒸汽产量潜力大、气体辐射换热效果好、灰渣对辐射废锅影响小，与干粉气化炉相比，水煤浆水冷壁气化炉发展辐射废锅技术具有更大的优势。
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
