水煤浆水冷壁和耐火砖区别.docx

水煤浆水冷壁型气化炉和水煤浆耐火砖气化炉的比较
1. 总说明
水煤浆水冷壁气化炉（清华炉）是清华大学在原耐火砖炉型上发展的一种新型气化炉，利用水冷壁代替耐火砖作为保护，首台示范装置于2011年8月22日在山西阳煤丰喜临猗公司一次投料成功，第一次运行创造了单炉安全连续运行140天的好成绩，创造了世界煤气化历史上第一次投料单炉无间断连续稳定安全运行的最长记录。
水煤浆耐火砖气化炉具有代表性的是GE公司的气化炉，以下就水煤浆耐火砖气化炉和水煤浆水冷壁气化炉两者的不同进行对比。
2. 煤浆制备
煤浆制备两者区别不大，清华炉可以采用传统的制浆工艺，也可以采用和国家煤科院水煤浆工程中心合作的双峰级配技术（已经签订战略合作协议），煤浆浓度和传统的制浆工艺相比至少可提高3%以上。
3. 气化工段
3.1气化炉燃烧室结构的比较
3.1.1耐火砖气化炉燃烧室
耐火砖气化炉燃烧室（见下图）由外壳和耐火砖组成，在气化炉外壳还安装有表面温度报警系统，当气化炉的耐火砖失效时，可以及时发现气化炉外壁超温情况。
气化炉反应室的内部形状是通过耐火砖的砌筑来实现的，在相同外壳直径条件下气化室内径较小。一般耐火砖分为三层。
向火面砖：向火面包括工艺烧嘴入口、气化炉拱顶、气化炉侧墙、气化炉锥底和出口。在需要的地方必须使用特殊形状的耐火砖，以使这些层能够紧密结合并保证高的抵抗力。向火面砖要求能自由膨胀，自立于托砖板上，砖和砖之间不能用凹凸台配合。通常采用含Cr2O3≥86%的耐火砖。
背衬砖：向火面砖的底层炉衬，紧靠向火面砖的后面，用于支撑拱顶砖的重量，自立于托砖架上。通常采用含Cr2O3≥12%的耐火砖。
隔热砖：超级耐用的绝热耐火砖组成的绝热层，用于降低气化炉金属外壳的温度。通常采用含Al2O3≥98%的耐火砖。
气化炉锥底砖一般运行4000~5000小时左右更换一次，换砖连同气化炉升降温的时间周期一般为20天；气化炉向火面砖一般运行10000小时左右更换一次，换砖时间连同气化炉升降温的时间周期一般为60天。
目前，耐火砖气化炉烧嘴一般运行时间为50~80天左右需更换一次。
气化炉激冷室采用下降管、上升管结构。

耐火砖气化炉 水冷壁气化炉
3.1.2水冷壁气化炉燃烧室
水冷壁气化炉燃烧室（见上图）由外壳和水冷壁内件两部分组成，气化炉外壳设置有炉壁测温点。
气化炉水冷壁分为三部分，分别为主水冷壁、上部盘管和渣口盘管。水冷壁内衬20～30mm的耐火材料，主要成分为SiC。
气化炉烧嘴一般运行时间为120天左右需更换一次。
气化炉激冷室采用无上升管，下降管喷水结构。
3.2水冷壁型清华炉和GE炉的主要对比：
（投煤量1500吨/天气化炉）
项目
GE炉
清华炉
气化炉内衬
耐火砖
水冷壁
进料方式
水煤浆
水煤浆
气化压力
6.5MPaG
6.5MPaG
燃烧室
2135/3200mm(燃烧室/外壳)
2400/2800mm(燃烧室/外壳)
燃烧室容积
25m3
35m3
水冷壁压力

高于气化压力0.5MPa
气化炉外壳
SA387（炉壳设计温度425℃）
可以采用14Cr1MoR（炉壳设计温度350℃）
气化炉投资
采用进口钢材，需要昂贵的耐火砖
采用国产钢材，不需耐火砖。单台气化炉投资至少可节省一炉耐火砖的投资
气化炉岛投资
需要备用炉，投资大
不需要备用炉，投资小
建设周期
进口钢板，周期长
国产钢板，周期短
单炉运行时间
最长6500小时
保证8000小时
有效气成分

由于炉膛容积增大，相同投煤量情况，停留高于耐火砖气化炉
水冷壁蒸汽产量

≤3t/h
开工蒸汽
烘炉时开工抽引器需要外接蒸汽
不需开工蒸汽
气化炉效率

耐火砖炉子壁温一般比水冷壁高110℃左右，水冷壁将原耐火砖炉子的散热变成了蒸汽，效率较高
维修费用
气化炉4000～5000小时更换一次锥底砖，10000小时左右更换一次向火面砖
气化炉水冷壁寿命约10年，每年平均可节约费用600万元
气化炉启动时间
从冷态启动至满负荷需80小时
从冷态启动至满负荷3~5小时
预热烧嘴
需要
不需要
气化炉主烧嘴
三流道烧嘴，结构简单，使用寿命短
带点火功能的组合烧嘴，结构较复杂，使用寿命长
烧嘴冷却水系统
烧嘴冷却水温度43℃左右，存在露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀
烧嘴冷却水温度275℃以上，烧嘴运行环境较好
多台气化炉共用一套独立系统
单台气化炉和汽包共用一套锅炉水系统
烧嘴冷却水压力低于气化炉压力，轻微泄漏必须马上停车
烧嘴冷却水压力高于气化炉压力，轻微泄漏不必马上停车
气化炉操作
主要看渣口压差、气体成分等判断炉温
除渣口压差、气体成分外还可通过蒸汽产量、水冷壁出口温度等判断炉温，便于操作
煤种适应性
灰熔点≤1350℃
灰熔点≤1520℃煤种，适应性强，可降低原料煤采购成本。
3.3工艺系统的比较
3.3.1气化炉的点火、投料
耐火砖气化炉点火和投料采用两个不同的烧嘴，预热烧嘴主要作用是将气化炉温升至800～1000℃，然后再更换工艺烧嘴投料。煤浆的燃烧主要依靠耐火砖的蓄热，投料后，反应历程为脱水分和挥发份→燃烧→气化，所以气化炉温度先降后升，经常发生炉内燃爆。
水冷壁气化炉点火和投料采用一个组合烧嘴完成，不需设置开工升温烧嘴，直接用工艺烧嘴将气化炉温度升至800℃后投料。投料时由于炉内有燃料气、氧气在进行燃烧，燃料气、氧气和煤浆混合后从喷嘴喷出，煤浆直接燃烧，气化炉温度立刻上升，不会发生炉内燃爆。
3.3.2燃料气系统
耐火砖气化炉在烘炉时，炉内为负压，燃料气压力一般在0.5MPa左右即可。水冷壁气化炉采用特殊的组合烧嘴升温点火形式，炉内压力为正压，投料时煤浆和氧气压力均在1.0MPa左右，所以燃料气压力也应保证在1.5MPa以上。
燃料气可选用天然气、液化气、驰放气等，可根据用户的具体情况选择合适的燃料气气源。
3.3.3氮气系统
水冷壁气化炉和耐火砖气化炉对氮气系统的要求相同。
3.3.4锅炉水系统
水冷壁气化炉需增加和水冷壁相配套的设备，包括汽包和锅炉水循环泵，气化炉水冷壁系统和烧嘴冷却水系统共用一套锅炉给水系统。汽包中的锅炉水，通过锅炉水循环泵分别送入气化炉的水冷壁系统和烧嘴冷却水系统。
水冷壁气化炉正常开车期间，产生约≤3 t/h蒸汽，需要补充～3 t/h左右的锅炉水，锅炉水压力≥7.0MPa，温度≥104℃。可从锅炉母管直接引一根锅炉水管线。
3.3.5蒸汽
耐火砖气化炉在开车阶段开工抽引器需要消耗低压蒸汽，消耗量一般为5～10t/h，水冷壁气化炉由于采用正压升温、正压投料，不需使用开工抽引器。
水冷壁气化炉在开车阶段需要使用低压蒸汽对汽包和水冷壁进行升温，温度一般升至180℃左右，蒸汽消耗量一般为0.5～1t/h。
水冷壁气化炉正常开车期间，产生高于气化压力0.5MPa的饱和蒸汽，流量约3 t/h（蒸汽产量主要和炉温有关），此部分蒸汽可直接并入就近的工厂蒸汽管网。
2.3.6氮气（二氧化碳或驰放气）
水冷壁环隙需要充保护气体，可以充氮气、二氧化碳或驰放气等干燥气体，压力高于气化压力0.5MPa，流量约200Nm3/h。
3.4公用工程消耗对比
项目
耐火砖气化炉
水冷壁气化炉
用量
操作规律
用量
操作规律
开工蒸汽
5～10t/h
间歇，每次开车用80小时左右
0.5～1t/h
间歇，每次开车用2小时左右
副产蒸汽

2～4 t/h
长期
环隙气

200Nm3/h
长期
锅炉水

2～4 t/h
长期
燃料气

间歇，每次开车用80小时左右

间歇，使用每次开车用2小时左右
3.5存在的风险
3.5.1设备的风险
耐火砖气化炉存在的主要风险为气化炉炉壳超温，国内同类厂家曾出现过气化炉壳体鼓包、爆炸等事故。如鲁南化肥厂、淮南化肥厂、南京惠生、滕州凤凰等厂家。耐火砖气化炉发生的事故主要是由于耐火砖固有特征决定的。
水冷壁气化炉的炉壁温度比耐火砖炉的炉壁温度降低约100℃左右，且不存在串气想象，气化炉不会发生鼓包、爆炸等事故。
在设备安全方面，水冷壁气化炉比耐火砖气化炉有更好的安全性。水冷壁气化炉安全问题可控。

国内某厂GE气化炉更换封头
4. 清华炉和GE气化炉相比主要有以下优势
4.1安全性好：
GE气化炉在开车和运行过程中，气化炉承压钢壳的温度在200℃以上，如果筑炉有问题或炉砖串气，就会发生炉壁超温的现象，严重时造成气化炉炉壳鼓包、爆炸（鲁南化肥厂、淮南化肥厂、南京惠生均发生过类似事故）。
清华炉水冷壁采用全密封垂直管结构，气化炉炉壁温度不会高于水冷壁温度，不存在炉壁超温的问题。
4.2稳定性好：
GE气化炉正常运行时，主要依靠看渣口压差、洗气塔出口气体成分来判断气化炉的炉温，来调整氧煤比，但往往反应比较滞后，如煤浆泵打量不好时不易发现，等发现后再处理时，经常造成事故扩大，难以处理。
清华炉正常运行时，除了看渣口压差、洗气塔出口气体成分外，水冷壁的蒸汽产量更能直接反应气化炉的炉温，如煤浆泵打量不好，蒸汽产量会瞬间增大，操作工可以及时处理，避免事故扩大。
4.3煤种适应性强：
GE气化炉由于受到耐火砖的限制，对煤种的灰熔点要求很高，一般要求煤的灰熔点不能超过1350℃。
水冷壁气化炉对煤的灰熔点可以适当放宽，在山西丰喜的工业装置上试烧灰熔点为1520℃的原料煤，系统运行正常、稳定。
4.4对环境友好:
GE气化炉炉采用高铬砖，向火面砖的Cr2O3含量要求不低于86%，在运行过程中，耐火砖会被炉渣侵蚀、剥落，含铬炉渣会对环境造成影响；在气化炉换砖过程中，拆下来的含铬的炉砖也不易处理；GE气化炉的烘炉过程很长，原始烘炉需20天左右，正常烘炉需3天以上，放空的废气较多。
清华炉内部仅有30mm厚的SiC涂层，在运行时也不需再进行更换，运行时对环境无害；清华炉的耐火材料烘炉时间很短，两个小时即可直接投料，放空的废气少。
4.5烧嘴运行时间长
GE气化炉烧嘴一般运行时间为50~80天，如煤质好，烧嘴头部进行特殊处理，有时也可达到100天。烧嘴冷却采用盘管，压力也比气化炉压力低，在烧嘴拆装过程中，水冷盘管极易损坏，水冷盘管损坏后，高温、高压煤气将会直接进入烧嘴冷却水系统，必须立即停车。
清华炉的烧嘴和水冷壁共用一套循环水系统，循环水温度高，运行条件比较优化，GE气化炉烧嘴存在的露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀都得到解决。烧嘴冷却采用夹套结构，没有突出部件，不易损坏，烧嘴冷却水压力比气化炉高，即使烧嘴冷却水泄漏，也不必立即停车。
4.6单炉运转时间长
GE气化炉耐火砖一般运行4000~6000小时后需要更换锥底砖，时间需要20天左右；运行10000小时左右，需要更换向火面砖，时间需要60天左右。年运转时间最长6500小时，对于化工生产来讲，需要设置备用炉。
清华炉无需换砖，仅需定期停炉更换烧嘴进行系统清理，单炉年运转可以达到8000小时以上，可以不设置备用炉。
4.7投资低
GE气化炉由于炉璧温度较高，炉壳需要选用SA387材料制作，炉内还需砌筑耐火砖，单炉造价高，制作工期长；由于需要开工蒸汽，有些新建厂还需为气化烘炉单独建设开工锅炉。
清华炉炉壁温度较低，选用国产的14Cr1MoR即可，单炉造价低，制作工期短。初步测算，清华炉炉壳加内件的价格和GE炉炉壳价格基本相当，单台气化炉比GE炉投资节省一炉耐火砖的投资；气化炉烘炉也不需开工锅炉。如不设备用炉，将会比GE炉投资节省更多。
5. 经济效益
5.1耐火砖减少的费用
GE炉耐火砖一般运行4000~6000小时后需要更换锥底砖，时间需要20天左右；运行10000小时左右，需要更换向火面砖。以直径3200mm的气化炉为例，向火面砖及拱顶砖更换一次的费用大致在700万元左右，十年时间需要更换6次到7次，折合节约费用4000万元到5000万元，锥底砖的更换费用为80万元左右，十年时间需要更换20次左右，折合节约费用1600万元。综合考虑十年时间公司耐火砖气化炉仅更换耐火砖就需要支付将近5600万元到6500万元。
5.2烘炉费用的减少
耐火砖气化炉每次开车前需要烘炉，每次烘炉需要消耗燃料气、蒸汽和激冷水，水冷壁气化炉不需提前烘炉，仅需在开车前1~2小时对气化炉开始点火，可节约大量烘炉费用。
5.3长周期运行
水冷壁气化炉可实现气化炉的长周期运行，不会再发生由于气化炉检修倒不过来的现象，后系统不会再发生因为气化炉原因减负荷。由此带来的经济效益更大。
5.4原料煤效益
水煤浆水冷壁清华炉可使用采购价格较低的高灰熔点原料煤，经济效益巨大。
6. 灰水处理系统
清华炉灰水处理系统经过多年的改进，和GE炉相比操作和检修更方便，更有利于长周期运行，主要改进有：取消沉降槽进料泵，提高真空闪蒸位差，沉降槽作为真空闪蒸罐的液封槽；各级闪蒸罐内件的改进，更有利于检修；真空闪蒸冷凝器改进，不再因为灰水堵塞而经常检修等等。
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