最长的耐火材料寿命)是关键的。气化通常使用两种类型的含碳原料，即煤和石油焦，作为未来应用的生物原料不在本文的讨论范围。表1列出了覆盖美国近300个煤种的煤灰分的化学组成范围并且举例存在有较宽的化学组成变化。关于表中列出的化合物，关系到耐火材料的侵蚀与磨损，Fe、Si、Ca、和Al是最普通的核心元素。这些元素对渣的粘度影响较大，继而影响到渣向耐火材料炉衬气孔中的渗透及耐火材料的侵蚀。例如，铁氧化物影响渣的粘度，耐火材料的渗透及耐火材料的侵蚀，它与耐火材料颗粒中的Cr2O3和Al2O3反应生成一种固溶体或一种尖晶石，或者引起其向渣中的溶解。其它元素如Na和K 被关注的是取决于它们在渣中的含量。
石油焦渣中含有的最主要元素在煤渣中都有，但是其含有较高含量的V与Ni。有限数量(9个)的石油焦渣的平均化学成分变化范围列于表Ⅱ。含有高含量V的渣被关注是因为依赖于气化温度和氧气分压的变化会存在有大量数目的变价元素。一般来说，气化炉操作者认为石油焦渣与煤渣有相似的行为，尽管在微观结构层面上，在耐火材料显微结构内在耐火材料/渣反应之间存在不同之处。本文中耐火材料研究的重点不包括矾的化合物，因为对高温和低的氧气分压环境下其热力学数据是有限的，这样建立气化环境下的模型是困难的，也是不可能的。
表Ⅱ 建立在9个含有杂质[5-7]的石油焦渣的化学性能波动范围（重量百分比）
物质 最大值 最小值 平均值 标准偏差 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 NiO V2O5
18.9 9.4 31.6 11.9 5.1 0.7 2.3 0.6 11.4 79.4 3.1 0.5 1.2 2.0 0.3 0.3 0.1 0.2 2.9 30.2 14.1 4.8 7.2 5.4 1.0 0.5 0.8 0.3 8.4 57.0 8.7 2.8 9.3 3.8 1.6 0.4 0.8 0.2 3.2 19.5 C. 耐火材料炉衬磨损的冲击
渣和气化炉环境是核心问题，其决定了气化炉炉衬耐火材料的寿命及其在线运行的有效性。耐火材料炉衬损坏的代价是昂贵的，主要依据是重砌耐火材料的费用(根据气化炉的尺寸和必须重砌的程度，费用≥1百万美元)和耽务的停产时间。气化炉的重新砌炉需要其完全停产，且在合适的环境下，局部大修需要花费10天，完全大修需要更长的时间。涉及的气化炉过程有冷却(最多4天)，拆炉(根据必须维修的耐火材料的程度需要1-3天)，及维修/重砌(根据必须维修的程度，部分维修需要3天，全部重砌需要7-10天或更长时间)。一些气化现场保养有第二个气化炉以确保稳定的合成气生产。当一个气化炉因检修停产时，第二个重建的气化炉以备用模式运行，应用到
在线系统中。其结果是降低了系统的停产增加了在线的运行及下游程序的操作。然而，第二个气化炉增加了资金及维修费用。尽管有第二个气化炉，但是置换到第二套系统的时间依赖于备用气化炉是可用并且在预热模式下从几个小时变化到数天。
因为维修长时间的停产，气化炉操作者希望安装的耐火材料炉衬至少要有3年的可靠寿命，并以此视为推广气化技术商业应用的关键障碍。在渣气化炉系统上当前阶段的耐火材料炉衬还未有解决这个寿命，在高-磨损区域仅仅3个月就损毁了，然而在其它部位则达到了期望的3年寿命。改进寿命的可靠的耐火材料炉衬是必须的以确保气化发挥其潜能，以作为发电与生产气源先驱体的洁净与有效的手段。为了实际应用气化炉使用者需要系统的运行率在85-95%之间，并且在例如化学原料生产的应用中，其运行率在应大于95%。解决不了这些目标将会影响气化技术的商业应用。 D. 气化炉炉衬技术
空-冷的渣气化炉对耐火材料炉衬对材料提出的要求是苛刻的且包括以下方面：高温、急剧的或快速的温度变化、颗粒的磨损、熔渣的侵蚀、渣成分的波动、热侵蚀气体的冲击及氧化或还原气氛的变化。如上所述，为了连续、有效及可靠的气化工艺，耐火材料必须承受长时间的气化炉工况环境。图2示出了集中在本研究上的两种气化炉类型。
图2 使用耐火材料炉衬的两种类型的空-冷渣气化炉：（a）GE设计和（b）Conocophillips设计
气化炉的耐火材料炉衬在2层到6层之间，包含有4层的典型的空-冷炉衬的剖面图如图3所示。设计的向火面或工作衬是直接接触气化环境的，其组成不仅要考虑到气化炉的气氛和原料，还要考虑到温度及材料在气化炉内的使用部位。耐火材料的最关键性能是其与热气体例如H2、CO、CO2、H2O或H2S的热力学性能稳定，并且在化学上能抵抗由含碳原料形成的液态渣的侵蚀及抗热循环性能。由于渣组成的数目与气化炉耐火材料复杂的微观结构。使用已知的相图或热力学数据来预测耐火材料/渣之间的相互反应其价值有限。三元系外相关的少数相图几乎还没建立，并且在高温氧化-还原气氛下对渣中一定数目化合物的所有核心反应的热力学数据是不完全的或是不存在的。有限的信息还存在于耐火材料对抵抗高温颗粒及喷射原料的冲刷/磨损的能力上。材料的其它性能，例如耐火材料的热导率必须
考虑到气化炉的钢壳温度维持在以便渣流动的可容许的内部温度，同时保证钢壳及耐火材料隔热衬在酸性露点冷凝温度以上。如果在气化炉内出现露点冷凝，由于在气化炉使用时有较高的压力，它将导致钢壳腐蚀及气化炉的灾难性损毁。
图3 空-冷渣气化炉的类型，并示出了该类型气化炉共有的渣在热面耐火材料冲刷磨损的剖面图
根据气化系统，气化炉耐火材料设计分成两种类型：(1)以气体和液体为原料的气化炉(特征是灰量低)和(2)以固体为原料的气化炉(特征是灰量高)。炉衬材料的重点集中在向火面耐火材料上，由于其暴露在最具有侵蚀的环境下，并且因此展现了最苛刻的磨损/侵蚀。 E. 低渣环境下的耐火材料 (气体或液体原料)
在以气体或液体为原料的低渣环境下的气化炉中，低SiO2和FeO的高铝质耐火材料被证明是最适用的。低的SiO2和FeO的含量是重要的，因为这些化合物能与合成气反应。在1253K(980℃)以上会发生SiO2的氢气还原，它能引起SiO蒸气的形成，在耐火材料炉衬