SE-東方爐適宜操作溫度的確定方法及調(diào)控手段

安 光

(中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司， 安徽淮南 232092)

單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化技術(shù)(簡(jiǎn)稱SE-東方爐技術(shù))是中國(guó)石化集團(tuán)與華東理工大學(xué)根據(jù)中國(guó)石化現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需要，共同研發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且具有較強(qiáng)煤種適應(yīng)性的新型煤氣化技術(shù)。2014年，中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司 “單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化” 工業(yè)化示范裝置的實(shí)際運(yùn)行記錄表明，單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化爐(簡(jiǎn)稱SE-東方爐)對(duì)于高灰熔點(diǎn)、高灰分劣質(zhì)煤具有優(yōu)良的適應(yīng)性[1]，且具有原料消耗低、碳轉(zhuǎn)化率高、操作靈活、成熟可靠等優(yōu)勢(shì)[2-3]。自2019年以來(lái)，根據(jù)中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱中安聯(lián)合)煤氣化裝置運(yùn)行情況，SE-東方爐順利通過(guò)高灰熔點(diǎn)、高灰分淮南煤的滿負(fù)荷運(yùn)行驗(yàn)收考核，對(duì)多種高灰熔點(diǎn)、高灰分混配煤種具有較好的適應(yīng)性。

SE-東方爐技術(shù)由煤粉制備、粉煤高壓供料與輸送、氣化及洗滌，以及渣水處理單元組成。除了煤粉制備單元為通用技術(shù)外，其他單元及系統(tǒng)均有相關(guān)專利技術(shù)作為支撐，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套粉煤加壓氣化技術(shù)。針對(duì)化工合成氣的制備工藝特點(diǎn)，該技術(shù)采用粉煤密相氣力輸送(CO2載氣)、單噴嘴冷壁式氣化爐、激冷流程的工藝組合方案。

筆者結(jié)合SE-東方爐技術(shù)的工藝技術(shù)特點(diǎn)和工業(yè)生產(chǎn)裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，從溫度調(diào)控的重要性出發(fā)，重點(diǎn)闡述了判斷氣化爐爐溫高低的方法及適宜爐溫的評(píng)判依據(jù)，以期為同類氣化裝置的穩(wěn)定操控提供參考。

1 氣化爐操作溫度的影響

SE-東方爐技術(shù)采用氣流床連續(xù)氣化工藝，對(duì)于氣化爐溫度的選擇控制是整套氣化裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

1.1 操作溫度對(duì)膜式水冷壁的影響

SE-東方爐的燃燒室內(nèi)安裝膜式水冷壁，膜式水冷壁內(nèi)側(cè)(向火側(cè))內(nèi)襯一定厚度的SiC耐火襯里。運(yùn)行過(guò)程中，粉煤氣化產(chǎn)生的熔渣沿著耐火襯里內(nèi)壁往下流，在燃燒室SiC耐火襯里上會(huì)形成一定厚度的渣層。該渣層能保護(hù)膜式水冷壁不受高溫侵蝕，從而起到了以渣抗渣的作用。若操作溫度過(guò)高，使得氣化產(chǎn)生的熔渣流動(dòng)性較大，造成SiC耐火襯里上渣層較薄，則會(huì)引起膜式水冷壁局部溫度過(guò)高，可能會(huì)使水冷壁局部燒穿，造成因水冷壁系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。

1.2 操作溫度對(duì)氣化爐工藝燒嘴的影響

SE-東方爐的工藝燒嘴是集點(diǎn)火、開(kāi)工、投煤功能為一體的復(fù)合式粉煤氣化燒嘴，是整套氣化工藝的核心設(shè)備之一。工藝燒嘴設(shè)置在SE-東方爐燃燒室的爐頭位置，此處溫度可高達(dá)2 000 ℃以上，同時(shí)氣體和熔渣的侵蝕等都對(duì)工藝燒嘴的耐高溫性能提出極大的考驗(yàn)。

1.3 操作溫度對(duì)渣口壓差的影響

SE-東方爐整體分為上、下兩個(gè)室，上部為燃燒室，下部為激冷室。粉煤在燃燒室中與氧氣、蒸汽發(fā)生氣化反應(yīng)，生成的粗渣和粗合成氣并流往下通過(guò)渣口和下降管進(jìn)入激冷室。若氣化溫度偏低，熔渣黏度則會(huì)迅速增大，流經(jīng)渣口時(shí)會(huì)造成渣口積渣縮小，引起渣口壓差增大，從而易導(dǎo)致下降管燒蝕變形，氣化爐跳車。

1.4 操作溫度對(duì)粗合成氣組分的影響

粗合成氣的主要成分有CO、H2、CO2、CH4、H2S等。各組分含量與操作溫度有直接關(guān)系，且對(duì)下游變換與低溫甲醇洗工序產(chǎn)生一定的影響。適當(dāng)提高操作溫度有利于提升出洗滌塔的水汽比，降低變換單元的水蒸氣消耗。在不堵塞渣口的條件下，適當(dāng)降低爐溫，則有效氣組分含量提高，有利于降低氧耗和煤耗。

1.5 操作溫度對(duì)氣化水系統(tǒng)的影響

在氣化爐操作溫度較高的工況下，氣化系統(tǒng)的黑水溫度升高會(huì)引起閃蒸系統(tǒng)、澄清系統(tǒng)的效果不佳，不僅加重了灰水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，而且影響生產(chǎn)裝置外排污水的水質(zhì)，可能造成排放不達(dá)標(biāo)的情況。

因此，氣化過(guò)程中要控制氣化爐的操作溫度，不宜過(guò)高或過(guò)低。適宜的操作溫度，不僅能夠有效避免氣化爐內(nèi)件故障，而且能夠保證氣化爐穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2 判斷爐溫高低的方法

判斷爐溫的直接參數(shù)主要有水冷壁蒸汽產(chǎn)量、SiC溫度計(jì)顯示值、合成氣組分及渣型(見(jiàn)圖1)。

圖1 爐溫控制示意圖

2.1 水冷壁蒸汽產(chǎn)量

SE-東方爐水冷壁的蒸汽產(chǎn)量是氣化溫度和掛渣情況的一種表征。如果氣化溫度恒定，但水冷壁蒸汽產(chǎn)量逐漸升高，表明渣層在逐漸變薄，氣化爐溫較高，造成燃燒室內(nèi)壁掛渣較薄，渣層由于熱損失減少而導(dǎo)致較高的水冷壁溫度。值得一提的是，根據(jù)中安聯(lián)合SE-東方爐實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在2020年上半年由于合成氣組分在線分析儀表?yè)p壞未能及時(shí)修復(fù)，主要采用水冷壁蒸汽產(chǎn)量的變化作為爐溫主要判斷依據(jù)。在中安聯(lián)合1 500 t/dSE-東方爐使用的30余種煤中(灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～20%，灰流動(dòng)溫度為1 250～1 400 ℃)，一般滿負(fù)荷工況下將產(chǎn)蒸汽質(zhì)量流量控制在10～13 t/h為宜，相應(yīng)爐溫為1 350～1 550 ℃。大量實(shí)踐表明，SE-東方爐的水冷壁蒸汽產(chǎn)量是對(duì)爐溫變化反應(yīng)較為敏感的參數(shù)之一，可以有效指導(dǎo)爐溫的調(diào)控。

2.2 粗合成氣組分

溫度是影響氣化反應(yīng)過(guò)程中粗合成氣組分的決定性因素。溫度升高對(duì)CO2、H2的產(chǎn)生有正向推動(dòng)作用，對(duì)CH4、CO的產(chǎn)生有抑制作用;因此可以通過(guò)粗合成氣組分來(lái)定性判斷氣化爐爐溫的高低。但結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，往往存在合成氣組分在線分析儀表因合成氣帶灰、帶水或分析儀表元器件損壞造成儀表指示偏差，此時(shí)不宜將合成氣組分作為唯一的判斷溫度趨勢(shì)的依據(jù)。

2.3 渣型

氣化爐爐溫的高低對(duì)粗渣的外觀，即渣型也有相應(yīng)的影響。針狀或絲狀渣型表明因氣化爐爐溫偏高造成爐渣黏度過(guò)低；團(tuán)狀渣型表明因氣化爐爐溫偏低造成爐渣流動(dòng)性較差，灰渣粒度偏小。以渣型作為判斷爐溫的方法，可在日常運(yùn)行中使用，在氣化爐開(kāi)車初期顯得尤為重要。中安聯(lián)合SE-東方爐開(kāi)車經(jīng)驗(yàn)表明，開(kāi)車初期合成氣組分在線分析儀表尚未投用，水冷壁蒸汽產(chǎn)量仍在劇烈波動(dòng)，此時(shí)渣型是爐溫高低相對(duì)可靠的判斷依據(jù)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，細(xì)碎玻璃體狀渣型表明氣化爐溫較為適宜。

2.4 SiC溫度計(jì)顯示值

SE-東方爐開(kāi)發(fā)了水冷壁爐膛直接測(cè)溫技術(shù)(DTM)，即采用在爐膛的不同部位設(shè)置的數(shù)支多層布置的測(cè)溫儀測(cè)量氣化爐水冷壁耐火材料SiC的溫度。從設(shè)計(jì)理念上講，該方法能夠較為直接地反映氣化爐的實(shí)時(shí)溫度和渣層厚度變化，為氣化爐的溫度調(diào)控提供直觀的判斷依據(jù)。但根據(jù)中安聯(lián)合SE-東方爐實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于爐溫發(fā)生變化時(shí)，渣層變化需要一定的時(shí)間，因此SiC溫度計(jì)顯示值變化相對(duì)滯后。在實(shí)際運(yùn)行中SiC溫度計(jì)顯示值可作為輔助性參考。需要說(shuō)明的是，SiC溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于水冷壁渣層厚度變化的監(jiān)控及充分保護(hù)水冷壁不被高溫?zé)g具有重大作用，是實(shí)現(xiàn)氣化爐安全操控的關(guān)鍵儀表之一。

在以上判斷依據(jù)均可正常采用時(shí)，依據(jù)上述多種方法綜合判斷爐溫變化更加可靠。除以上方法外，通過(guò)粗渣和濾餅的含碳量和產(chǎn)出率、激冷室出口的合成氣溫度、方差分析[4]等手段也可判斷爐溫的高低。但由于系統(tǒng)延時(shí)和分析結(jié)果的滯后，粗渣和濾餅的含碳量和產(chǎn)出率僅可作為后續(xù)氣化裝置運(yùn)行情況分析的輔助手段。根據(jù)收集氣化爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差和方差分析可綜合判斷氣化爐運(yùn)行的穩(wěn)定性及爐溫高低。

3 操作溫度的確定方法

氣化爐適宜的操作溫度不是固定不變的。氣化用煤的灰分、揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)等的不同，都會(huì)引起操作溫度的變化。氣化爐操作溫度的選擇原則是在保證液態(tài)排渣的基礎(chǔ)上，盡量選擇較低的反應(yīng)溫度。對(duì)于氣化爐適宜操作溫度的選擇，需要對(duì)氣化用煤的煤質(zhì)特性先進(jìn)行分析了解。SE-東方爐技術(shù)采用液態(tài)熔融排渣技術(shù)，所以要求氣化爐操作溫度在煤的灰熔點(diǎn)以上，具體爐溫操作范圍則由灰渣黏溫特性確定。

氣化爐投料初期，操作溫度的確定基于對(duì)氣化用煤黏溫特性的分析數(shù)據(jù)，依據(jù)黏溫特性曲線，確定臨界黏度溫度TCV、黏度達(dá)到2 Pa·s時(shí)的溫度T2、黏度達(dá)到25 Pa·s時(shí)溫度T25等參數(shù)，最低操作溫度取TCV+50和T25兩者之一的較大值；為確保SE-東方爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，尤其考慮到氣化運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，一般建議其最高操作溫度不超過(guò)1 600 ℃。根據(jù)SE-東方爐實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般氣化爐操作溫度宜控制在高于灰熔點(diǎn)50～100 K。表1為SE-東方爐某運(yùn)行周期所用配煤的煤質(zhì)相關(guān)參數(shù)。

表1 配煤灰熔融溫度、黏溫特性和灰分含量參數(shù)

由表1可以看出：操作溫度是基于各樣品的TCV、T25和T2等參數(shù)綜合確定的。針對(duì)淮南煤與神華煤按3∶7的質(zhì)量比(下同)混配方案，隨著助溶劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，臨界黏度溫度呈逐漸下降趨勢(shì)。即使不添加助溶劑，最低操作溫度也在1 460 ℃左右，滿足氣化爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，故確定了3∶7的混配質(zhì)量比下無(wú)需添加助溶劑的方案，并順利實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于高質(zhì)量比淮南煤配煤，如在6∶4和5∶5的摻混質(zhì)量比下，均添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的助溶劑。黏溫結(jié)果比較表明，6∶4的摻混質(zhì)量比所需的操作爐溫反而略小于5∶5的摻混質(zhì)量比，這主要是灰成分變化所產(chǎn)生的礦物質(zhì)晶體不同而導(dǎo)致的。可見(jiàn)，由于灰化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，只有根據(jù)黏溫測(cè)試結(jié)果才能可靠地指導(dǎo)確定爐溫操作范圍。

氣化爐投用后，根據(jù)渣口壓差、粗合成氣組分、氣化爐反應(yīng)室SiC溫度計(jì)顯示值、粗合成氣溫度等綜合判斷實(shí)際爐溫的高低，對(duì)比投料初期采用的操作溫度并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

4 調(diào)控措施

操作溫度的調(diào)控措施可從氣化用煤源頭到工藝運(yùn)行參數(shù)等多個(gè)方面入手。

運(yùn)行期間，需根據(jù)運(yùn)行情況適時(shí)判斷實(shí)際爐溫的高低，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控。氣化爐操作溫度的高低對(duì)于氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的，但是難以給出溫度的量化指標(biāo)，這是由其工藝特性及實(shí)際運(yùn)行中煤質(zhì)特性不穩(wěn)定決定的。基于當(dāng)?shù)刂髁γ悍N，中安聯(lián)合開(kāi)展了煤質(zhì)理化特性和配煤優(yōu)化等基礎(chǔ)研究，提出了有效穩(wěn)定煤灰熔融溫度和調(diào)控黏溫特性的煤質(zhì)優(yōu)化調(diào)整配煤準(zhǔn)則，可有力保證操作溫度的穩(wěn)定性。

此外，可通過(guò)上述爐溫的判斷方法來(lái)判斷實(shí)際爐溫的高低，然后通過(guò)SE-東方爐特有的智能化氣化爐操作控制技術(shù)，運(yùn)用氧煤比控制器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。理論上最適宜的氣化溫度(即耗氧量最低，同時(shí)熱力學(xué)上達(dá)到完全的碳轉(zhuǎn)化率)就能達(dá)到CO2含量最低點(diǎn)及CH4含量在合理區(qū)間。SE-東方爐氧煤比控制系統(tǒng)包括：(1) 粉煤流量調(diào)節(jié)回路；(2) 氧氣流量調(diào)節(jié)回路；(3) 氧煤比交叉耦合調(diào)節(jié)回路；(4) 負(fù)荷控制和交叉限幅選擇調(diào)節(jié)回路。

正常運(yùn)行期間，可運(yùn)用CO2(或CH4)控制器來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)氧煤比。當(dāng)CO2(或CH4)在線分析儀表因合成氣中夾帶細(xì)灰或水分造成儀表測(cè)量元件損壞后，CO2(或CH4)顯示值失真即會(huì)影響該氧煤比調(diào)節(jié)回路。若想實(shí)現(xiàn)該回路的穩(wěn)定控制，應(yīng)先解決在線分析儀表指示穩(wěn)定性的問(wèn)題；同時(shí)，在開(kāi)車或氣化爐運(yùn)行期間工藝出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)時(shí)可切為手動(dòng)模式。此時(shí)，若判斷結(jié)果顯示爐溫偏高，則手動(dòng)降低氧煤比設(shè)定值。但應(yīng)注意每次調(diào)節(jié)僅限增加允許調(diào)節(jié)的最小幅度，且觀察2 h后才能進(jìn)行下一次調(diào)節(jié)，避免氧煤比調(diào)節(jié)太快引起系統(tǒng)頻繁變化，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。如此調(diào)節(jié)，直至各項(xiàng)氣化指標(biāo)均基本穩(wěn)定且處于正常范圍內(nèi)可結(jié)束此次調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)代煤化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，煤氣化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)乎整個(gè)企業(yè)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。由此來(lái)說(shuō)，氣化爐的操作溫度不僅成為整個(gè)氣化系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的重要因素，而且也是整個(gè)企業(yè)長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵所在。