氣化爐爐溫的判斷研究

郭亞波，胡 瑞，劉 霄，倪 永

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

引言

粉煤氣化作為煤炭清潔化高效利用的一種手段，在我國能源安全領(lǐng)域的長久發(fā)展中扮演著重要的角色。爐溫作為粉煤氣化關(guān)鍵參考指標(biāo)，對粉煤氣化長周期“安穩(wěn)長滿環(huán)優(yōu)”運行有著重要的意義。爐溫偏高會直接影響氣化爐“以渣抗渣”的效果，（“以渣抗渣”示意圖見圖1）若處理不當(dāng)會對氣化爐盤管造成一定的損壞；若爐溫偏低會造成渣口處的渣堆積，造成火焰偏噴或者渣口壓差增加出現(xiàn)氣化爐被迫停車的現(xiàn)象。因此，控制合理的爐溫對粉煤氣化長周期的運行有著非常重要的意義。

圖1 “以渣抗渣”示意圖[1]

1 常見的爐溫判斷方式

1.1 爐渣的形態(tài)

在氣化煤粉燃燒的過程中，產(chǎn)生有大量的灰渣和少量未充分燃燒的煤粉，這些是構(gòu)成爐渣的主要成分[1]。而爐渣的形態(tài)作為一種判斷爐溫的方式之一，其主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3等。爐溫越高，“拉絲狀”爐渣越多，含碳粉量越少、殘?zhí)吭降?；若“拉絲狀”爐渣越少，而“小塊狀物”和“灰狀”或“很濕”的爐渣（細(xì)渣）相對較多，則表明爐渣的流動性太低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是氣化溫度太低。在正常操作下，爐渣粒徑應(yīng)在0.5mm～0.8mm 范圍內(nèi)。不同工況的渣形態(tài)見圖2。氣化爐排渣是一個間歇的順控程序，取渣樣與工況的調(diào)整存在一定的時間差，但仍然不影響渣樣形態(tài)作為重要的爐溫判斷的參考之一。

圖2 不同工況的渣形態(tài)[1]

1.2 合成氣CH4/CO2 含量

由于氣化爐內(nèi)煤粉為不充分的氧化反應(yīng)，碳元素大部分以CO 形式存在，少量碳元素參與氧化還原反應(yīng)，生成以還原物的CH4和完全氧化的CO2。當(dāng)合成氣中甲烷含量低于正常范圍或二氧化碳含量高于正常范圍時，則說明氣化爐內(nèi)氧氣流量偏高或著粉煤流量偏低，造成氣化爐內(nèi)完全的氧化反應(yīng)偏高，釋放的熱能偏大而導(dǎo)致爐溫偏高；反之亦然。

1.3 渣口壓差

渣口壓差也可以作為爐溫判斷的方式之一，操作時須時刻觀察氣化爐渣口的壓差，在正常工況下均應(yīng)小于0.05 MPa，若數(shù)值明顯較高（穩(wěn)定增加或絕對值大于0.1 MPa），則表明渣口可能出現(xiàn)了堵塞。出現(xiàn)這種情況的原因是由于爐溫偏低，造成大量的灰渣在氣化爐渣口出堆積，操作時應(yīng)增加氧/煤比使氣化爐高溫運行。如果這一措施不成功，應(yīng)執(zhí)行氣化爐停車程序，手動清除沉積物。其次，若渣口堵塞，會造成氣化爐二次反應(yīng)時間變長，導(dǎo)致CO 含量升高（2CO）。

1.4 合成氣出口溫度

合成氣出口溫度也可以作為爐溫判斷的一種方式。在實踐運行過程中，往往在合成氣出口管線上設(shè)置有遠(yuǎn)傳溫度計，如果合成氣出口溫度不穩(wěn)定，會造成水汽比波動增大、洗滌塔液位控制困難，進(jìn)而影響合成氣洗滌效果[2]。一般情況下該處的溫度與氣化爐的運行設(shè)有SIS 聯(lián)鎖，當(dāng)氣化爐出口合成氣溫度達(dá)到該點處高高報警的時候，會引發(fā)氣化爐安全聯(lián)鎖跳車，從而為氣化爐安全穩(wěn)定運行，提供強(qiáng)制保護(hù)。因此可以借助出口合成氣的溫度變化來間接反映氣化爐爐溫的大小。

1.5 產(chǎn)氣量

產(chǎn)氣量也作為爐溫判斷的一種方式，在實踐運行過程中，氣化爐爐溫一般不容易直接測得，但可以選擇蒸汽產(chǎn)量作為爐溫判斷的一種手段之一。由于蒸汽產(chǎn)量直接反應(yīng)氣化爐高溫氣體對水冷壁熱輻射的強(qiáng)弱，氣化爐溫度的變化很快就會表現(xiàn)為蒸汽產(chǎn)量的變化。所以，此種方法判斷爐溫，響應(yīng)時間短，最為真實可靠，也是爐溫控制的重要依據(jù)[2]。航天爐系統(tǒng)中的中壓汽包、科林爐系統(tǒng)中的廢熱鍋爐都是利用此原理來判斷爐溫的變化，兩者的共同點都會設(shè)置有三通量來相互反映產(chǎn)氣量的大小。然而，利用蒸汽產(chǎn)量來研判和調(diào)控爐溫時，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象，所以對蒸汽流量計提出了更高的要求，務(wù)必要真實、準(zhǔn)確、靈敏，避免假數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

1.6 渣水密度和下料管壁溫

爐渣在水中的沉降速度與爐渣的密度和粒徑呈正相關(guān)。若爐溫調(diào)控的偏低時，未參與反應(yīng)的煤粉和細(xì)渣量就會偏多，渣水的密度也會相應(yīng)的增大，因此爐溫的高低也就可以從渣水的密度來間接研判。此外，渣池下料管壁溫越高，說明熔渣的流動性越好，爐溫較高；反之，渣池下料管壁溫越低，說明熔渣的流動性越差，此時爐溫較低。

2 不同爐型氣化爐爐溫判斷方式

2.1 航天粉煤氣化

2.1.1 航天粉煤氣化工藝

該氣化工藝為氣流床氣化技術(shù)，氣化單元是整個氣化裝置的最核心部分，反應(yīng)原料煤粉通過高壓二氧化碳（或氮氣）加壓到4.7 MPa 與氣化劑（4.9 MPa 純氧和4.9 MPa 過熱蒸汽）通過粉煤燒嘴噴入氣化爐，在4.0 MPa、1 400 ℃～1 700 ℃的高溫高壓下瞬間完成氣化反應(yīng)，生成以H2、CO 為主要成分的合成氣，合成氣經(jīng)激冷、增濕、除塵后送變換系統(tǒng)[3]。氣化反應(yīng)生成的反應(yīng)熱還可副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，實現(xiàn)能量最大限度的回收利用。

2.1.2 航天粉煤氣化工藝爐溫判斷方法

2.1.2.1 熱電偶間接測溫法

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過溫度變送器轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA 信號引入到控制系統(tǒng)顯示溫度（熱電偶工作原理示意圖見圖3）。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體A 和B 組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過：此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

圖3 熱電偶工作原理示意圖

由于氣化爐內(nèi)溫度較高，無法直接測出爐膛內(nèi)的溫度。航天粉粉煤氣化爐采取類似水煤漿測爐溫的方法，采取埋入式和插入式的方式將熱電偶插在氣化爐燃燒室上、中、下三段耐火材料中，防止?fàn)t內(nèi)高溫氣體的直接輻射，保護(hù)熱電偶，以延長熱電偶的使用周期。通過熱電偶顯示的溫度趨勢來判斷爐溫的變化[4]。

2.1.2.2 汽水混合密度法

航天氣化爐在氣化爐激冷段和傳輸段安裝有密度計來測汽包循環(huán)水與水冷壁換熱后汽水混合物流經(jīng)此處汽水混合密度，當(dāng)爐膛溫度越低，則汽水混合密度就越高。一般情況下，航天爐汽水混合密度一般控制在780 kg/m3～800 kg/m3。從運行經(jīng)驗來看，在裝置開車過程中，煤燒嘴投運初期生產(chǎn)負(fù)荷較低，爐膛溫度較低，汽水混合物中的液相偏高；隨著氣化爐負(fù)荷的增加，爐溫也會隨之增加，汽水混合中的氣相成分會隨之增加，最終至汽水混合密度逐漸趨于穩(wěn)定的范圍內(nèi)。但是由于激冷比和爐壁外管結(jié)垢等影響，單純依靠產(chǎn)氣量來調(diào)整爐溫并不可靠，但依然不影響其作為爐溫的研判方式之一。

2.2 科林粉煤氣化

2.2.1 科林粉煤氣化工藝

科林氣化爐工藝采用干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)，其主要工藝為經(jīng)磨煤系統(tǒng)制出合格的煤粉分別和助劑、粉焦按一定比例混合，再經(jīng)加壓輸送系統(tǒng)（煤粉輸送以5.5 MPa 高壓二氧化碳作為載氣，開工時采用高壓氮氣）依次進(jìn)入3 個粉煤燒嘴，并依次同時和氣化介質(zhì)（5.1 MPa、168.2 ℃氧氣，4.91 MPa，300 ℃過熱蒸汽）并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在氣化爐壓力3.5 MPa～4.5 MPa 的條件下，利用煤部分氧化釋放熱量，維持在該煤種的灰熔點溫度以上進(jìn)行氣化反應(yīng)。此過程非常迅速，在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程，生成以CO和H2為有效組分的粗合成氣[5]。

2.2.2 科林粉煤氣化工藝爐溫判斷方法

在科林粉粉煤氣化系統(tǒng)中設(shè)有熱通量，通過判斷熱通量的大小來判斷爐溫的情況。熱通量越大則表明爐溫越高，反之亦然，同時，氣爐水冷壁的熱通量表明氣化爐的渣覆蓋、流動性的情況，氣化爐水冷壁的熱通量由氣化爐冷卻水進(jìn)出口流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力三者變量構(gòu)成，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水冷壁熱通量有持續(xù)上升的趨勢時，可降低氣化爐操作溫度（降低O2/C 比值）或是提高水冷壁冷卻水流量來控制氣化爐溫度，防止操作溫度過高損壞水冷壁。

在正常運行期間，須將氣化爐的總熱通量維持在目標(biāo)值150 kW/m2的水平。這可以通過調(diào)整總氧煤比控制來實現(xiàn)氣化爐爐溫的控制。其中，科林氣化爐的總熱通最小值為80 kW/m2，最大值為200 kW/m2。

熱通量具體計算公式如式（1）～式（3）。

式中：Qheat為熱量，kW；Qm為測量質(zhì)量流量，kg/h；A 為氣化爐冷卻總表面積，m2；T1為氣化爐冷卻水入口溫度，℃；pp1，pp2為冷卻水緩沖罐壓力，MPa（G）；T2為氣化爐冷卻水出口溫度，℃；q 為熱通量，kW/m2。

2.3 Shell 粉煤氣化

2.3.1 Shell 粉煤氣化工工藝

Shell 粉煤氣化主要工藝流程是來自空分裝置純氧，經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱到180 ℃，與300 ℃的過熱蒸汽通過氧氣/蒸汽混合器充分混合，和來自粉煤給料罐的粉煤一起通過水平對稱布置4 個粉煤燒嘴噴入氣化爐內(nèi)，在操作壓力4.0 MPa、操作溫度1 500 ℃～1 600 ℃下發(fā)生不完全燃燒化學(xué)反應(yīng)[4]，生成主要以（CO＋H2）為主要成分的粗合成氣，同時副產(chǎn)中壓蒸汽。

2.3.2 Shell 粉煤氣化工藝爐溫判斷方法

由于Shell 氣化爐操作溫度太高，再考慮到爐壁熔融流動的爐渣、粗合成氣中夾帶的飛灰，從而造成氣化爐內(nèi)工藝氣體環(huán)境十分惡劣，截至目前為止還沒有直接測量爐膛溫度的有效手段。在實際運行時，除了通用的氣化爐爐膛溫度判斷方式外，Shell 氣化爐也有自己獨特的爐溫判斷方式，從而很好地控制氣化爐安全平穩(wěn)的運行。

2.3.2.1 汽包小室蒸汽產(chǎn)量判斷法

爐膛、燒嘴盤管內(nèi)的循環(huán)水吸收熱量后進(jìn)入汽包小室，再經(jīng)汽液分離后得到高壓飽和蒸汽。爐膛溫度越高，小室蒸汽越多；反之蒸汽越少。當(dāng)氣化爐工況變化時，比如煤燒嘴跳車、氧煤比、系統(tǒng)壓力改變等，汽包小室蒸汽均能及時作出響應(yīng)，對爐溫監(jiān)控有重要的參考意義。

2.3.2.2 溫度計算法

能量守恒定律中的描述，物質(zhì)是不會憑空產(chǎn)生或消失，只會從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，目前能量守恒定律是自然界的普遍定律。Shell 粉煤氣化爐技術(shù)在國內(nèi)外都是相當(dāng)?shù)某墒?，故在Shell 粉煤氣化爐運行平穩(wěn)期間，可以通過公式計算可以得出一些非實際測量的氣化爐溫度。該溫度能較好地表征氣化爐爐溫，其最大缺點是，計算時稍有一點偏差均會造成計算溫度失準(zhǔn)，故工況不穩(wěn)時氣化爐計算溫度參考意義不大。

3 結(jié)論

在粉煤氣化過程中，爐溫作為一個重要的監(jiān)測點，反映著氣化爐的工況是否穩(wěn)定。本文通過羅列粉煤氣化實踐操作過程中通用的爐溫判斷方式，同時列出了航天粉粉煤氣化和科林粉粉煤氣化各自獨有的爐溫判斷方式?？梢缘贸?，爐溫越高，“針狀物”爐渣越多；CH4偏低，CO2含量偏高；渣口壓差維持在正常范圍內(nèi)；合成氣出口溫度偏高；汽包/廢鍋產(chǎn)氣量偏大；渣池下料管壁溫越高；渣粒半徑相對較小。較科林粉煤氣化和Shell 粉煤氣化，航天粉煤氣化工藝設(shè)有埋入式和插入式熱電偶，爐溫觀測更加直觀，且設(shè)有監(jiān)測汽水混合密度的計算方法，從汽液兩相的的密度來間接判斷爐溫的大小。然而科林粉煤氣化設(shè)有熱通量，通過流量、溫度、壓力三者之間的變量綜合計算熱通量來間接判斷爐溫，而Shell 粉煤氣化主要以汽包小室蒸汽產(chǎn)量來判斷爐溫。雖然不同爐型有著自己獨特的爐溫判斷方法，但是爐溫的判斷還是需要綜合多方面因素，不能從單個的因素得出結(jié)論，需要從多個因素直接或間接的去證明判斷爐溫，這樣才能保證粉煤氣化爐長周期穩(wěn)定的運行。