工業設計論文發表煤氣化爐的爐溫判斷及控制

　　摘要：本文闡述了兩段式粉煤加壓氣化工藝中對爐溫控制的重要性，分析了影響氣化爐爐溫的主要因素、實際爐溫的判斷方法及爐溫的控制手段。目的是在運行過程中能采用正確的方法來準確的判斷爐溫，從而優化操作，最終達到裝置長周期穩定運行。

　　關鍵詞：粉煤氣化,氧煤比,爐溫,控制

　　以煤氣化為基礎的能源及化工系統正在成為世界范圍內高效、清潔、經濟地開發和利用煤炭的熱點技術和重要發展方向。煤炭的氣化和液化技術、煤氣化聯合循環發電技術等都已得到工業應用。其中的粉煤氣化技術有其顯著的優點，如碳轉化率高、氧耗低、單臺處理能力大、熱量利用率高等。而且其安全、環保、經濟的設計理念已經在工業生產中得到了驗證。此外工藝操作上其自動化程度高、控制系統的先進性也體現了煤氣化技術的未來發展方向。目前采用粉煤氣化技術的廠家主要任務是實現裝置的長周期穩定運行，因此如何準確判斷并控制好爐溫具有著重要的意義。

　　國內首臺IGCC電站工程采用西安熱工研究院開發的具有自主知識產權的兩段式干煤粉加壓氣化技術，在工藝流程上有廢鍋流程和激冷流程，分別適用于發電和化工領域。在爐型與爐內結構上，兩段式干煤粉加壓氣化爐是對一段式氣化爐的改進。

　　本文將對兩段式氣化爐爐溫的判斷及控制進行探討。

　　1 兩段式氣化工藝優勢

　　在工藝上兩段式氣化采用了粉煤加壓氣化技術，該工藝是粉煤部分氧化工藝的一種形式，氣化爐內部分成兩個反應區，氣化爐下段為一段反應區，在此粉煤(夾帶N2)、O2 和蒸汽進行高溫化學反應，產生濕煤氣。此后，溫度高達1400～1600℃(根據煤種而異)的濕煤氣進入氣化爐上部二段反應區，在此粉煤與蒸汽(不加氧氣)利用來自一段的煤氣顯熱進行煤的裂解(脫除揮發物)、揮發物的氣化和碳的氣化等反應，產生額外的煤氣。二段反應區出來的未燃碳(飛灰)經捕集后返回一段反應區返燒。如果該爐二段反應區不投料，則與目前一段式氣化爐(Shell爐和Prenflo爐)相同。

　　煤粉與純氧在高溫高壓條件下從煤燒嘴均勻進入氣化爐反應室反應，產生合成氣，氣化溫度為1400～1600℃，壓力3.0MPa，碳轉化率高達99%以上，產品氣體相對潔凈，不含重烴，CH4含量極低，合成氣中有效氣體(CO+H2)高達90%以上，煤中的灰分被轉化為渣和飛灰分別排除出系統。因為高溫氣化從而不產生焦油、酚等雜物，極大的降低了下游的水處理難度，不污染環境，合成氣質量好。

　　在設備結構上氣化爐本體和合成器冷卻器通過氣體反向室、導氣管連接在一起，內部采用水冷壁結構。氣化爐本體和合成器冷卻器共用一個汽包，將粉煤燃燒反應放出的大量熱量移出，并回收利用，有效的提高了熱效率，煤氣化總的熱效率可以高達98%。煤燒嘴的對稱設置即增加了負荷調整能力也提高了單臺爐的處理能力，同時也符合合成氣上行流程對內部流場的要求。

　　與國外粉煤氣化工藝相比，兩段式粉煤氣化工藝具有如下特點：

　　Ø 煤種適應性更強。從無煙煤、煙煤、褐煤到石油焦均可氣化，對煤的灰熔點范圍比其他干法氣化工藝更寬，對于高灰分、高水分、高含硫量的煤種也同樣適應。由于采用兩段式氣化技術，為了排渣順利，不需要整個反應區溫度都達到灰熔點以上，只需要保證一段反應區溫度達到灰熔點以上即可。由于一段反應區空間較小，因而可以在較低的氧煤比下達到提高反應溫度的目的。

　　Ø 冷煤氣效率更高、比氧耗更低。氣化系統特性因素中最重要的是冷煤氣效率，氣化爐的冷煤氣效率越高，意味著從整個電廠其他系統的需求越少，易于提高循環效率，也使全廠的設計趨于簡單。對于IGCC電站，最重要的是全廠的總效率，它包括煤氣的顯熱和蒸汽的熱能【1】。由于在二段反應區只投入煤粉和蒸汽而不投入O2，在二段反應區發生煤的裂解和氣化反應，因而可以在不投O2的情況下生成更多的有效氣(CO+H2)。從而提高冷煤氣效率、降低比氧耗。與國外干煤粉加壓氣化技術相比，兩段式氣化技術氣化的冷煤氣效率高出2～3%，比氧耗減少15～20%。

　　2 爐溫對氣化操作的重要性

　　兩段式氣化工藝采用液態排渣方式，爐膛中心反應溫度很高，所以反應爐溫控制要比灰熔點高100～150℃左右，這樣才能達到液態渣的最佳流動溫度。該條件下爐壁上會形成一層厚度均勻的渣層，達到“以渣抗渣”的目的。因此爐溫的高低直接影響到掛渣效果，渣層過厚容易形成大塊渣，造成除渣系統特別是出渣口的堵塞，嚴重時造成停車;渣層過薄則容易損壞水冷壁耐火襯里造成水冷壁的損壞。

　　氣化爐一段反應區爐溫是氣化爐運行過程中最重要的參數之一，過低的爐溫會引起氣化爐的堵渣，過高的爐溫會燒壞氣化爐水冷壁、水冷壁上耐火材料或燒嘴罩。因此，氣化爐在運行時爐溫必須合適。因氣化爐爐溫無法直接測量，只能通過一些參數間接地反映，在運行時需要掌握這些參數的控制范圍。氣化爐爐溫是否過低可以通過氣化爐下渣情況判斷，要掌握判斷氣化爐下渣情況的方法。氣化爐爐溫是控制參數，氧煤比是調節手段，當爐溫不合適時要利用氧煤比及時進行調節。

　　3 影響爐溫的主要因素

　　氣化爐的結構特點決定氣化爐的溫度不能直接測定，只能通過間接方法來控制。在一定的氧負荷下，氧煤比的高低決定反應溫度高低，氧煤比越高，氣化溫度越高;氧負荷增加的情況下，要保持氣化爐溫度穩定，氧煤比應以一定量減小。氣化爐總負荷控制器控制送入煤燒嘴的氧流量，氣化爐爐溫控制就是通過調節煤燒嘴的氧煤比，從而調節煤燒嘴煤粉調節閥，控制氣化爐溫度。氣化爐的反應溫度可達1500℃以上，現階段無法直接測量爐溫，只能通過出氣化爐的粗合成氣中CO2和CH4含量、汽包小室蒸汽產量、基于進出氣化爐物料的能量平衡經計算得出近似的反應溫度等工藝參數的變化，間接判斷出爐膛的溫度，從而加以控制。影響氣化爐溫度的主要因素如下：

　　3.1 煤種的影響

　　對于不同煤種，原煤中灰分、水分、揮發分和固定碳差別較大。尤其是灰分，某些地區的原煤最高可達30%以上，灰分越高則原煤中固定碳等有效成分就越低，直接影響到煤的發熱量，從而影響到氣化爐的耗氧量和有效氣體產率。煤的發熱量與煤中水分、灰分含量以及灰的性質有很大的關系，其中灰分為主要影響因素。

　　在實際生產中原煤煤質會經常發生變化，因此在運行當中可以通過配煤或添加助熔劑等措施來調節進爐煤粉的灰熔點、灰的粘溫特性，來保證合理的操作彈性。根據實際操作經驗，參與配煤的煤種之間灰熔點不易相差太大，否則進爐后相配煤粉的反應不能很好的兼容，達不到互補的作用。

　　另外煤灰主要是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2及Na2O、K2O等組成。一般而言，煤灰中酸性組分SiO2、Al2O3、TiO2和堿性組分Fe2O3、CaO、MgO、Na2O等的比值越大，灰熔點越高。煤灰組成一般對氣化反應無多大影響，但其中某些組分含量過高會影響到煤灰的熔融特性，造成氣化爐渣口排渣不暢或渣口堵塞。對助熔劑及加入量的選擇，應結合煤灰組成，通過添加某些組分(一般選用堿性組分)，調整煤灰的相對組成，以改善灰的熔融特性【2】。

　　因此，對于采用粉煤氣化技術的用戶來講，盡量使用煤質相對穩定的煤種是非常必要的，如果實際生產中煤種無法穩定，則要建立詳細的配煤、助熔劑方案，來穩定氣化爐的操作。

　　3.2 反應過程中水蒸汽的使用

　　爐內高溫是由煤粉在純氧下燃燒或部分燃燒釋放的熱量保持的，與此同時，炭粒與水蒸汽或CO2發生吸熱的還原反應。所以，在加煤量一定的條件下，氣化爐內的溫度是由O2和水蒸汽氣化劑的加入量所決定的。

　　在氣化過程中，加入的水蒸汽在高溫條件下與炭粒發生強吸熱的水煤氣反應，增加合成氣中H2、CO的含量，控制爐溫不致過高，還能降低氧耗量。但當H2O/C過高時，將使爐溫降低，阻礙CO2的還原和水蒸汽的分解反應，影響氣化過程。

　　3.3 氧煤比的選擇

　　氧煤比對氣化過程存在著兩方面的影響。一方面，氧煤比的增加使燃燒反應放熱量增加，從而提高反應溫度，促進CO2還原和H2O分解反應的進行，增加合成氣中CO和H2的含量，從而提高合成氣熱值和碳轉化率;另一方面，燃燒反應由于氧量的增加，將生成CO2和H2O，增加了合成氣中的無效成分。所以，為了獲得理想的氣化效果，必須選擇合適的氧煤比【3】。

　　同時，粉煤是通過HP N2輸送至氣化爐煤燒嘴。N2流量的波動、長距離的輸送都會造成煤線的波動，進而影響爐內氧煤比。煤線、氧線測量儀表的不穩定也會影響實際的氧煤比，從而引起爐溫的變化。

　　4 爐溫的判斷及控制方法

　　4.1 氣化爐實際爐溫的判斷

　　氣化爐爐溫因為無法直接測量得到，只能通過氣化爐爐體及環形空間的多個測溫點、合成氣中各組分的百分含量和復雜的計算近似得出，氣化爐的蒸汽產量也反映了氣化爐的運行狀況，控制合成氣的組分及蒸汽產量，同樣能達到控制氣化爐溫度的目的。氣化爐的溫度升高，氣化爐的蒸汽產量越高，合成氣CO2的含量就越高，CH4的成分含量就越低。在實際運行中主要通過以下方法來判斷實際爐溫：

　　4.1.1 汽包小室(氣化爐本體側)產汽量

　　氣化爐采用膜式水冷壁的特殊設計，反應產生的余熱被水冷壁回收產生蒸汽，所以蒸汽產量對爐溫反應最敏感，是調整爐溫的重要依據。在實際運行中可以通過小室的產汽量來判斷爐溫的高低，如出現大范圍波動，則爐溫發生突變，產汽量越大，爐溫就越高;反之，爐溫越低。

　　同時因為產汽量影響因素較多，如汽包壓力、爐水的溫度、汽包補水量、蒸汽測量儀表等，所以根據產汽量來判斷爐溫也有局限性。另外爐壁的渣層厚度也直接影響蒸汽產量，而渣層的厚度無法觀測，只能通過煤質、氣化爐運行工況來綜合判斷。

　　4.1.2 合成氣中CO2及CH4含量

　　反應產物中CO2和CH4的含量變化趨勢也能間接反映出爐溫的高低變化，二者均采用紅外線在線分析測量，但分析儀測量本身需要一段時間才能得出結果，并且氣化爐出口至分析儀所在位置距離過長，分析儀測得的結果嚴重滯后于爐膛溫度的變化。通過實際運行觀察，入爐氧煤比的變化要經過約10min的時間分析儀的指示值才會發生改變。在運行工況穩定的情況下，CO2含量越高爐溫越高，CH4含量越高爐溫越低，而CO2和CH4含量成反比關系。在此需要注意的是如果煤種發生變化或者儀表測量誤差等原因，通過CO2和CH4含量判斷爐溫只能作為趨勢參考，無法進行定量分析。此方法的優點是較為直觀，缺點是此方法反映的爐溫相對滯后，耗時較長，CO2和CH4的控制目標值不好確定，受負荷等因素影響較大，需要有較強的專業知識才可準確判斷

　　4.1.3 爐渣外觀

　　爐渣外觀能夠比較準確的反映實際爐溫，是實際操作過程中判斷爐溫最重要的手段之一。一般情況下，當爐渣中的針狀渣或絲狀渣較多時，表明煤渣的流動性較高，原因是氣化溫度太高或助熔劑加的量太大;當爐渣中有較多的小塊狀渣，表明氣化爐有可能結塊，大多數情況下是渣的流動性太低，原因是氣化溫度太低或助熔劑加的量太少;當爐渣中有較多的灰狀物或渣較濕，則表明氣化溫度太低不適合于正在氣化的煤種。這種現象一般能從渣池循環水中的渣水密度看到，此時的渣水密度較高。

　　4.1.4 渣水密度

　　正常的渣水密度應該在一定區間內波動，通過調節外排渣水量和補水量來控制循環水中渣密度。當外排渣水量和補水量相對穩定時，渣水密度可以反映出爐內煤粉的反應狀態。如果密度升高，則說明過多未反應的煤粉進入渣池使渣水密度升高，此時的爐溫是偏低的;相反，密度降低時，爐溫偏高。

　　4.2 爐溫的控制方法

　　控制氣化爐爐膛溫度的出發點就是控制煤的部分氧化程度，即進入爐膛物料的氧煤比。氧煤比高，爐膛溫度高;氧煤比低，爐膛溫度就低。氧煤比的設定可參照以下幾點：

　　4.2.1 汽包小室產汽量控制

　　氣化爐的溫度變化，蒸汽產量會立即發生變化，利用該參數可以及時有效地控制氣化爐溫度，是氣化爐溫度控制的重要措施。為保證控制的準確性，采取以下措施：①蒸汽測量采用三臺變送器，DCS采用三取中，然后進行溫壓補償運算及控制運算;②汽包產汽由兩部分組成，一部分是氣化爐本體所產蒸汽，另一部分是氣化爐冷卻器所產蒸汽，開關閥33XV0049是打開汽包兩部分之間的平衡管線。如果該閥已經打開，則不應使用蒸汽產量控制來控制氣化爐溫度，因為蒸汽流率測量不再是僅測量氣化爐的蒸汽產量，這個功能是通過DCS聯鎖邏輯自動完成的;③采用汽包供水溫度的修正系數修正蒸汽控制器給定值。氣化爐的負荷—蒸汽轉換曲線轉化為相應的蒸汽量，此時的蒸汽產量受汽包供水溫度的影響，溫度越高相應的產汽量就越大，汽包供水溫度通過轉換曲線來補償校正氣化爐負荷轉化來的蒸汽量。

　　假定鍋爐給水的溫度為170℃，修正系數為“1”，表1為與實際的鍋爐給水供水溫度相對應的修正系數。

　　要確定氣化爐某一負荷下的理想蒸汽產量，需要利用修正系數乘氣化爐蒸汽產量，才是工藝蒸汽控制的目標值。汽包小室蒸汽產量能夠真實地反映氣化爐的燃燒情況，爐內溫度越高，產氣量就越大，當所產蒸汽量超過極限值的時候，就會損壞氣化爐內件，因此氣化爐蒸汽產量引入安全保護非常重要。

　　4.2.2 CO2含量控制

　　通過產汽量控制氧煤比，雖然調控速度快，但容易受到客觀因素的干擾。而根據CO2含量控制則受干擾因素較少，所以在工況穩定的情況下，只要充分考慮到反應時間的滯后問題，采用CO2含量控制更能有效的調節爐溫。

　　4.2.3 氧煤比曲線控制

　　此方法只適用于投煤開車階段，由于煤種的變化，每次開車前都要預先根據選擇的煤種做粉煤循環試驗，根據試驗數據制定氧煤比開工曲線，然后在開車過程中按照曲線來調節氧煤比控制爐溫。

　　4.2.4 理論計算溫度控制

　　基于進出氣化爐物料的能量平衡經計算得出的溫度不能用于控制，僅供參考。因為在運行條件變化期間(特別是負荷變化期間)，測得的蒸汽流量和溫度反應不夠快而造成不正確值出現。但是在工況穩定的情況下，其理論計算溫度值的變化趨勢可以部分反映出爐溫的變化趨勢。

　　4.2.5 燒嘴罩溫升間接測溫控制

　　通過測量進氣化爐煤燒嘴的燒嘴罩冷卻水流量及燒嘴罩進出口水的溫差，可以間接計算得到氣化爐反應區中心溫度的方法。此方法的優點是可以直接監測氣化爐反應區中心的溫度，且靈敏度高。缺點是該測溫方法的準確性受燒嘴罩冷卻水流量和溫度的測量儀表的可靠性制約，且氣化爐壓力、負荷的變化和爐內偏燒對其結果也有一定的影響。

　　5 結論

　　氣化爐爐溫控制直接關系到煤粉的碳轉化率、水冷壁的使用壽命以及整個氣化系統的穩定，而氣化爐的穩定運行關系到全廠經濟效益的好壞，因此氣化爐爐溫的控制至關重要。正常運行期間，要多了解原煤性質，根據煤質制定合理的配比措施。

　　當氣化爐爐溫發生變化時，判斷實際爐溫的高低要從煤質、小室產汽量、爐渣外觀、合成氣組分、渣水密度、燒嘴罩溫升等因素綜合考慮，再通過調節氧煤比控制爐溫回到正常的范圍內。在調節過程中，要充分考慮到反應滯后的影響因素，爐溫的控制始終是動態的，調節過程要小幅、多次的進行，切不可采取一步到位的錯誤調節方法。

　　氣化爐爐溫是控制參數，氧煤比是調節手段，發現爐溫需要調節時，必須果斷利用氧煤比進行調節。利用氧煤比進行調節爐溫時，可以遵循以下的原則：

　　Ø 當氣化爐爐溫偏離目標值50℃以下時，通過調整K3值來微調氧煤比，每次氧煤比調節幅度控制在0.002～0.004;

　　Ø 當氣化爐爐溫偏離目標值50℃以上時，通過調整K3值來微調氧煤比，每次氧煤比調節幅度控制在0.005～0.01;

　　Ø 氧煤比調整后，待氣化爐爐溫穩定10分鐘左右，方可繼續調節;

　　Ø 極端情況下，如氣化爐爐溫超溫嚴重時，為保證設備安全，可以大幅度調整氧煤比，每次調整0.01或更高。

　　參考文獻：

　　【1】許世森、張東亮、任永強。大規模煤氣化技術：309

　　【2】許世森、張東亮、任永強。大規模煤氣化技術：249-250

　　【3】許世森、張東亮、任永強。大規模煤氣化技術：233-234