張成勝，何樹文，孫 建

(瑞星集團股份有限公司，山東東平 271500)

瑞星集團股份有限公司粉煤氣化裝置采用HT- L加壓粉煤氣化技術，自2013年3月開車以來，裝置運行穩(wěn)定。在生產控制中，氧煤比是實現(xiàn)氣化爐低耗高效、長周期穩(wěn)定運行的關鍵[1-2]。

1 氣化溫度對操作條件的影響

煤的氣化反應是十分復雜的，既有煤與氣化劑之間的反應，也有氣化劑與生成物之間的反應；既有同相反應，也有異相反應。

氣化反應主要包括燃燒反應和還原反應兩大類。對于粉煤加壓氣化爐，其中碳與氧的反應、碳與水蒸氣的反應是最主要的。碳與氧之間的反應如下：

C+O2=CO2

(1)

2C+O2=2CO

(2)

C+CO2=2CO

(3)

2CO+O2=2CO2

(4)

其中，CO2的還原反應是一個吸熱的可逆反應。從化學平衡的角度看，有利于C與CO2反應生成CO，此反應是重要的二次反應，很大程度上決定了碳的轉化程度。碳與水蒸氣之間的反應如下：

C+H2O=CO+H2

(5)

C+2H2O=CO2+H2

(6)

CO+H2O=CO2+H2

(7)

碳與水蒸氣之間的反應均為可逆反應，其中，CO變換反應是重要的氣化反應，對于氣化爐合成氣中CO和H2的含量有重要意義。此反應為放熱反應，從化學平衡的角度看，溫度升高有利于反應向逆反應方向進行，即溫度升高，CO2和H2含量下降，CO和H2O含量升高。

從氣化反應動力學的角度看，碳與氧反應生成的CO2和CO的反應，是氣化反應中進行最快的反應；一般情況下，該反應發(fā)生在焦粒的外表面，反應速度受灰層擴散阻力的控制。而CO2還原反應、碳與水蒸氣的反應是較為緩慢的，受化學反應速度的控制。對于動力學控制的還原反應、變換反應，提高溫度可以有效地加快反應速度[3-4]。

從氣化反應平衡角度和氣化反應動力學的角度綜合考慮，提高氣化反應溫度，有利于提高氣化強度和合成氣的有效成分。

2 氧煤比對操作條件的影響

由上述式(1)、式(2)、式(4)可知，碳與氧的反應是一個不可逆反應。在充足氧氣的條件下，反應劇烈，放出大量熱量。影響氣化溫度的重要因素是氧、碳原子比，因而氧、碳原子比是氣化性能的重要影響因素。隨著氧、碳原子比的增加，氣化溫度升高。

氧、碳原子比與氣化溫度的關系見圖1。氧、碳原子比與氣化指標的關系見圖2。

圖1 氧、碳原子比與氣化溫度的關系

圖2 氧、碳原子比與氣化指標的關系

由圖2可知：隨著氧、碳原子比的增加，碳轉化率提高；當氧、碳原子比接近1.0時，碳轉化率已達到98%～99%，其后再隨著氧、碳原子比的增加，碳轉化率提高幅度不大，基本保持在99%左右。隨著氧、碳原子比的變化，冷煤氣效率存在最佳值，即在氧、碳原子比為1.0左右，冷煤氣效率最高。這主要是在低氧、碳原比時，由于碳的轉化率降低而影響氣化效率；在高氧、碳原子比時，由于過量的氧與有效氣CO和H2反應生成了CO2和H2O，使氣化效率降低。

在加壓粉煤氣化爐實際操作中，一般以氧煤比作為氧化爐調節(jié)的重要參數(shù)，氧煤比是指入爐氧氣流量與煤粉流量的質量比[5-6]。氧煤比需要控制在合理的范圍，氧煤比過高或者過低均存在多方面的不利：①氧煤比過高，氣化爐溫度過高，壁面渣層減薄，容易燒壞壁面耐火材料和盤管；合成氣中CO2含量升高，有效氣含量降低，經濟性下降；②氧煤比過低，爐膛溫度下降，液渣黏度增大，流動性變差，渣口容易堵渣；氧氣與煤中的碳反應不充分，碳轉化率低，會造成原料的浪費。

由此可見，氧煤比的控制既影響安全性，也影響經濟性，而安全性本身也是經濟性，如造成氣化爐的損壞而引起的經濟損失往往是很大的，因此保證安全應該是第一位的。建議：在開車或換煤初期，采用較低的氧煤比，隨著操作經驗的增長，根據(jù)各項檢測指標可適量調高氧煤比；另外，在增負荷時，需注意降低氧煤比。

原始開車時氧煤比的確定方法為：首先根據(jù)灰熔點確定煤種的操作溫度，由氣化爐熱力學計算得出理論氧煤比作為參考，在試運行過程中再根據(jù)爐膛溫度、合成氣組成及灰渣等情況逐步調節(jié)出適宜工業(yè)應用的氧煤比。

不同的煤種，氧煤比的適用范圍不同，主要考慮灰熔點和碳含量兩個因素：①灰熔點高的煤，操作溫度偏高，需要的氧煤比較高；②在相同的操作溫度下，碳含量高的煤種對應的氧煤比高，而碳含量低的煤種對應的氧煤比低，因此，由高含碳量煤轉換為低含碳量煤時，應適當降低氧煤比。

3 HT- L航天爐氧煤比的控制

對于瑞星集團使用的氣化煤，平均灰熔點為1 300 ℃，固定碳質量分數(shù)為60%，綜合分析選定氧煤比控制在0.75～0.80。在實際控制中，重點根據(jù)氣化爐的爐溫、合成氣甲烷含量、盤管水密度、汽包蒸汽送出閥門開度、渣的形態(tài)等方面綜合考慮，來確定具體的氧煤比，以實現(xiàn)爐況穩(wěn)定、節(jié)能低耗以及設備安全、長周期運行的目標。

4 結語

根據(jù)氣化溫度隨氧煤比變化的規(guī)律，自主創(chuàng)新研制了取代傳統(tǒng)的CPU工業(yè)控制器的SXK控制器，并應用現(xiàn)場總線技術，設計了包括爐溫測量傳感及數(shù)字量輸入模塊、FPGA控制模塊、現(xiàn)場總線模塊等組成的氧氣流量自動控制系統(tǒng)。其主要作用：當氣化溫度波動時，自動調節(jié)氧氣流量，改變氧煤比，并且應用磁力探測技術原理，設計研制了可產生高頻、交流均勻電磁場的輸煤管線線圈，以測量管道截面煤粉的平均流速和濃度，由現(xiàn)場總線將測量信號傳遞到控制系統(tǒng)，可隨時調節(jié)粉煤的流速、流量。將氣化溫度控制在設定范圍內，保證氣化反應穩(wěn)定進行，克服了國外技術爐溫波動大、有效成分低等缺陷。