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(guó)能源安全領(lǐng)域的長(zhǎng)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(duì)粉煤氣化長(zhǎng)周期“安穩(wěn)長(zhǎng)滿環(huán)優(yōu)”運(yùn)行有著重要的意義。爐溫偏高會(huì)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(huì)對(duì)氣化爐盤管造成一定的損壞；若爐溫偏低會(huì)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(duì)粉煤氣化長(zhǎng)周期的運(yùn)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(duì)較多，則表明爐渣的流動(dòng)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(gè)間歇的順控程序，取渣樣與工況的調(diào)整存在一定的時(shí)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(shí)，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(shí)須時(shí)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(duì)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(shí)應(yīng)增加氧/煤比使氣化爐高溫運(yùn)行。如果這一措施不成功，應(yīng)執(zhí)行氣化爐停車程序，手動(dòng)清除沉積物。其次，若渣口堵塞，會(huì)造成氣化爐二次反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，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(shí)踐運(yùn)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(jì)，如果合成氣出口溫度不穩(wěn)定，會(huì)造成水汽比波動(dòng)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(yùn)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(diǎn)處高高報(bào)警的時(shí)候，會(huì)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(yùn)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(shí)踐運(yùn)行過程中，氣化爐爐溫一般不容易直接測(cè)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(duì)水冷壁熱輻射的強(qiáng)弱，氣化爐溫度的變化很快就會(huì)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(shí)間短，最為真實(shí)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(diǎn)都會(huì)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(shí)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象，所以對(duì)蒸汽流量計(jì)提出了更高的要求，務(wù)必要真實(shí)、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(shí)，未參與反應(yīng)的煤粉和細(xì)渣量就會(huì)偏多，渣水的密度也會(huì)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(dòng)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(dòng)性越差，此時(shí)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(gè)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?dú)猓┘訅旱?.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(shí)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(cè)溫法

熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過溫度變送器轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA 信號(hào)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(cè)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(shí)，回路中就會(huì)有電流通過：此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，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(cè)出爐膛內(nèi)的溫度。航天粉粉煤氣化爐采取類似水煤漿測(cè)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(zhǎng)熱電偶的使用周期。通過熱電偶顯示的溫度趨勢(shì)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(jì)來測(cè)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，在裝置開車過程中，煤燒嘴投運(yùn)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(huì)隨之增加，汽水混合中的氣相成分會(huì)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(shí)采用高壓氮?dú)猓┮来芜M(jìn)入3 個(gè)粉煤燒嘴，并依次同時(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)，氣爐水冷壁的熱通量表明氣化爐的渣覆蓋、流動(dòng)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(shì)時(shí)，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(yùn)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(shí)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(jì)算公式如式（1）～式（3）。

式中：Qheat為熱量，kW；Qm為測(cè)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(duì)稱布置4 個(gè)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(shí)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(dòng)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(cè)量爐膛溫度的有效手段。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(dú)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(yùn)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(shí)，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(shí)作出響應(yīng)，對(duì)爐溫監(jiān)控有重要的參考意義。

2.3.2.2 溫度計(jì)算法

能量守恒定律中的描述，物質(zhì)是不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(guó)內(nèi)外都是相當(dāng)?shù)某墒欤试赟hell 粉煤氣化爐運(yùn)行平穩(wěn)期間，可以通過公式計(jì)算可以得出一些非實(shí)際測(cè)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(diǎn)是，計(jì)算時(shí)稍有一點(diǎn)偏差均會(huì)造成計(jì)算溫度失準(zhǔn)，故工況不穩(wěn)時(shí)氣化爐計(jì)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(gè)重要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(shí)踐操作過程中通用的爐溫判斷方式，同時(shí)列出了航天粉粉煤氣化和科林粉粉煤氣化各自獨(dú)有的爐溫判斷方式。可以得出，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(duì)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(cè)更加直觀，且設(shè)有監(jiān)測(cè)汽水混合密度的計(jì)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(jì)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(dú)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(gè)的因素得出結(jié)論，需要從多個(gè)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(zhǎng)周期穩(wěn)定的運(yùn)行。