航天粉煤氣化爐的溫度控制

郭興建，童維風

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽臨泉 236400）

航天爐粉煤加壓氣化屬于加壓氣流床工藝，是在借鑒殼牌、德士古及GSP加壓氣化工藝設計理念基礎上，由北京航天萬源煤化工工程技術有限公司自主開發，獨特創新的新型粉煤加壓氣化技術。先后在安微臨泉，河南龍宇，山東魯西等地建成并投產，裝置分單爐日產720t和1 500t兩種爐型，臨泉最長連續運行時間達到156d。

1 航天爐的結構特征

航天爐由燒嘴、氣化爐燃燒室、激冷室及承壓外殼組成。其中燒嘴為點火燒嘴、開工燒嘴和粉煤燒嘴組成的頂燒式組合燒嘴。氣化爐燃燒室內是膜式水冷壁結構，其主要作用是抵抗1 450～1 700℃高溫及熔渣的侵蝕。為了保護氣化爐壓力容器及水冷壁盤管，水冷壁盤管內通過中壓鍋爐循環泵強制維持水循環。盤管內流動的水吸收氣化爐內反應產生的熱量并發生部分汽化，然后在中壓汽包內進行汽水分離，產出5.0MPa的中壓飽和蒸汽送入蒸汽管網。水冷壁盤管與承壓外殼之間的環腔通入流動的CO2（N2）作為保護氣，水冷壁表面焊有抓釘并附著一層耐火材料。煤粉和氧氣、蒸汽在1 500℃的高溫下瞬間完成燃燒反應并生成熔融態灰渣，在回流氣體的作用下，熔渣被甩到水冷壁表面。隨著渣層厚度的增加，外表渣層就變成了熔融態，并向下流淌而使渣層厚度減小。當厚度降到一定程度時，熱傳導作用增大，使熔渣溫度降低而固化，渣層重新聚積增厚。這樣維持動態平衡，實現 “以渣抗渣”，保護水冷壁免受高溫燒蝕和熔渣沖蝕。

渣層的厚度主要取決于爐內溫度，爐溫的波動會造成渣層厚度的變化。過厚的渣層會使氣化爐下部堵渣而停車。過薄的渣層會失去對水冷壁的保護作用。鑒于爐溫對氣化爐的重要影響，對其準確的測量和判斷就極為重要。由于氣化爐內部處于4.0MPa高壓和1 500℃的高溫狀態，常規手段無法直接測量溫度，只能通過一些間接手段來判斷。一般采用間接測溫法，CO2、CH4含量，以及蒸汽流量、合成氣流量等方法判斷。

2 氣化爐溫度的判斷

2.1 熱電偶間接測溫法

由于氣化爐內溫度較高，無法直接測出爐膛內的溫度，一般熱電偶不直接插入爐膛，而是插在耐火材料中，防止爐內高溫氣體的直接輻射，保護熱電偶，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。氣化爐主要測溫點有十個，上錐段四個，爐膛上、中、下各兩個。輔助測溫點十二個，分別測緩腔、盤管、支撐板溫度，以輔助判斷氣化爐的運行情況。經過一段時間運行，爐膛上部的測溫點最易損壞。我公司2008年原始開車時，最高顯示溫度1 800℃，超過設計溫度100℃，根據對氣化爐內部檢查結果，發現渣層嚴重破壞，水冷壁燒穿，爐膛上部測點運行不到一個月就被燒壞。

用熱電偶測溫較準確，但費用高，使用周期短。氣化爐運行后期，則不能使用和參考。

2.2 CO2和CH4判斷法

粉煤和氧氣、蒸汽在氣化爐內反應后，生成CO、CO2、H2和微量CH4。如果氧氣加入量增加，CO、H2、CH4的燃燒就會加劇，使爐內溫度上升。CO和CH4在反應后生成CO2，造成CO2含量升高，而CH4含量下降。反之，爐溫低時，CO2含量下降，CH4含量上升。所以，通過出口合成氣中CO2或CH4含量的變化可以判斷爐內溫度的高低。

2.3 蒸汽流量判斷法

在無法直接測量氣化爐內部溫度的情況下，用汽包蒸汽流量來判斷氣化爐溫度的高低，以及氣化爐水冷壁掛渣的情況，是一個非常行之有效的方法。由于蒸汽流量直接反應氣化爐高溫氣體對水冷壁熱輻射的強弱，氣化爐溫度的變化很快就會表現為蒸汽產量的變化。所以，此種方法判斷爐溫，響應時間短，最為真實可靠，也是爐溫控制的重要依據。

利用蒸汽產量來判斷和控制爐溫時，有一個缺點，就是容易出現失真。所以要求蒸汽流量計指示必須真實、準確、靈敏，不能出現假數據。我公司1＃系統，由于是第一套試驗設備，對蒸汽流量的估算不足，流量計量程過大，小流量不能正確顯示，操作時可根據蒸汽外送閥門的開度來判斷蒸汽流量的大小，只是反應稍有滯后。

2.4 合成氣流量判斷法

合成氣流量，一般作為輔助方法來判斷爐溫的波動。在氧負荷一定的情況下，一般合成氣流量是在一個范圍內平滑的小幅度上下波動（排除流量計失真現象）。如果合成氣流量短時間內突然增大或降低，則說明氣化爐內的溫度出現波動，造成合成氣帶水量增大或降低，致使合成氣流量趨勢出現向上或向下的拐點。

用這種方法判斷爐溫，會出現一定的偏差，比如煤質的波動，是在操作中無法預知的。煤中碳含量的變化，揮發分的變化，也會影響合成氣量的變化。特別是兩種或兩種以上的煤摻燒時，實現完全勻質化比較困難，對合成氣量的變化影響更大，這主要是根據操作人員在長期的操作中總結出的經驗進行有效判斷。

除以上方法外，氣化爐的溫度還可以根據氣化爐的渣口壓差，水冷壁盤管內的水密度，氣化爐壓力的變化，氣化爐液位，合成氣的出口溫度等判斷，進行輔助控制。

2.5 小 結

由于對氣化爐內部溫度的測定是間接測量，無法迅速、直觀地進行判斷，只靠單一的一種方法，容易出現誤判，給生產帶來隱患。所以，在實際操作中，必須結合3種或3種以上的方法進行綜合判斷。

3 氣化爐的溫度控制

氣化爐的溫度是因為O2和C反應放出熱量形成的。所以氣化爐的溫度控制，實際上就是O2／C的控制。控制O2／C一般有以下方法。

（1）由CO2分析儀／控制器進行比率的自動控制。

（2）由CH4分析儀／控制器進行比率的自動控制。

（3）手動調整比率。

（4）自動設定比率值，這在開車階段適用。

比率控制信號通常對于3個粉煤管線是相等的。

正常運行，較理想的是采用間接調節方法中的控制合成氣CO2（CH4）含量的方法來調節。

在開車期間，或者嚴重失調期間（通常只有在CO2和CH4兩個分析儀均失效時）直接調整O2／C。

利用CO2和CH4控制，主要是根據CO2隨O2／C的增大含量上升，CH4則下降，O2／C下降將表現為相反的規律。

我公司由于是全國第一臺航天粉煤氣化爐，開車時沒有相關的實踐數據，致使CO2和CH4的一些比率曲線無法置入系統，目前主要采用直接O2／C控制法。這種控制方法，最大的缺點，是操作中的調節幅度不易把握，對爐溫的調節反應滯后，對操作人員的技術要求高。

4 穩定爐溫的措施

4.1 穩定入爐煤質

穩定氣化爐溫度，入爐煤質是非常關鍵的一環，只有保持入爐煤的品質一致，才能保證其灰熔點和粘溫特性的穩定。兩種或兩種以上的煤混燒，在入爐前必須保證混煤的均質化。為此，必須建立相應的配煤系統，同時保證煤源的穩定。

我公司從2008年系統運行以來，試燒了十幾種不同的原料煤，進行了多種摻燒配比探索，目前主要摻燒的煤種有神木煤、新疆煤、晉城煤末，并在此基礎上添加了石灰石（助熔劑）。前期摻燒過一段時間的榆神煤，其灰渣粘溫特性較差，對爐溫的控制非常苛刻，不允許超過50℃的波動，最終造成爐內嚴重積灰，下渣口堵，迫使系統停車。

使用不同的煤種，石灰石的添加量要隨之變化。兩種以上的煤混燒，可不添加石灰石，但其灰熔點不允超過1 400℃。航天爐是頂燒式燒嘴，煤灰熔點過高，不利于氣化爐頂部的掛渣。

4.2 穩定粉煤管線流量

粉煤輸送過程中，流量的不穩定容易造成入爐氧煤比失調。要保證煤粉管線穩定，即要保證粉煤的密度和速度穩定，所以，粉煤的懸浮和流化效果必須穩定，在氣體輸送下，使粉煤均勻分布。這就要求粉煤的水分、粒度，輸送氣體量，必須嚴格控制，以防止流量計工作不正常。

4.3 保證氣化爐壓力的穩定

粉煤輸送與氣化爐保持0.7～1.0MPa的壓差。爐壓波動會造成壓差變化，粉煤流量波動，入爐氧煤比失調，同時也會使燒嘴火焰長度發生變化，不利于爐溫調節和水冷壁掛渣。

4.4 保證入爐氧氣流量的穩定

穩定的氧流量是穩定氧煤比的基礎，氧流量波動的原因主要有空分氧氣輸送波動，氣化爐壓力不穩定，氧氣調節閥的精度差。氧流量波動會使入爐煤粉、蒸汽產生波動，不利于爐溫的調節。

5 結 語

鑒于爐溫對氣化生產的重要性，要求對其進行精確和平穩的控制。由于氣化爐溫度只能間接判斷，這就增加了控制的難度。須不斷積累經驗，對出現的問題及時分析判斷并采取改進措施，這樣才能實現氣化裝置長周期穩定運行。