HT- L加壓粉煤氣化氧煤比的控制

張成勝，何樹文，孫 建

(瑞星集團(tuán)股份有限公司，山東東平 271500)

瑞星集團(tuán)股份有限公司粉煤氣化裝置采用HT- L加壓粉煤氣化技術(shù)，自2013年3月開車以來(lái)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定。在生產(chǎn)控制中，氧煤比是實(shí)現(xiàn)氣化爐低耗高效、長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[1-2]。

1 氣化溫度對(duì)操作條件的影響

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

氣化反應(yīng)主要包括燃燒反應(yīng)和還原反應(yīng)兩大類。對(duì)于粉煤加壓氣化爐，其中碳與氧的反應(yīng)、碳與水蒸氣的反應(yīng)是最主要的。碳與氧之間的反應(yīng)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(yīng)是一個(gè)吸熱的可逆反應(yīng)。從化學(xué)平衡的角度看，有利于C與CO2反應(yīng)生成CO，此反應(yīng)是重要的二次反應(yīng)，很大程度上決定了碳的轉(zhuǎn)化程度。碳與水蒸氣之間的反應(yīng)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(yīng)均為可逆反應(yīng)，其中，CO變換反應(yīng)是重要的氣化反應(yīng)，對(duì)于氣化爐合成氣中CO和H2的含量有重要意義。此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，從化學(xué)平衡的角度看，溫度升高有利于反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)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(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度看，碳與氧反應(yīng)生成的CO2和CO的反應(yīng)，是氣化反應(yīng)中進(jìn)行最快的反應(yīng)；一般情況下，該反應(yīng)發(fā)生在焦粒的外表面，反應(yīng)速度受灰層擴(kuò)散阻力的控制。而CO2還原反應(yīng)、碳與水蒸氣的反應(yīng)是較為緩慢的，受化學(xué)反應(yīng)速度的控制。對(duì)于動(dòng)力學(xué)控制的還原反應(yīng)、變換反應(yīng)，提高溫度可以有效地加快反應(yīng)速度[3-4]。

從氣化反應(yīng)平衡角度和氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度綜合考慮，提高氣化反應(yīng)溫度，有利于提高氣化強(qiáng)度和合成氣的有效成分。

2 氧煤比對(duì)操作條件的影響

由上述式(1)、式(2)、式(4)可知，碳與氧的反應(yīng)是一個(gè)不可逆反應(yīng)。在充足氧氣的條件下，反應(yīng)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(guān)系見圖1。氧、碳原子比與氣化指標(biāo)的關(guān)系見圖2。

圖1 氧、碳原子比與氣化溫度的關(guān)系

圖2 氧、碳原子比與氣化指標(biāo)的關(guān)系

由圖2可知：隨著氧、碳原子比的增加，碳轉(zhuǎn)化率提高；當(dāng)氧、碳原子比接近1.0時(shí)，碳轉(zhuǎn)化率已達(dá)到98%～99%，其后再隨著氧、碳原子比的增加，碳轉(zhuǎn)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(shí)，由于碳的轉(zhuǎn)化率降低而影響氣化效率；在高氧、碳原子比時(shí)，由于過(guò)量的氧與有效氣CO和H2反應(yīng)生成了CO2和H2O，使氣化效率降低。

在加壓粉煤氣化爐實(shí)際操作中，一般以氧煤比作為氧化爐調(diào)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(zhì)量比[5-6]。氧煤比需要控制在合理的范圍，氧煤比過(guò)高或者過(guò)低均存在多方面的不利：①氧煤比過(guò)高，氣化爐溫度過(guò)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(jīng)濟(jì)性下降；②氧煤比過(guò)低，爐膛溫度下降，液渣黏度增大，流動(dòng)性變差，渣口容易堵渣；氧氣與煤中的碳反應(yīng)不充分，碳轉(zhuǎn)化率低，會(huì)造成原料的浪費(fèi)。

由此可見，氧煤比的控制既影響安全性，也影響經(jīng)濟(jì)性，而安全性本身也是經(jīng)濟(jì)性，如造成氣化爐的損壞而引起的經(jīng)濟(jì)損失往往是很大的，因此保證安全應(yīng)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(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，根據(jù)各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)可適量調(diào)高氧煤比；另外，在增負(fù)荷時(shí)，需注意降低氧煤比。

原始開車時(shí)氧煤比的確定方法為：首先根據(jù)灰熔點(diǎn)確定煤種的操作溫度，由氣化爐熱力學(xué)計(jì)算得出理論氧煤比作為參考，在試運(yùn)行過(guò)程中再根據(jù)爐膛溫度、合成氣組成及灰渣等情況逐步調(diào)節(jié)出適宜工業(yè)應(yīng)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(diǎn)和碳含量?jī)蓚€(gè)因素：①灰熔點(diǎn)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(duì)應(yīng)的氧煤比高，而碳含量低的煤種對(duì)應(yīng)的氧煤比低，因此，由高含碳量煤轉(zhuǎn)換為低含碳量煤時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低氧煤比。

3 HT- L航天爐氧煤比的控制

對(duì)于瑞星集團(tuán)使用的氣化煤，平均灰熔點(diǎn)為1 300 ℃，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，綜合分析選定氧煤比控制在0.75～0.80。在實(shí)際控制中，重點(diǎn)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(lái)確定具體的氧煤比，以實(shí)現(xiàn)爐況穩(wěn)定、節(jié)能低耗以及設(shè)備安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了包括爐溫測(cè)量傳感及數(shù)字量輸入模塊、FPGA控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊等組成的氧氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要作用：當(dāng)氣化溫度波動(dòng)時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)氧氣流量，改變氧煤比，并且應(yīng)用磁力探測(cè)技術(shù)原理，設(shè)計(jì)研制了可產(chǎn)生高頻、交流均勻電磁場(chǎng)的輸煤管線線圈，以測(cè)量管道截面煤粉的平均流速和濃度，由現(xiàn)場(chǎng)總線將測(cè)量信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，可隨時(shí)調(diào)節(jié)粉煤的流速、流量。將氣化溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)，保證氣化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行，克服了國(guó)外技術(shù)爐溫波動(dòng)大、有效成分低等缺陷。