粉煤氣化爐在3.0 MPa下投煤的可行性應用

李吉輝，徐勝強

(明泉集團股份有限公司， 濟南 250200)

作為第2代粉煤氣化工藝之一，原煤磨制成粒度在200 μm以下進入氣化爐內，與純氧、水蒸氣在4.0 MPa的壓力下發生欠氧燃燒，從而將固態的煤炭轉變成氣態的以氫氣/一氧化碳為主要成分的混合氣體，即粗合成氣，發生復雜的多相物理及物理化學反應[1]。

山東明泉新材料科技有限公司(簡稱明泉科技)頂置多噴嘴粉煤氣化裝置主要是完成粉煤在氣化爐內的反應，最高的燃燒溫度可以達到3 200 ℃，平均燃燒溫度可以達到1 500 ℃，使得燃燒更充分，從而保證碳的轉化率。裝置在開車時，先點燃開工燒嘴，開工燒嘴將系統升溫升壓，在3.0 MPa時投入粉煤燒嘴。目前，國內主流粉煤煤氣化裝置在開車時，先點燃點火燒嘴，然后引燃開工燒嘴；開工燒嘴將爐壓升至1.0 MPa左右時，投入粉煤燒嘴。根據類似裝置開車情況，低壓力下投入粉煤燒嘴，易出現粉煤管線不穩定，爐壓波動較大的情況；同時，開工燒嘴不具備高壓投料的條件[2]。

明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置經實踐可實現高壓力下投煤，筆者針對爐壓在1.0 MPa下投煤和3.0 MPa下投煤這兩種情況的對比，探討高壓投煤技術在粉煤氣化裝置中的有效應用。

1 煤氣化開車過程

明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置為頂噴下行水激冷流程，氣化爐頂部中心布置開工燒嘴1個，120°均勻分布粉煤燒嘴3個，開工燒嘴使用氣態液化石油氣(LPG)與純氧燃燒，開車前調整LPG熱值與裝置所產生合成氣熱值相似，正常生產后若將開工燒嘴作為長明燈使用，則可切換LPG為合成氣燃燒，一旦粉煤燒嘴跳車，可實現帶壓連投，盡快恢復系統穩定。同時，為了延長開工燒嘴的使用壽命，投煤成功以后，也可退出開工燒嘴，僅使用少量高壓二氧化碳及清潔高壓氮氣對燃料氣及氧氣管線進行保護即可。經過實踐，裝置可實現單個粉煤燒嘴短時間跳車運行，及時處理后投入即可(避免局部溫度過低造成爐內溫度分布不均而集渣，2個燒嘴運行不允許超過1 h)，可以最大速度恢復系統穩定且最大幅度降低波動對整個系統的影響。

開車主要過程為：

(1) 氣化爐激冷室液位控制在15%左右(確保液位低于下降管下管口)，依靠開工抽引實現氣化爐內微負壓狀態，利用高能點火槍點燃開工燒嘴。

(2) 開工燒嘴引燃后，根據氣化爐壓對應氧量曲線(見圖1),燃料氣由氧燃比設定值串級跟蹤控制，緩慢將氣化爐壓力升至2.5 MPa(第一階段)，升壓速率為0.27 kPa/s，此時進行氧氣管線測漏程序，測漏完成后，爐壓控制至3.0 MPa(第二階段)。

圖1 升溫升壓階段開工燒嘴燃料氣、氧氣體積流量與爐壓對應曲線

(3) 粉煤燒嘴作為正常運行時使用的燒嘴，主要反應介質為粉煤和純氧，在3條粉煤循環建立穩定后，可點擊“三支燒嘴同時投入”按鈕將3個粉煤燒嘴按照預編順控程序同時投入系統。

(4) 投煤以后，因負荷較低(投煤負荷約為設計負荷的35%)，爐壓較高，投煤對爐壓的影響較小，投煤后可直接提升負荷，有效提高開車效率。

該裝置開車過程不用考慮投煤時需要的激冷氣量，開車過程利用開工燒嘴實現氣化爐升溫升壓，完全自動化控制，不需額外的人工操作。投煤階段，爐壓達到3.0 MPa后，投煤負荷達到設計負荷的35%，投煤前需先建立粉煤循環，粉煤循環穩定后，通過三通閥換向將粉煤切至氣化爐中反應，粉煤循環建立時的質量流量為2.5～3.0 kg/s，煤線和爐壓更加穩定，投煤更加可靠。

裝置氣化工藝流程見圖2。

圖2 氣化工藝流程

2 低壓投煤開車出現的主要問題

國內發展較早的粉煤氣化裝置均在0.7～1.0 MPa壓力范圍內投煤，明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置提前建立粉煤循環，投煤過程自動切換三通閥入爐，由于該壓力下煤線波動較大，極易造成粉煤管線因速度、密度低聯鎖導致粉煤燒嘴跳車。

采用低壓投煤，開車過程需要將粉煤給料罐壓力初期控制得較低，隨著氣化爐壓力的增高，粉煤給料罐壓力緩慢升高，主要采用壓差來控制粉煤管線的穩定，該操作需要兼顧粉煤給料罐和氣化爐壓力，操作要求高、難度大，開車期間需要專人監控。

下行水激冷爐型需要在0.8～1.0 MPa爐壓下對黑水進行切換(氣化爐黑水外排由真空閃蒸罐切換至高壓閃蒸罐)，該過程剛好在投煤期間進行，投煤期間的爐壓波動可能造成黑水外排的不穩定。

初期粉煤氣化裝置發展時，開工燒嘴非常容易損壞，主要原因為原設計可燃物與助燃物在開工燒嘴內部預混后，噴出后在氣化爐內燃燒；經過實踐，目前各廠家均采用一體化燒嘴，使可燃物與助燃物在氣化爐內混合并且燃燒，大大提高了設備運行的安全性，同時，也為開工燒嘴能夠使系統升至高壓后投煤提供了技術支持。

3 高壓投煤技術應用效果

目前國內可以實現高壓投煤的裝置主要有GSP爐型，該爐型在氣化爐壓力升至反應壓力(3.8 MPa)時進行投煤，其煤線設置與航天爐一致，均為3條粉煤管線對應1條氧氣管線，開車過程若出現單條粉煤管線跳車均會聯鎖3條粉煤管線停車，但是由于長明燈的存在，可以實現帶壓連投。該裝置原始設計無粉煤循環管線，因此無法提前建立粉煤循環；由于粉煤粒度較細，易因靜電力出現板結等情況，投煤過程易出現因粉煤管線波動引起的氧碳比聯鎖跳車情況。

該裝置設計3個粉煤燒嘴，即3條粉煤管線對應3條氧氣管線，粉煤管線和氧氣管線均設置單獨的調節閥控制系統，可以實現單條粉煤管線停車后系統短時間運行，不再需要長明燈(即開工燒嘴)運行，有效地延長了開工燒嘴的使用壽命。在3.0 MPa壓力下提前建立粉煤循環，待粉煤管線穩定后，投入粉煤燒嘴;投煤成功后，整個系統波動較小，只需要重點監控爐壓及粉煤管線即可，稍后提升負荷，待粉煤管線、氧煤比控制穩定后，即可將整個控制系統投入串級，開工燒嘴即可退出，使用惰性氣保護[3-4]。

該裝置自2017年7月開車至今，未出現開工燒嘴損壞情況，開車過程未出現因粉煤燒嘴問題導致的停車情況，運行過程經實踐可實現2個粉煤燒嘴短時間運行，為系統的連續運行及最大幅度降低波動對整個系統的影響提供了保證。

4 高壓投煤關鍵參數及關鍵操作要求

(1) 氧氣壓力開車前直接提至正常生產壓力(4.9～5.1 MPa)。

(2) 粉煤給料罐壓力可直接控制至4.5～4.6 MPa。

(3) 開工燒嘴點火前，對燃料氣及氧氣進行標定，開車前利用氧氣置換氧氣管線，保證點火安全可靠。

(4) 因投煤前氣化爐壓力較高，粉煤循環時(3條粉煤管線同時建立背壓)對粉煤貯罐壓力沖擊較大(爆破片0.04 MPa)，因此減壓管選取必須能夠滿足要求。

(5) 粉煤燒嘴氧氣管線投煤閥位初始標定，確保入爐氧氣安全可控。

(6) 投煤時壓力至3.0 MPa，氣化爐黑水外排在1.0 MPa時切換完畢，激冷室液位波動較小。

(7) 若出現單個粉煤燒嘴跳車，其余2個粉煤燒嘴自動保持當前負荷的三分之二，解決問題后投入即可恢復整個工況。

(8) 不允許僅1個粉煤燒嘴運行，爐內風險不可控。

(9) 投煤前后爐壓利用壓力控制回路控制，完全自動控制，必要時可人工干預。

(10) 一體化開工燒嘴能夠保證系統升壓至3.0 MPa，非預混確保了設備操作更加簡便、安全。

(11) 氧氣、燃料氣、粉煤管線關鍵切斷閥動作時間嚴格管控，超時必須自動聯鎖。

(12) 投煤成功，爐壓波動較小，僅需緩慢提升總負荷設定，即可實現裝置達到正常生產工況，操作強度及難度降低，效率有效提高。

5 結語

從該裝置開車的過程來看，投煤前，能夠提前建立穩定粉煤循環，高壓投煤下，不但穩定可靠，而且投煤后操作便利，系統更快達到正常負荷，為裝置開車節省大量資金和時間。