SE-東方爐適宜操作溫度的確定方法及調控手段

安 光

(中安聯合煤化有限責任公司， 安徽淮南 232092)

單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化技術(簡稱SE-東方爐技術)是中國石化集團與華東理工大學根據中國石化現代煤化工產業發展的戰略需要，共同研發的擁有自主知識產權且具有較強煤種適應性的新型煤氣化技術。2014年，中國石化揚子石油化工有限公司 “單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化” 工業化示范裝置的實際運行記錄表明，單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化爐(簡稱SE-東方爐)對于高灰熔點、高灰分劣質煤具有優良的適應性[1]，且具有原料消耗低、碳轉化率高、操作靈活、成熟可靠等優勢[2-3]。自2019年以來，根據中安聯合煤化有限責任公司(簡稱中安聯合)煤氣化裝置運行情況，SE-東方爐順利通過高灰熔點、高灰分淮南煤的滿負荷運行驗收考核，對多種高灰熔點、高灰分混配煤種具有較好的適應性。

SE-東方爐技術由煤粉制備、粉煤高壓供料與輸送、氣化及洗滌，以及渣水處理單元組成。除了煤粉制備單元為通用技術外，其他單元及系統均有相關專利技術作為支撐，形成了自主知識產權的成套粉煤加壓氣化技術。針對化工合成氣的制備工藝特點，該技術采用粉煤密相氣力輸送(CO2載氣)、單噴嘴冷壁式氣化爐、激冷流程的工藝組合方案。

筆者結合SE-東方爐技術的工藝技術特點和工業生產裝置的實際運行情況，從溫度調控的重要性出發，重點闡述了判斷氣化爐爐溫高低的方法及適宜爐溫的評判依據，以期為同類氣化裝置的穩定操控提供參考。

1 氣化爐操作溫度的影響

SE-東方爐技術采用氣流床連續氣化工藝，對于氣化爐溫度的選擇控制是整套氣化裝置平穩運行的關鍵所在。

1.1 操作溫度對膜式水冷壁的影響

SE-東方爐的燃燒室內安裝膜式水冷壁，膜式水冷壁內側(向火側)內襯一定厚度的SiC耐火襯里。運行過程中，粉煤氣化產生的熔渣沿著耐火襯里內壁往下流，在燃燒室SiC耐火襯里上會形成一定厚度的渣層。該渣層能保護膜式水冷壁不受高溫侵蝕，從而起到了以渣抗渣的作用。若操作溫度過高，使得氣化產生的熔渣流動性較大，造成SiC耐火襯里上渣層較薄，則會引起膜式水冷壁局部溫度過高，可能會使水冷壁局部燒穿，造成因水冷壁系統聯鎖停車。

1.2 操作溫度對氣化爐工藝燒嘴的影響

SE-東方爐的工藝燒嘴是集點火、開工、投煤功能為一體的復合式粉煤氣化燒嘴，是整套氣化工藝的核心設備之一。工藝燒嘴設置在SE-東方爐燃燒室的爐頭位置，此處溫度可高達2 000 ℃以上，同時氣體和熔渣的侵蝕等都對工藝燒嘴的耐高溫性能提出極大的考驗。

1.3 操作溫度對渣口壓差的影響

SE-東方爐整體分為上、下兩個室，上部為燃燒室，下部為激冷室。粉煤在燃燒室中與氧氣、蒸汽發生氣化反應，生成的粗渣和粗合成氣并流往下通過渣口和下降管進入激冷室。若氣化溫度偏低，熔渣黏度則會迅速增大，流經渣口時會造成渣口積渣縮小，引起渣口壓差增大，從而易導致下降管燒蝕變形，氣化爐跳車。

1.4 操作溫度對粗合成氣組分的影響

粗合成氣的主要成分有CO、H2、CO2、CH4、H2S等。各組分含量與操作溫度有直接關系，且對下游變換與低溫甲醇洗工序產生一定的影響。適當提高操作溫度有利于提升出洗滌塔的水汽比，降低變換單元的水蒸氣消耗。在不堵塞渣口的條件下，適當降低爐溫，則有效氣組分含量提高，有利于降低氧耗和煤耗。

1.5 操作溫度對氣化水系統的影響

在氣化爐操作溫度較高的工況下，氣化系統的黑水溫度升高會引起閃蒸系統、澄清系統的效果不佳，不僅加重了灰水處理系統的負荷，而且影響生產裝置外排污水的水質，可能造成排放不達標的情況。

因此，氣化過程中要控制氣化爐的操作溫度，不宜過高或過低。適宜的操作溫度，不僅能夠有效避免氣化爐內件故障，而且能夠保證氣化爐穩定、經濟、長周期運行。

2 判斷爐溫高低的方法

判斷爐溫的直接參數主要有水冷壁蒸汽產量、SiC溫度計顯示值、合成氣組分及渣型(見圖1)。

圖1 爐溫控制示意圖

2.1 水冷壁蒸汽產量

SE-東方爐水冷壁的蒸汽產量是氣化溫度和掛渣情況的一種表征。如果氣化溫度恒定，但水冷壁蒸汽產量逐漸升高，表明渣層在逐漸變薄，氣化爐溫較高，造成燃燒室內壁掛渣較薄，渣層由于熱損失減少而導致較高的水冷壁溫度。值得一提的是，根據中安聯合SE-東方爐實際運行經驗，在2020年上半年由于合成氣組分在線分析儀表損壞未能及時修復，主要采用水冷壁蒸汽產量的變化作為爐溫主要判斷依據。在中安聯合1 500 t/dSE-東方爐使用的30余種煤中(灰分質量分數為12%～20%，灰流動溫度為1 250～1 400 ℃)，一般滿負荷工況下將產蒸汽質量流量控制在10～13 t/h為宜，相應爐溫為1 350～1 550 ℃。大量實踐表明，SE-東方爐的水冷壁蒸汽產量是對爐溫變化反應較為敏感的參數之一，可以有效指導爐溫的調控。

2.2 粗合成氣組分

溫度是影響氣化反應過程中粗合成氣組分的決定性因素。溫度升高對CO2、H2的產生有正向推動作用，對CH4、CO的產生有抑制作用;因此可以通過粗合成氣組分來定性判斷氣化爐爐溫的高低。但結合運行實際，往往存在合成氣組分在線分析儀表因合成氣帶灰、帶水或分析儀表元器件損壞造成儀表指示偏差，此時不宜將合成氣組分作為唯一的判斷溫度趨勢的依據。

2.3 渣型

氣化爐爐溫的高低對粗渣的外觀，即渣型也有相應的影響。針狀或絲狀渣型表明因氣化爐爐溫偏高造成爐渣黏度過低；團狀渣型表明因氣化爐爐溫偏低造成爐渣流動性較差，灰渣粒度偏小。以渣型作為判斷爐溫的方法，可在日常運行中使用，在氣化爐開車初期顯得尤為重要。中安聯合SE-東方爐開車經驗表明，開車初期合成氣組分在線分析儀表尚未投用，水冷壁蒸汽產量仍在劇烈波動，此時渣型是爐溫高低相對可靠的判斷依據。根據實際運行經驗，細碎玻璃體狀渣型表明氣化爐溫較為適宜。

2.4 SiC溫度計顯示值

SE-東方爐開發了水冷壁爐膛直接測溫技術(DTM)，即采用在爐膛的不同部位設置的數支多層布置的測溫儀測量氣化爐水冷壁耐火材料SiC的溫度。從設計理念上講，該方法能夠較為直接地反映氣化爐的實時溫度和渣層厚度變化，為氣化爐的溫度調控提供直觀的判斷依據。但根據中安聯合SE-東方爐實際運行經驗，由于爐溫發生變化時，渣層變化需要一定的時間，因此SiC溫度計顯示值變化相對滯后。在實際運行中SiC溫度計顯示值可作為輔助性參考。需要說明的是，SiC溫度監測對于水冷壁渣層厚度變化的監控及充分保護水冷壁不被高溫燒蝕具有重大作用，是實現氣化爐安全操控的關鍵儀表之一。

在以上判斷依據均可正常采用時，依據上述多種方法綜合判斷爐溫變化更加可靠。除以上方法外，通過粗渣和濾餅的含碳量和產出率、激冷室出口的合成氣溫度、方差分析[4]等手段也可判斷爐溫的高低。但由于系統延時和分析結果的滯后，粗渣和濾餅的含碳量和產出率僅可作為后續氣化裝置運行情況分析的輔助手段。根據收集氣化爐的運行數據，通過標準差和方差分析可綜合判斷氣化爐運行的穩定性及爐溫高低。

3 操作溫度的確定方法

氣化爐適宜的操作溫度不是固定不變的。氣化用煤的灰分、揮發分、灰熔點等的不同，都會引起操作溫度的變化。氣化爐操作溫度的選擇原則是在保證液態排渣的基礎上，盡量選擇較低的反應溫度。對于氣化爐適宜操作溫度的選擇，需要對氣化用煤的煤質特性先進行分析了解。SE-東方爐技術采用液態熔融排渣技術，所以要求氣化爐操作溫度在煤的灰熔點以上，具體爐溫操作范圍則由灰渣黏溫特性確定。

氣化爐投料初期，操作溫度的確定基于對氣化用煤黏溫特性的分析數據，依據黏溫特性曲線，確定臨界黏度溫度TCV、黏度達到2 Pa·s時的溫度T2、黏度達到25 Pa·s時溫度T25等參數，最低操作溫度取TCV+50和T25兩者之一的較大值；為確保SE-東方爐的長周期安全運行，尤其考慮到氣化運行經濟性，一般建議其最高操作溫度不超過1 600 ℃。根據SE-東方爐實際運行經驗，一般氣化爐操作溫度宜控制在高于灰熔點50～100 K。表1為SE-東方爐某運行周期所用配煤的煤質相關參數。

表1 配煤灰熔融溫度、黏溫特性和灰分含量參數

由表1可以看出：操作溫度是基于各樣品的TCV、T25和T2等參數綜合確定的。針對淮南煤與神華煤按3∶7的質量比(下同)混配方案，隨著助溶劑添加質量分數的增大，臨界黏度溫度呈逐漸下降趨勢。即使不添加助溶劑，最低操作溫度也在1 460 ℃左右，滿足氣化爐的經濟運行要求，故確定了3∶7的混配質量比下無需添加助溶劑的方案，并順利實現穩定運行。對于高質量比淮南煤配煤，如在6∶4和5∶5的摻混質量比下，均添加了質量分數為4%的助溶劑。黏溫結果比較表明，6∶4的摻混質量比所需的操作爐溫反而略小于5∶5的摻混質量比，這主要是灰成分變化所產生的礦物質晶體不同而導致的。可見，由于灰化學反應相當復雜，只有根據黏溫測試結果才能可靠地指導確定爐溫操作范圍。

氣化爐投用后，根據渣口壓差、粗合成氣組分、氣化爐反應室SiC溫度計顯示值、粗合成氣溫度等綜合判斷實際爐溫的高低，對比投料初期采用的操作溫度并進行相應的調整。

4 調控措施

操作溫度的調控措施可從氣化用煤源頭到工藝運行參數等多個方面入手。

運行期間，需根據運行情況適時判斷實際爐溫的高低，并進行相應調控。氣化爐操作溫度的高低對于氣化裝置的穩定運行是至關重要的，但是難以給出溫度的量化指標，這是由其工藝特性及實際運行中煤質特性不穩定決定的。基于當地主力煤種，中安聯合開展了煤質理化特性和配煤優化等基礎研究，提出了有效穩定煤灰熔融溫度和調控黏溫特性的煤質優化調整配煤準則，可有力保證操作溫度的穩定性。

此外，可通過上述爐溫的判斷方法來判斷實際爐溫的高低，然后通過SE-東方爐特有的智能化氣化爐操作控制技術，運用氧煤比控制器進行相應的調節。理論上最適宜的氣化溫度(即耗氧量最低，同時熱力學上達到完全的碳轉化率)就能達到CO2含量最低點及CH4含量在合理區間。SE-東方爐氧煤比控制系統包括：(1) 粉煤流量調節回路；(2) 氧氣流量調節回路；(3) 氧煤比交叉耦合調節回路；(4) 負荷控制和交叉限幅選擇調節回路。

正常運行期間，可運用CO2(或CH4)控制器來適當調節氧煤比。當CO2(或CH4)在線分析儀表因合成氣中夾帶細灰或水分造成儀表測量元件損壞后，CO2(或CH4)顯示值失真即會影響該氧煤比調節回路。若想實現該回路的穩定控制，應先解決在線分析儀表指示穩定性的問題；同時，在開車或氣化爐運行期間工藝出現嚴重波動時可切為手動模式。此時，若判斷結果顯示爐溫偏高，則手動降低氧煤比設定值。但應注意每次調節僅限增加允許調節的最小幅度，且觀察2 h后才能進行下一次調節，避免氧煤比調節太快引起系統頻繁變化，導致系統不穩定。如此調節，直至各項氣化指標均基本穩定且處于正常范圍內可結束此次調節。

5 結語

對于現代煤化工企業來說，煤氣化裝置運行的穩定性關乎整個企業運行的連續性和穩定性。由此來說，氣化爐的操作溫度不僅成為整個氣化系統能否正常運行的重要因素，而且也是整個企業長周期運行的關鍵所在。