爐溫控制對水煤漿水冷壁氣化爐的運行影響

張 波，趙 蓉

(新疆天業天智辰業化工有限公司，新疆石河子 832000)

新疆天業天智辰業化工有限公司煤氣凈化車間始建于2011年，于2013年8月正式建成投產，其中氣化工藝采用水煤漿水冷壁壓力為6.5 MPa的氣化爐，工藝設計2開不備，單臺氣化爐檢修期間，另一臺氣化爐可以實現110%的負荷運行，單臺氣化爐日投煤量1 500 t，2臺氣化爐每小時可產有效氣150 000 m3/h。

爐溫的控制直接影響水冷壁氣化爐的連續安全穩定運行和生產運營成本，通過分析氣化爐結構和燃燒過程，動態跟蹤調節氧煤比以控制氣化爐爐溫在適宜的范圍內至關重要。

1 水冷壁氣化爐的結構組成及特點

1.1 結構組成

水冷壁氣化爐由燃燒室和激冷室2個部分組成，其中燃燒室由爐殼、水冷壁、攝像頭、燒嘴、熱電偶等組成(見圖1)，而激冷室與德士古耐火磚氣化爐類同，由激冷環、下降管、下降管支撐、中隔板、液位計等組成[1]。

水冷壁氣化爐的核心部件——水冷壁，由上盤管、主水冷壁、渣口盤管、燒嘴冷卻水、攝像頭冷卻水、汽包、循環泵等組成一套閉合的熱力循環系統。

主水冷壁由集液箱、列管、鰭片、渣釘等組成，鰭片與列管焊接，列管與集液箱焊接；列管靠近燃燒室側焊接2排渣釘用于澆注料的固定和加強，封閉的主水冷壁如同“保溫瓶瓶膽”，其有效體積是氣化爐燃燒反應的工作空間。

圖1 水冷壁氣化爐燃燒室結構

上水冷壁(上盤管)嵌插在上集液箱內部。結構成V形，主要用于保護燒嘴、攝像頭通道和氣化爐拱頂部分免受高溫燃燒熱輻射。

下水冷壁(渣口)上部焊接在主水冷壁下集液箱體上，結構成倒V形，是氣化爐合成氣、熔融液態粗渣通過的唯一通道，下盤管也是連接燃燒室和激冷室的關鍵核心設備部件，內嵌入激冷環內部。

1.2 結構特點

水冷壁依靠頂部吊耳垂直懸掛在氣化爐拱頂上部，與氣化爐爐殼形成20 mm左右的環腔間隙，燃燒室中部設有水冷壁擺動定位銷，環腔設有高壓氮氣保護氣連續通入，冷卻環腔溫度，同時為水冷壁外部提供一定的壓力，防止合成氣反竄造成環腔高溫。高溫燃燒在水冷壁內部進行，高溫火焰不直接與氣化爐爐殼接觸，爐殼設計采用傳統的鉻鉬鋼材質，耐熱溫度為350 ℃。相比德士古耐火磚氣化爐爐殼，水冷壁氣化爐爐殼價格低廉、制作簡單、使用安全可靠。

強制閉路循環系統可以確保水冷壁、燒嘴冷卻水、攝像頭通道冷卻系統壓力始終高于氣化爐燃燒室壓力，列管自里向外均勻受力，耐壓和耐熱能力增加，避免出現德士古耐火磚氣化爐燒嘴冷卻水壓力低、溫度低，燒嘴盤管燒穿，合成氣反竄水中事故發生。泵強制循環加速了熱水在水冷壁中的流動速度，解決了熱損失和燃燒室溫度不均勻的問題，低溫(270～280 ℃)的水冷壁溫度與高溫(1 300～1 400 ℃)的燃燒室形成較大溫差，投料后熔融液態渣迅速懸掛在水冷壁內側澆注料上，形成保護膜；隨著渣層厚度增加到30 mm時，隔熱能力上升，渣池表面溫度增加，渣層進入自我融化減薄，在一定的爐溫和生產負荷下，經過復雜的一系列熔渣掛渣程序后，燃燒室內壁形成一定的渣層，有效阻止熱量的傳遞和損失。與德士古耐火磚氣化爐相比，水冷壁氣化爐能夠實現以渣抗渣，充分利用渣的隔熱代替耐火磚隔熱，爐溫允許溫度更高，熱量損失在汽包蒸汽產量中只有 1～2 t/h，且不需要定期更換耐火磚，檢修時間短，檢維修費用低，年運行周期長(>7 500 h)。

水冷壁氣化爐獨立的四通道不需要更換一體組合燒嘴，設計有專門的點火、烘爐通道和控制程序，氣化爐點火、烘爐、投料全部自動化，投料采用點火形式非蓄熱投料，無需烘爐到很高的溫度(900 ℃即可)，氣化爐單臺開車僅需要2～3 h即可實現合成氣外送。相比德士古耐火磚氣化爐，水冷壁氣化爐開車費用低、啟動時間快、自動化高、安全系數高、運行維護勞動強度低。

因水冷壁氣化爐的蓄熱和隔熱方式與德士古耐火磚氣化爐不同，可以接受較高灰熔點的煤種，原煤適應范圍寬。在高爐溫(1 500 ℃)操作下安全穩定運行，正常運行氣化爐壁溫僅有80～120 ℃，相比德士古耐火磚氣化爐低80～100 K。

2 水冷壁氣化爐運行爐溫的控制方法

2.1 汽包壓力和蒸汽產量

通過運行經驗和氣化爐水冷壁結構分析，鍋爐水循環泵應保持350～400 m3/h的體積流量不變，控制汽包壓力比氣化爐壓力高0.5 MPa左右，保證冷卻系統恒定的壓力和溫度，確保水冷壁恒定的溫度和循環量。當氣化爐燃燒室溫度不變時，汽包壓力、溫度、蒸汽的產量不變；當汽包壓力下降、蒸汽產量降低時，緩慢升高爐溫，隨著燃燒室渣層的減薄，水冷壁熱輻射增加，汽包壓力升高，蒸汽產量增加，渣層在新的爐溫下形成一定的厚度，保證燃燒室的粗渣熔融液態順利通過渣口排出；反之，汽包蒸汽壓力增加，外送蒸汽流量增加，應降低爐溫。正產生產中控制汽包蒸汽產量在1～2 t/h。

2.2 合成氣成分

與傳統氣化爐運行類同，合成氣出口在線CO、H2、CO2、CH4組成變化也是爐溫調節控制的依據，當氣化爐出口CO2體積分數增加(大于22%)、CH4體積分數低于1 000×10-6時，有效氣(CO+H2)含量降低，此時應緩慢降低爐溫。當合成氣出口CO體積分數增加(大于46%)，CO2體積分數下降(低于18%)，CH4含量上升時，緩慢提高爐溫。合成氣成分對于爐溫[2]的判斷參考動態調整值，與氣化爐燒嘴結構、燃燒過程、原煤煤種、煤漿濃度息息相關，操作中應謹慎調節，與其他爐溫判斷依據共同進行調整。

2.3 撈渣機和破渣機控制參數

運行中氣化爐大量的熔融液態渣經過激冷室水浴后變成小顆粒粗渣流過破渣機、鎖斗，最后定期排入撈渣機。當破渣機電流突然上升時，說明出現燃燒室局部垮渣現象，撈渣機電流增加、渣量增加，此時應該緩慢降低爐溫或調整爐溫梯度，密切關注激冷室溫度和液位，加快撈渣機變頻，避免大塊渣造成撈渣機跳停。

2.4 渣的形態

在撈渣機出口取樣觀察粗渣顆粒較大且有破碎的痕跡，渣發黃并伴有一定的玻璃絲狀拉絲形態，說明爐溫偏高，此時應該緩慢降低爐溫。粗渣取樣觀察顆粒顏色偏黑，渣量多，吸水性差，說明爐溫偏低，此時應該緩慢提高爐溫。

2.5 燃燒室熱偶溫度

水冷壁氣化爐熱偶為避免高溫磨損和輻射燒壞，安裝時隱藏在澆注料層內部。隨著氣化爐運行時澆注料表面掛渣和渣層的隔熱系數增大，熱偶測量溫度僅顯示為350～600 ℃，而當燃燒室熱偶溫度突然上升至650 ℃、其余熱偶溫度不變時，說明燃燒室局部溫度高掛渣，此時應該降低爐溫并調整溫度梯度和生產負荷。當燃燒室熱偶溫度2處顯示突然上升時，應緩慢降低爐溫，密切觀察渣口壓差、破渣機電流和粗渣形態[3]。

2.6 原煤灰熔點

為保證水冷壁氣化爐熔融液態排渣，爐溫控制原則上高于灰熔點50～100 K。若爐溫控制得過高會造成水冷壁渣層減薄、澆注料減薄、汽包蒸汽產量增加、熱損失增加、有效氣減少，激冷環和下降管熱輻射高易損壞；若爐溫控制得過低，熔融液態粗渣溫度過低流動性差，造成渣口掛渣堵塞通道[4]，燃燒室與激冷室壓差(渣口壓差)增加，大于高高(HH)報警值時觸發停車。故正常運行中以原煤灰熔點作為參考，動態跟蹤調整爐溫，在保證順利排渣的前提下合理控制氧煤比，確保有效氣產量和安全穩定運行。當原煤灰熔點高于1 460 ℃時需要及時聯系更換煤種或調整原煤摻燒比例，控制灰熔點在1 400 ℃以下，避免氣化爐長期在高溫下運行損壞內件。

2.7 氧煤比與中心氧比

氧煤比是氣化爐氧氣流量與煤漿流量的比值，控制氧煤比是調節爐溫的主要手段，生產中依據爐溫和相關參數的數據變化，動態調節氧煤比。若生產負荷不變，則一般保持煤漿流量不變，調節氧氣流量，進而實現對爐溫的控制，確保氣化爐順利排渣和有效氣含量在允許范圍內。

控制中心通道氧氣和烘爐燃料氣通道氮氣流量是調整火焰形態和氣化爐燃燒室溫度梯度的手段。火焰下移有利于排渣但對燃燒不利，不利于有效氣的生成；火焰上移則氣化爐拱頂溫度高，易損壞拱頂部件，且排渣不暢。

3 結語

由爐溫控制的氧氣消耗決定氣化運行生產成本和消耗，與企業效益息息相關，因此合適的爐溫是水冷壁氣化爐安全穩定運行的前提。通過總結6.5 MPa壓力等級水冷壁氣化爐的結構組成、結構特點，分析燃燒傳熱機理，在歷年生產經驗的基礎上總結爐溫的控制和調節方法，可以保證氣化爐長周期安全穩定運行。