郭興建，童維風(fēng)

（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(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，由北京航天萬源煤化工工程技術(shù)有限公司自主開發(fā)，獨(dú)特創(chuàng)新的新型粉煤加壓氣化技術(shù)。先后在安微臨泉，河南龍宇，山東魯西等地建成并投產(chǎn)，裝置分單爐日產(chǎn)720t和1 500t兩種爐型，臨泉最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到156d。

1 航天爐的結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(nèi)是膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，其主要作用是抵抗1 450～1 700℃高溫及熔渣的侵蝕。為了保護(hù)氣化爐壓力容器及水冷壁盤管，水冷壁盤管內(nèi)通過中壓鍋爐循環(huán)泵強(qiáng)制維持水循環(huán)。盤管內(nèi)流動(dòng)的水吸收氣化爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量并發(fā)生部分汽化，然后在中壓汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)出5.0MPa的中壓飽和蒸汽送入蒸汽管網(wǎng)。水冷壁盤管與承壓外殼之間的環(huán)腔通入流動(dòng)的CO2（N2）作為保護(hù)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(yīng)并生成熔融態(tài)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(tài)，并向下流淌而使渣層厚度減小。當(dāng)厚度降到一定程度時(shí)，熱傳導(dǎo)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(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn) “以渣抗渣”，保護(hù)水冷壁免受高溫?zé)g和熔渣沖蝕。

渣層的厚度主要取決于爐內(nèi)溫度，爐溫的波動(dòng)會(huì)造成渣層厚度的變化。過厚的渣層會(huì)使氣化爐下部堵渣而停車。過薄的渣層會(huì)失去對水冷壁的保護(hù)作用。鑒于爐溫對氣化爐的重要影響，對其準(zhǔn)確的測量和判斷就極為重要。由于氣化爐內(nèi)部處于4.0MPa高壓和1 500℃的高溫狀態(tài)，常規(guī)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(nèi)溫度較高，無法直接測出爐膛內(nèi)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?fàn)t內(nèi)高溫氣體的直接輻射，保護(hù)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(diǎn)有十個(gè)，上錐段四個(gè)，爐膛上、中、下各兩個(gè)。輔助測溫點(diǎn)十二個(gè)，分別測緩腔、盤管、支撐板溫度，以輔助判斷氣化爐的運(yùn)行情況。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，爐膛上部的測溫點(diǎn)最易損壞。我公司2008年原始開車時(shí)，最高顯示溫度1 800℃，超過設(shè)計(jì)溫度100℃，根據(jù)對氣化爐內(nèi)部檢查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)渣層嚴(yán)重破壞，水冷壁燒穿，爐膛上部測點(diǎn)運(yùn)行不到一個(gè)月就被燒壞。

用熱電偶測溫較準(zhǔn)確，但費(fèi)用高，使用周期短。氣化爐運(yùn)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(nèi)反應(yīng)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(huì)加劇，使?fàn)t內(nèi)溫度上升。CO和CH4在反應(yīng)后生成CO2，造成CO2含量升高，而CH4含量下降。反之，爐溫低時(shí)，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(nèi)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(nèi)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(gè)非常行之有效的方法。由于蒸汽流量直接反應(yīng)氣化爐高溫氣體對水冷壁熱輻射的強(qiáng)弱，氣化爐溫度的變化很快就會(huì)表現(xiàn)為蒸汽產(chǎn)量的變化。所以，此種方法判斷爐溫，響應(yīng)時(shí)間短，最為真實(shí)可靠，也是爐溫控制的重要依據(jù)。

利用蒸汽產(chǎn)量來判斷和控制爐溫時(shí)，有一個(gè)缺點(diǎn)，就是容易出現(xiàn)失真。所以要求蒸汽流量計(jì)指示必須真實(shí)、準(zhǔn)確、靈敏，不能出現(xiàn)假數(shù)據(jù)。我公司1＃系統(tǒng)，由于是第一套試驗(yàn)設(shè)備，對蒸汽流量的估算不足，流量計(jì)量程過大，小流量不能正確顯示，操作時(shí)可根據(jù)蒸汽外送閥門的開度來判斷蒸汽流量的大小，只是反應(yīng)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(dòng)。在氧負(fù)荷一定的情況下，一般合成氣流量是在一個(gè)范圍內(nèi)平滑的小幅度上下波動(dòng)（排除流量計(jì)失真現(xiàn)象）。如果合成氣流量短時(shí)間內(nèi)突然增大或降低，則說明氣化爐內(nèi)的溫度出現(xiàn)波動(dòng)，造成合成氣帶水量增大或降低，致使合成氣流量趨勢出現(xiàn)向上或向下的拐點(diǎn)。

用這種方法判斷爐溫，會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，比如煤質(zhì)的波動(dòng)，是在操作中無法預(yù)知的。煤中碳含量的變化，揮發(fā)分的變化，也會(huì)影響合成氣量的變化。特別是兩種或兩種以上的煤摻燒時(shí)，實(shí)現(xiàn)完全勻質(zhì)化比較困難，對合成氣量的變化影響更大，這主要是根據(jù)操作人員在長期的操作中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效判斷。

除以上方法外，氣化爐的溫度還可以根據(jù)氣化爐的渣口壓差，水冷壁盤管內(nèi)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(jìn)行輔助控制。

2.5 小 結(jié)

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

3 氣化爐的溫度控制

氣化爐的溫度是因?yàn)镺2和C反應(yīng)放出熱量形成的。所以氣化爐的溫度控制，實(shí)際上就是O2／C的控制?？刂芆2／C一般有以下方法。

（1）由CO2分析儀／控制器進(jìn)行比率的自動(dòng)控制。

（2）由CH4分析儀／控制器進(jìn)行比率的自動(dòng)控制。

（3）手動(dòng)調(diào)整比率。

（4）自動(dòng)設(shè)定比率值，這在開車階段適用。

比率控制信號(hào)通常對于3個(gè)粉煤管線是相等的。

正常運(yùn)行，較理想的是采用間接調(diào)節(jié)方法中的控制合成氣CO2（CH4）含量的方法來調(diào)節(jié)。

在開車期間，或者嚴(yán)重失調(diào)期間（通常只有在CO2和CH4兩個(gè)分析儀均失效時(shí)）直接調(diào)整O2／C。

利用CO2和CH4控制，主要是根據(jù)CO2隨O2／C的增大含量上升，CH4則下降，O2／C下降將表現(xiàn)為相反的規(guī)律。

我公司由于是全國第一臺(tái)航天粉煤氣化爐，開車時(shí)沒有相關(guān)的實(shí)踐數(shù)據(jù)，致使CO2和CH4的一些比率曲線無法置入系統(tǒng)，目前主要采用直接O2／C控制法。這種控制方法，最大的缺點(diǎn)，是操作中的調(diào)節(jié)幅度不易把握，對爐溫的調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，對操作人員的技術(shù)要求高。

4 穩(wěn)定爐溫的措施

4.1 穩(wěn)定入爐煤質(zhì)

穩(wěn)定氣化爐溫度，入爐煤質(zhì)是非常關(guān)鍵的一環(huán)，只有保持入爐煤的品質(zhì)一致，才能保證其灰熔點(diǎn)和粘溫特性的穩(wěn)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(zhì)化。為此，必須建立相應(yīng)的配煤系統(tǒng)，同時(shí)保證煤源的穩(wěn)定。

我公司從2008年系統(tǒng)運(yùn)行以來，試燒了十幾種不同的原料煤，進(jìn)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(chǔ)上添加了石灰石（助熔劑）。前期摻燒過一段時(shí)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(dòng)，最終造成爐內(nèi)嚴(yán)重積灰，下渣口堵，迫使系統(tǒng)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(diǎn)不允超過1 400℃。航天爐是頂燒式燒嘴，煤灰熔點(diǎn)過高，不利于氣化爐頂部的掛渣。

4.2 穩(wěn)定粉煤管線流量

粉煤輸送過程中，流量的不穩(wěn)定容易造成入爐氧煤比失調(diào)。要保證煤粉管線穩(wěn)定，即要保證粉煤的密度和速度穩(wěn)定，所以，粉煤的懸浮和流化效果必須穩(wěn)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(yán)格控制，以防止流量計(jì)工作不正常。

4.3 保證氣化爐壓力的穩(wěn)定

粉煤輸送與氣化爐保持0.7～1.0MPa的壓差。爐壓波動(dòng)會(huì)造成壓差變化，粉煤流量波動(dòng)，入爐氧煤比失調(diào)，同時(shí)也會(huì)使燒嘴火焰長度發(fā)生變化，不利于爐溫調(diào)節(jié)和水冷壁掛渣。

4.4 保證入爐氧氣流量的穩(wěn)定

穩(wěn)定的氧流量是穩(wěn)定氧煤比的基礎(chǔ)，氧流量波動(dòng)的原因主要有空分氧氣輸送波動(dòng)，氣化爐壓力不穩(wěn)定，氧氣調(diào)節(jié)閥的精度差。氧流量波動(dòng)會(huì)使入爐煤粉、蒸汽產(chǎn)生波動(dòng)，不利于爐溫的調(diào)節(jié)。

5 結(jié) 語

鑒于爐溫對氣化生產(chǎn)的重要性，要求對其進(jìn)行精確和平穩(wěn)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(jīng)驗(yàn)，對出現(xiàn)的問題及時(shí)分析判斷并采取改進(jìn)措施，這樣才能實(shí)現(xiàn)氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。