航天粉煤气化炉的温度控制

郭兴建，童维风

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽临泉 236400）

航天炉粉煤加压气化属于加压气流床工艺，是在借鉴壳牌、德士古及GSP加压气化工艺设计理念基础上，由北京航天万源煤化工工程技术有限公司自主开发，独特创新的新型粉煤加压气化技术。先后在安微临泉，河南龙宇，山东鲁西等地建成并投产，装置分单炉日产720t和1 500t两种炉型，临泉最长连续运行时间达到156d。

1 航天炉的结构特征

航天炉由烧嘴、气化炉燃烧室、激冷室及承压外壳组成。其中烧嘴为点火烧嘴、开工烧嘴和粉煤烧嘴组成的顶烧式组合烧嘴。气化炉燃烧室内是膜式水冷壁结构，其主要作用是抵抗1 450～1 700℃高温及熔渣的侵蚀。为了保护气化炉压力容器及水冷壁盘管，水冷壁盘管内通过中压锅炉循环泵强制维持水循环。盘管内流动的水吸收气化炉内反应产生的热量并发生部分汽化，然后在中压汽包内进行汽水分离，产出5.0MPa的中压饱和蒸汽送入蒸汽管网。水冷壁盘管与承压外壳之间的环腔通入流动的CO2（N2）作为保护气，水冷壁表面焊有抓钉并附着一层耐火材料。煤粉和氧气、蒸汽在1 500℃的高温下瞬间完成燃烧反应并生成熔融态灰渣，在回流气体的作用下，熔渣被甩到水冷壁表面。随着渣层厚度的增加，外表渣层就变成了熔融态，并向下流淌而使渣层厚度减小。当厚度降到一定程度时，热传导作用增大，使熔渣温度降低而固化，渣层重新聚积增厚。这样维持动态平衡，实现 “以渣抗渣”，保护水冷壁免受高温烧蚀和熔渣冲蚀。

渣层的厚度主要取决于炉内温度，炉温的波动会造成渣层厚度的变化。过厚的渣层会使气化炉下部堵渣而停车。过薄的渣层会失去对水冷壁的保护作用。鉴于炉温对气化炉的重要影响，对其准确的测量和判断就极为重要。由于气化炉内部处于4.0MPa高压和1 500℃的高温状态，常规手段无法直接测量温度，只能通过一些间接手段来判断。一般采用间接测温法，CO2、CH4含量，以及蒸汽流量、合成气流量等方法判断。

2 气化炉温度的判断

2.1 热电偶间接测温法

由于气化炉内温度较高，无法直接测出炉膛内的温度，一般热电偶不直接插入炉膛，而是插在耐火材料中，防止炉内高温气体的直接辐射，保护热电偶，以延长热电偶的使用周期。通过热电偶显示的温度趋势来判断炉温的变化。气化炉主要测温点有十个，上锥段四个，炉膛上、中、下各两个。辅助测温点十二个，分别测缓腔、盘管、支撑板温度，以辅助判断气化炉的运行情况。经过一段时间运行，炉膛上部的测温点最易损坏。我公司2008年原始开车时，最高显示温度1 800℃，超过设计温度100℃，根据对气化炉内部检查结果，发现渣层严重破坏，水冷壁烧穿，炉膛上部测点运行不到一个月就被烧坏。

用热电偶测温较准确，但费用高，使用周期短。气化炉运行后期，则不能使用和参考。

2.2 CO2和CH4判断法

粉煤和氧气、蒸汽在气化炉内反应后，生成CO、CO2、H2和微量CH4。如果氧气加入量增加，CO、H2、CH4的燃烧就会加剧，使炉内温度上升。CO和CH4在反应后生成CO2，造成CO2含量升高，而CH4含量下降。反之，炉温低时，CO2含量下降，CH4含量上升。所以，通过出口合成气中CO2或CH4含量的变化可以判断炉内温度的高低。

2.3 蒸汽流量判断法

在无法直接测量气化炉内部温度的情况下，用汽包蒸汽流量来判断气化炉温度的高低，以及气化炉水冷壁挂渣的情况，是一个非常行之有效的方法。由于蒸汽流量直接反应气化炉高温气体对水冷壁热辐射的强弱，气化炉温度的变化很快就会表现为蒸汽产量的变化。所以，此种方法判断炉温，响应时间短，最为真实可靠，也是炉温控制的重要依据。

利用蒸汽产量来判断和控制炉温时，有一个缺点，就是容易出现失真。所以要求蒸汽流量计指示必须真实、准确、灵敏，不能出现假数据。我公司1＃系统，由于是第一套试验设备，对蒸汽流量的估算不足，流量计量程过大，小流量不能正确显示，操作时可根据蒸汽外送阀门的开度来判断蒸汽流量的大小，只是反应稍有滞后。

2.4 合成气流量判断法

合成气流量，一般作为辅助方法来判断炉温的波动。在氧负荷一定的情况下，一般合成气流量是在一个范围内平滑的小幅度上下波动（排除流量计失真现象）。如果合成气流量短时间内突然增大或降低，则说明气化炉内的温度出现波动，造成合成气带水量增大或降低，致使合成气流量趋势出现向上或向下的拐点。

用这种方法判断炉温，会出现一定的偏差，比如煤质的波动，是在操作中无法预知的。煤中碳含量的变化，挥发分的变化，也会影响合成气量的变化。特别是两种或两种以上的煤掺烧时，实现完全匀质化比较困难，对合成气量的变化影响更大，这主要是根据操作人员在长期的操作中总结出的经验进行有效判断。

除以上方法外，气化炉的温度还可以根据气化炉的渣口压差，水冷壁盘管内的水密度，气化炉压力的变化，气化炉液位，合成气的出口温度等判断，进行辅助控制。

2.5 小 结

由于对气化炉内部温度的测定是间接测量，无法迅速、直观地进行判断，只靠单一的一种方法，容易出现误判，给生产带来隐患。所以，在实际操作中，必须结合3种或3种以上的方法进行综合判断。

3 气化炉的温度控制

气化炉的温度是因为O2和C反应放出热量形成的。所以气化炉的温度控制，实际上就是O2／C的控制。控制O2／C一般有以下方法。

（1）由CO2分析仪／控制器进行比率的自动控制。

（2）由CH4分析仪／控制器进行比率的自动控制。

（3）手动调整比率。

（4）自动设定比率值，这在开车阶段适用。

比率控制信号通常对于3个粉煤管线是相等的。

正常运行，较理想的是采用间接调节方法中的控制合成气CO2（CH4）含量的方法来调节。

在开车期间，或者严重失调期间（通常只有在CO2和CH4两个分析仪均失效时）直接调整O2／C。

利用CO2和CH4控制，主要是根据CO2随O2／C的增大含量上升，CH4则下降，O2／C下降将表现为相反的规律。

我公司由于是全国第一台航天粉煤气化炉，开车时没有相关的实践数据，致使CO2和CH4的一些比率曲线无法置入系统，目前主要采用直接O2／C控制法。这种控制方法，最大的缺点，是操作中的调节幅度不易把握，对炉温的调节反应滞后，对操作人员的技术要求高。

4 稳定炉温的措施

4.1 稳定入炉煤质

稳定气化炉温度，入炉煤质是非常关键的一环，只有保持入炉煤的品质一致，才能保证其灰熔点和粘温特性的稳定。两种或两种以上的煤混烧，在入炉前必须保证混煤的均质化。为此，必须建立相应的配煤系统，同时保证煤源的稳定。

我公司从2008年系统运行以来，试烧了十几种不同的原料煤，进行了多种掺烧配比探索，目前主要掺烧的煤种有神木煤、新疆煤、晋城煤末，并在此基础上添加了石灰石（助熔剂）。前期掺烧过一段时间的榆神煤，其灰渣粘温特性较差，对炉温的控制非常苛刻，不允许超过50℃的波动，最终造成炉内严重积灰，下渣口堵，迫使系统停车。

使用不同的煤种，石灰石的添加量要随之变化。两种以上的煤混烧，可不添加石灰石，但其灰熔点不允超过1 400℃。航天炉是顶烧式烧嘴，煤灰熔点过高，不利于气化炉顶部的挂渣。

4.2 稳定粉煤管线流量

粉煤输送过程中，流量的不稳定容易造成入炉氧煤比失调。要保证煤粉管线稳定，即要保证粉煤的密度和速度稳定，所以，粉煤的悬浮和流化效果必须稳定，在气体输送下，使粉煤均匀分布。这就要求粉煤的水分、粒度，输送气体量，必须严格控制，以防止流量计工作不正常。

4.3 保证气化炉压力的稳定

粉煤输送与气化炉保持0.7～1.0MPa的压差。炉压波动会造成压差变化，粉煤流量波动，入炉氧煤比失调，同时也会使烧嘴火焰长度发生变化，不利于炉温调节和水冷壁挂渣。

4.4 保证入炉氧气流量的稳定

稳定的氧流量是稳定氧煤比的基础，氧流量波动的原因主要有空分氧气输送波动，气化炉压力不稳定，氧气调节阀的精度差。氧流量波动会使入炉煤粉、蒸汽产生波动，不利于炉温的调节。

5 结 语

鉴于炉温对气化生产的重要性，要求对其进行精确和平稳的控制。由于气化炉温度只能间接判断，这就增加了控制的难度。须不断积累经验，对出现的问题及时分析判断并采取改进措施，这样才能实现气化装置长周期稳定运行。