SE-东方炉适宜操作温度的确定方法及调控手段

安 光

(中安联合煤化有限责任公司， 安徽淮南 232092)

单喷嘴冷壁式粉煤加压气化技术(简称SE-东方炉技术)是中国石化集团与华东理工大学根据中国石化现代煤化工产业发展的战略需要，共同研发的拥有自主知识产权且具有较强煤种适应性的新型煤气化技术。2014年，中国石化扬子石油化工有限公司 “单喷嘴冷壁式粉煤加压气化” 工业化示范装置的实际运行记录表明，单喷嘴冷壁式粉煤加压气化炉(简称SE-东方炉)对于高灰熔点、高灰分劣质煤具有优良的适应性[1]，且具有原料消耗低、碳转化率高、操作灵活、成熟可靠等优势[2-3]。自2019年以来，根据中安联合煤化有限责任公司(简称中安联合)煤气化装置运行情况，SE-东方炉顺利通过高灰熔点、高灰分淮南煤的满负荷运行验收考核，对多种高灰熔点、高灰分混配煤种具有较好的适应性。

SE-东方炉技术由煤粉制备、粉煤高压供料与输送、气化及洗涤，以及渣水处理单元组成。除了煤粉制备单元为通用技术外，其他单元及系统均有相关专利技术作为支撑，形成了自主知识产权的成套粉煤加压气化技术。针对化工合成气的制备工艺特点，该技术采用粉煤密相气力输送(CO2载气)、单喷嘴冷壁式气化炉、激冷流程的工艺组合方案。

笔者结合SE-东方炉技术的工艺技术特点和工业生产装置的实际运行情况，从温度调控的重要性出发，重点阐述了判断气化炉炉温高低的方法及适宜炉温的评判依据，以期为同类气化装置的稳定操控提供参考。

1 气化炉操作温度的影响

SE-东方炉技术采用气流床连续气化工艺，对于气化炉温度的选择控制是整套气化装置平稳运行的关键所在。

1.1 操作温度对膜式水冷壁的影响

SE-东方炉的燃烧室内安装膜式水冷壁，膜式水冷壁内侧(向火侧)内衬一定厚度的SiC耐火衬里。运行过程中，粉煤气化产生的熔渣沿着耐火衬里内壁往下流，在燃烧室SiC耐火衬里上会形成一定厚度的渣层。该渣层能保护膜式水冷壁不受高温侵蚀，从而起到了以渣抗渣的作用。若操作温度过高，使得气化产生的熔渣流动性较大，造成SiC耐火衬里上渣层较薄，则会引起膜式水冷壁局部温度过高，可能会使水冷壁局部烧穿，造成因水冷壁系统联锁停车。

1.2 操作温度对气化炉工艺烧嘴的影响

SE-东方炉的工艺烧嘴是集点火、开工、投煤功能为一体的复合式粉煤气化烧嘴，是整套气化工艺的核心设备之一。工艺烧嘴设置在SE-东方炉燃烧室的炉头位置，此处温度可高达2 000 ℃以上，同时气体和熔渣的侵蚀等都对工艺烧嘴的耐高温性能提出极大的考验。

1.3 操作温度对渣口压差的影响

SE-东方炉整体分为上、下两个室，上部为燃烧室，下部为激冷室。粉煤在燃烧室中与氧气、蒸汽发生气化反应，生成的粗渣和粗合成气并流往下通过渣口和下降管进入激冷室。若气化温度偏低，熔渣黏度则会迅速增大，流经渣口时会造成渣口积渣缩小，引起渣口压差增大，从而易导致下降管烧蚀变形，气化炉跳车。

1.4 操作温度对粗合成气组分的影响

粗合成气的主要成分有CO、H2、CO2、CH4、H2S等。各组分含量与操作温度有直接关系，且对下游变换与低温甲醇洗工序产生一定的影响。适当提高操作温度有利于提升出洗涤塔的水汽比，降低变换单元的水蒸气消耗。在不堵塞渣口的条件下，适当降低炉温，则有效气组分含量提高，有利于降低氧耗和煤耗。

1.5 操作温度对气化水系统的影响

在气化炉操作温度较高的工况下，气化系统的黑水温度升高会引起闪蒸系统、澄清系统的效果不佳，不仅加重了灰水处理系统的负荷，而且影响生产装置外排污水的水质，可能造成排放不达标的情况。

因此，气化过程中要控制气化炉的操作温度，不宜过高或过低。适宜的操作温度，不仅能够有效避免气化炉内件故障，而且能够保证气化炉稳定、经济、长周期运行。

2 判断炉温高低的方法

判断炉温的直接参数主要有水冷壁蒸汽产量、SiC温度计显示值、合成气组分及渣型(见图1)。

图1 炉温控制示意图

2.1 水冷壁蒸汽产量

SE-东方炉水冷壁的蒸汽产量是气化温度和挂渣情况的一种表征。如果气化温度恒定，但水冷壁蒸汽产量逐渐升高，表明渣层在逐渐变薄，气化炉温较高，造成燃烧室内壁挂渣较薄，渣层由于热损失减少而导致较高的水冷壁温度。值得一提的是，根据中安联合SE-东方炉实际运行经验，在2020年上半年由于合成气组分在线分析仪表损坏未能及时修复，主要采用水冷壁蒸汽产量的变化作为炉温主要判断依据。在中安联合1 500 t/dSE-东方炉使用的30余种煤中(灰分质量分数为12%～20%，灰流动温度为1 250～1 400 ℃)，一般满负荷工况下将产蒸汽质量流量控制在10～13 t/h为宜，相应炉温为1 350～1 550 ℃。大量实践表明，SE-东方炉的水冷壁蒸汽产量是对炉温变化反应较为敏感的参数之一，可以有效指导炉温的调控。

2.2 粗合成气组分

温度是影响气化反应过程中粗合成气组分的决定性因素。温度升高对CO2、H2的产生有正向推动作用，对CH4、CO的产生有抑制作用;因此可以通过粗合成气组分来定性判断气化炉炉温的高低。但结合运行实际，往往存在合成气组分在线分析仪表因合成气带灰、带水或分析仪表元器件损坏造成仪表指示偏差，此时不宜将合成气组分作为唯一的判断温度趋势的依据。

2.3 渣型

气化炉炉温的高低对粗渣的外观，即渣型也有相应的影响。针状或丝状渣型表明因气化炉炉温偏高造成炉渣黏度过低；团状渣型表明因气化炉炉温偏低造成炉渣流动性较差，灰渣粒度偏小。以渣型作为判断炉温的方法，可在日常运行中使用，在气化炉开车初期显得尤为重要。中安联合SE-东方炉开车经验表明，开车初期合成气组分在线分析仪表尚未投用，水冷壁蒸汽产量仍在剧烈波动，此时渣型是炉温高低相对可靠的判断依据。根据实际运行经验，细碎玻璃体状渣型表明气化炉温较为适宜。

2.4 SiC温度计显示值

SE-东方炉开发了水冷壁炉膛直接测温技术(DTM)，即采用在炉膛的不同部位设置的数支多层布置的测温仪测量气化炉水冷壁耐火材料SiC的温度。从设计理念上讲，该方法能够较为直接地反映气化炉的实时温度和渣层厚度变化，为气化炉的温度调控提供直观的判断依据。但根据中安联合SE-东方炉实际运行经验，由于炉温发生变化时，渣层变化需要一定的时间，因此SiC温度计显示值变化相对滞后。在实际运行中SiC温度计显示值可作为辅助性参考。需要说明的是，SiC温度监测对于水冷壁渣层厚度变化的监控及充分保护水冷壁不被高温烧蚀具有重大作用，是实现气化炉安全操控的关键仪表之一。

在以上判断依据均可正常采用时，依据上述多种方法综合判断炉温变化更加可靠。除以上方法外，通过粗渣和滤饼的含碳量和产出率、激冷室出口的合成气温度、方差分析[4]等手段也可判断炉温的高低。但由于系统延时和分析结果的滞后，粗渣和滤饼的含碳量和产出率仅可作为后续气化装置运行情况分析的辅助手段。根据收集气化炉的运行数据，通过标准差和方差分析可综合判断气化炉运行的稳定性及炉温高低。

3 操作温度的确定方法

气化炉适宜的操作温度不是固定不变的。气化用煤的灰分、挥发分、灰熔点等的不同，都会引起操作温度的变化。气化炉操作温度的选择原则是在保证液态排渣的基础上，尽量选择较低的反应温度。对于气化炉适宜操作温度的选择，需要对气化用煤的煤质特性先进行分析了解。SE-东方炉技术采用液态熔融排渣技术，所以要求气化炉操作温度在煤的灰熔点以上，具体炉温操作范围则由灰渣黏温特性确定。

气化炉投料初期，操作温度的确定基于对气化用煤黏温特性的分析数据，依据黏温特性曲线，确定临界黏度温度TCV、黏度达到2 Pa·s时的温度T2、黏度达到25 Pa·s时温度T25等参数，最低操作温度取TCV+50和T25两者之一的较大值；为确保SE-东方炉的长周期安全运行，尤其考虑到气化运行经济性，一般建议其最高操作温度不超过1 600 ℃。根据SE-东方炉实际运行经验，一般气化炉操作温度宜控制在高于灰熔点50～100 K。表1为SE-东方炉某运行周期所用配煤的煤质相关参数。

表1 配煤灰熔融温度、黏温特性和灰分含量参数

由表1可以看出：操作温度是基于各样品的TCV、T25和T2等参数综合确定的。针对淮南煤与神华煤按3∶7的质量比(下同)混配方案，随着助溶剂添加质量分数的增大，临界黏度温度呈逐渐下降趋势。即使不添加助溶剂，最低操作温度也在1 460 ℃左右，满足气化炉的经济运行要求，故确定了3∶7的混配质量比下无需添加助溶剂的方案，并顺利实现稳定运行。对于高质量比淮南煤配煤，如在6∶4和5∶5的掺混质量比下，均添加了质量分数为4%的助溶剂。黏温结果比较表明，6∶4的掺混质量比所需的操作炉温反而略小于5∶5的掺混质量比，这主要是灰成分变化所产生的矿物质晶体不同而导致的。可见，由于灰化学反应相当复杂，只有根据黏温测试结果才能可靠地指导确定炉温操作范围。

气化炉投用后，根据渣口压差、粗合成气组分、气化炉反应室SiC温度计显示值、粗合成气温度等综合判断实际炉温的高低，对比投料初期采用的操作温度并进行相应的调整。

4 调控措施

操作温度的调控措施可从气化用煤源头到工艺运行参数等多个方面入手。

运行期间，需根据运行情况适时判断实际炉温的高低，并进行相应调控。气化炉操作温度的高低对于气化装置的稳定运行是至关重要的，但是难以给出温度的量化指标，这是由其工艺特性及实际运行中煤质特性不稳定决定的。基于当地主力煤种，中安联合开展了煤质理化特性和配煤优化等基础研究，提出了有效稳定煤灰熔融温度和调控黏温特性的煤质优化调整配煤准则，可有力保证操作温度的稳定性。

此外，可通过上述炉温的判断方法来判断实际炉温的高低，然后通过SE-东方炉特有的智能化气化炉操作控制技术，运用氧煤比控制器进行相应的调节。理论上最适宜的气化温度(即耗氧量最低，同时热力学上达到完全的碳转化率)就能达到CO2含量最低点及CH4含量在合理区间。SE-东方炉氧煤比控制系统包括：(1) 粉煤流量调节回路；(2) 氧气流量调节回路；(3) 氧煤比交叉耦合调节回路；(4) 负荷控制和交叉限幅选择调节回路。

正常运行期间，可运用CO2(或CH4)控制器来适当调节氧煤比。当CO2(或CH4)在线分析仪表因合成气中夹带细灰或水分造成仪表测量元件损坏后，CO2(或CH4)显示值失真即会影响该氧煤比调节回路。若想实现该回路的稳定控制，应先解决在线分析仪表指示稳定性的问题；同时，在开车或气化炉运行期间工艺出现严重波动时可切为手动模式。此时，若判断结果显示炉温偏高，则手动降低氧煤比设定值。但应注意每次调节仅限增加允许调节的最小幅度，且观察2 h后才能进行下一次调节，避免氧煤比调节太快引起系统频繁变化，导致系统不稳定。如此调节，直至各项气化指标均基本稳定且处于正常范围内可结束此次调节。

5 结语

对于现代煤化工企业来说，煤气化装置运行的稳定性关乎整个企业运行的连续性和稳定性。由此来说，气化炉的操作温度不仅成为整个气化系统能否正常运行的重要因素，而且也是整个企业长周期运行的关键所在。