天津IGCC電站二段式氣化爐爐溫控制要點淺析

付 彬，賈東升，肖巍巍

(華能(天津)煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300475)

IGCC即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，它是將煤氣化與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的先進發(fā)電系統(tǒng)，具有發(fā)電效率高、污染物排放低、二氧化碳捕集成本低等優(yōu)勢，是目前國際上被驗證的、可工業(yè)化的、最具發(fā)展前景的清潔高效煤電技術(shù)[1-4]。華能天津IGCC電站是華能“綠色煤電計劃”第一階段的示范工程，是國內(nèi)第一座、世界第六座大型IGCC電站，核心裝置采用自主知識產(chǎn)權(quán)的2 000 t/d二段式干煤粉加壓氣化爐。二段式氣化爐中，煤粉、氧氣和水蒸氣混合物通過一段的煤燒嘴噴入反應(yīng)室內(nèi)，在1 500 ℃的高溫下發(fā)生氣化反應(yīng)，生成合成氣。合成氣向上運動，經(jīng)過二段燒嘴時，與二段燒嘴噴入的煤粉利用合成氣的顯熱再次發(fā)生反應(yīng)，增加合成氣有效成分的同時也使得溫度下降。此后，合成氣在向上運動的過程中又與激冷氣相混合，使其溫度進一步下降至900 ℃，隨后合成氣依次經(jīng)過反向室、傳導(dǎo)段和合成氣冷卻器，以320～340 ℃的溫度排出氣化爐，完成整個氣化過程。

1 水冷壁及渣層結(jié)構(gòu)

氣化爐通過“以渣抗渣”來保護水冷壁。在反應(yīng)室的水冷壁內(nèi)側(cè)，種植約14萬顆銷釘，覆蓋面積達54 m2，厚度15 mm，最高耐火溫度為1 300 ℃的耐火襯里附著在水冷壁內(nèi)側(cè)，形成第一層保護層。正常運行時，氣化爐反應(yīng)區(qū)溫度1 500～1 600 ℃，高于耐火襯里的耐受溫度，所以耐火襯里不能與反應(yīng)區(qū)直接接觸。設(shè)計采取的“以渣抗渣”的方式是利用熔融態(tài)的渣，在反應(yīng)的過程中被甩到耐火襯里上，形成固態(tài)渣層后附著在耐火襯里上，固態(tài)渣層溫度沿半徑方向逐漸降低，形成第二層保護層。正常運行狀態(tài)下固態(tài)渣層保持一定厚度，液態(tài)熔渣沿著固態(tài)渣層緩慢向下流動。渣層剖面圖及溫度場分布如圖1所示。耐火襯里設(shè)計厚度為15 mm，參考相關(guān)文獻，液態(tài)渣膜的計算厚度為1～2 mm，渣層的計算總厚度為8.4 mm，實驗得到的數(shù)據(jù)在7～12 mm[5]。

圖1 渣層刨面圖及溫度場分布

2 煤質(zhì)、溫度對爐況的影響

氣化爐反應(yīng)區(qū)的溫度會顯著影響渣層的厚度。在煤質(zhì)不變的情況下，當(dāng)反應(yīng)區(qū)的溫度升高時，沿火焰中心徑向方向的溫度增加，一部分固態(tài)渣層會融化，液態(tài)渣層的流動速度加快，渣層整體厚度變薄。反之，當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度降低時，一部分液態(tài)渣層會變?yōu)楣虘B(tài)渣層，渣層整體厚度增加，水冷壁吸熱量下降。

煤質(zhì)的變化也會顯著影響渣層的厚度，這里煤質(zhì)指熔渣的流動性，也即是指液態(tài)渣的黏度。當(dāng)熔渣流動性變好時，熔渣黏度降低，液態(tài)渣流動速度加快，液態(tài)渣層厚度變薄，渣層整體厚度變薄。反之，當(dāng)熔渣流動性變差時，渣層黏度升高，液態(tài)渣流動速度變慢，熔渣生成的速度高于熔渣流動的速度，液態(tài)渣層變厚，渣層整體厚度變大。

3 氣化爐溫度控制的核心

氣化爐爐溫控制的關(guān)鍵就是要在水冷壁上維持適當(dāng)?shù)墓虘B(tài)、液態(tài)渣層厚度，使得一定黏度的液態(tài)渣沿著固態(tài)渣層以適當(dāng)?shù)乃俣认蛳铝鲃印Ｈ绻磻?yīng)區(qū)溫度過高，將會導(dǎo)致部分固態(tài)渣轉(zhuǎn)化為液態(tài)渣，固態(tài)渣層變薄，當(dāng)溫度超過一定高值后，固態(tài)渣層消失，水冷壁無法掛渣，失去渣層的保護，耐火襯里與銷釘直接接觸反應(yīng)區(qū)的高溫，會對燒毀損壞耐火襯里和銷釘，進一步甚至損壞氣化爐內(nèi)壁。如果反應(yīng)區(qū)溫度過低，將會導(dǎo)致部分固態(tài)渣層變厚，當(dāng)固態(tài)渣層厚度超出一定范圍，將會在局部有大塊渣的落下，造成氣化爐的“垮渣”和“堵渣”。

反應(yīng)區(qū)的溫度要與煤質(zhì)相適應(yīng)，隨著溫度升高，熔渣的流動性變強，即熔渣的黏度降低。一般氣化爐維持較好爐況所希望的熔渣黏度為5～25 Pa·s。這樣既可以保證熔渣較順暢的向下流動，又不至于流動速度太快而掛不住渣。5～25 Pa·s所對應(yīng)的溫度區(qū)間為T1～T2，這個溫度區(qū)間就是氣化爐從反應(yīng)區(qū)水冷壁到渣口水冷壁所需要維持的溫度區(qū)間，以保證熔渣在這個溫度區(qū)間內(nèi)可以較為順暢的向下流動。而不同煤種的液態(tài)熔渣所表現(xiàn)出來的黏溫特性曲線是不一樣的，有的煤種T1～T2溫度區(qū)間較大，有的煤種T1～T2溫度區(qū)間較小，氣化爐的溫度控制要與煤種相匹配。

IGCC電站兩段式氣化爐的水汽系統(tǒng)中設(shè)置有兩個放射源密度計，儀表位號分別為33DI0037和33DI0036，測量水冷壁管道中水汽混合物的密度，33DI0037對應(yīng)反應(yīng)區(qū)水冷壁中的水汽密度，33DI0036對應(yīng)渣口附近水冷壁的水汽密度，密度值越小代表水冷壁吸熱量越大，從而推測水冷壁掛渣越薄，反之密度越大，則代表水冷壁上掛渣越厚。密度計布置圖如圖2所示。

圖2 水汽密度測點布置圖

4 水汽密度變化的意義及調(diào)整

當(dāng)氣化爐穩(wěn)定運行時，33DI0037、33DI0036呈穩(wěn)定狀態(tài)，此時液態(tài)渣層沿水冷壁、燒嘴罩順暢流下，但當(dāng)外界向爐況輸入一個擾動時(如煤質(zhì)、爐溫變化)，33DI0037、33DI0036會呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，應(yīng)根據(jù)水汽密度的不同變化對爐溫進行調(diào)整。水汽密度的變化如表1所示。

表1 水汽密度變化時爐溫調(diào)整情況

根據(jù)水汽密度判斷爐況舉例：在某一固定負荷下，氣化爐正常運行時，一段水冷壁(33DI0037)的水汽密度應(yīng)為660～680 kg/m3，渣口處水冷壁(33DI0036)水汽密度應(yīng)為700～720 kg/m3。氣化爐爐況受擾動后，33DI0037逐漸上漲，此時對氣化爐內(nèi)部工況的變化的判斷，應(yīng)結(jié)合33DI0037和33DI0036綜合判斷，如33DI0036也同步逐漸上漲，說明可能的擾動原因是入爐煤質(zhì)發(fā)生變化，入爐煤灰熔點升高，但熔渣流動性尚可，沒有形成水冷壁上局部的熔渣堆積。此時應(yīng)緩慢地提高爐溫，使參數(shù)回到正常范圍。如果33DI0036逐漸下降，說明入爐煤灰熔點升高，且熔渣流動性變差，在水冷壁局部形成大塊熔渣堆積，此時應(yīng)謹慎操作，更緩慢地提高爐溫，進行“熔渣”操作，避免大渣塊掉落堵渣。

除此之外，還可以根據(jù)氣化爐汽包小室的產(chǎn)氣量、合成氣中CO2、CH4含量、汽包小室液位等參數(shù)判斷爐況?？傊?，由于單一參數(shù)所受到的干擾因素較多，判斷氣化爐燃燒情況應(yīng)結(jié)合多個參數(shù)考慮，在實際操作中比較依賴于運行值班人員的監(jiān)控操作經(jīng)驗。在對氣化爐爐溫進行調(diào)整時，應(yīng)考慮調(diào)整爐溫的速率。一般來說，降低爐溫應(yīng)快一些，快速降低爐溫以保護水冷壁，而提高爐溫應(yīng)緩慢一些，一方面是為了防止?fàn)t溫提高過快，造成大量熔渣流下，引起垮渣，一方面也是為了減少超調(diào)。

5 燒嘴罩溫升的意義

另外，燒嘴罩溫升也是爐溫的判斷依據(jù)之一。二段式氣化爐在燒嘴罩冷卻水的進出口管道上分別設(shè)置了溫度測點，根據(jù)冷卻水進出口的溫差也可以判斷爐溫的高低。一般講，反應(yīng)區(qū)的爐溫越高，則燒嘴罩溫升越高，反之爐溫越低，燒嘴罩溫升越低。但實際情況中影響燒嘴罩溫升的因素有很多，如熔渣的流動性、燒嘴罩上渣層厚度、各燒嘴罩冷卻水流量、燒嘴罩冷卻水是否泄漏、儀表誤差等因素都會影響溫升的大小，因此不能將燒嘴罩溫升作為爐溫判斷的重要依據(jù)，僅作為判斷的參考依據(jù)。此外，燒嘴罩溫升對于熔渣流動性的變化比較敏感，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，當(dāng)熔渣流動性變差時，燒嘴罩溫升先降低，水汽密度后慢慢升高，相反，當(dāng)熔渣流動性變好時，水汽密度先下降，而燒嘴罩溫升在一段時間后才慢慢升高。

6 總結(jié)

氣化爐穩(wěn)定運行的關(guān)鍵就是要維持爐膛內(nèi)穩(wěn)定、適當(dāng)?shù)墓r。運行中，煤質(zhì)的改變，煤線的波動都會對爐況產(chǎn)生擾動，破壞原有的平衡。操作中，首先要正確地判斷爐況的變化方向、變化速度，再以適當(dāng)?shù)淖兓俾收{(diào)整爐溫，以實現(xiàn)爐況的重新平衡。