爐溫控制對(duì)水煤漿水冷壁氣化爐的運(yùn)行影響

張 波，趙 蓉

(新疆天業(yè)天智辰業(yè)化工有限公司，新疆石河子 832000)

新疆天業(yè)天智辰業(yè)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(chǎn)，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(shè)計(jì)2開不備，單臺(tái)氣化爐檢修期間，另一臺(tái)氣化爐可以實(shí)現(xiàn)110%的負(fù)荷運(yùn)行，單臺(tái)氣化爐日投煤量1 500 t，2臺(tái)氣化爐每小時(shí)可產(chǎn)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(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，通過分析氣化爐結(jié)構(gòu)和燃燒過程，動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)氧煤比以控制氣化爐爐溫在適宜的范圍內(nèi)至關(guān)重要。

1 水冷壁氣化爐的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

水冷壁氣化爐由燃燒室和激冷室2個(gè)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(huán)、下降管、下降管支撐、中隔板、液位計(jì)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(huán)泵等組成一套閉合的熱力循環(huán)系統(tǒng)。

主水冷壁由集液箱、列管、鰭片、渣釘?shù)冉M成，鰭片與列管焊接，列管與集液箱焊接；列管靠近燃燒室側(cè)焊接2排渣釘用于澆注料的固定和加強(qiáng)，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(yīng)的工作空間。

圖1 水冷壁氣化爐燃燒室結(jié)構(gòu)

上水冷壁(上盤管)嵌插在上集液箱內(nèi)部。結(jié)構(gòu)成V形，主要用于保護(hù)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(jié)構(gòu)成倒V形，是氣化爐合成氣、熔融液態(tài)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(guān)鍵核心設(shè)備部件，內(nèi)嵌入激冷環(huán)內(nèi)部。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(huán)腔間隙，燃燒室中部設(shè)有水冷壁擺動(dòng)定位銷，環(huán)腔設(shè)有高壓氮?dú)獗Ｗo(hù)氣連續(xù)通入，冷卻環(huán)腔溫度，同時(shí)為水冷壁外部提供一定的壓力，防止合成氣反竄造成環(huán)腔高溫。高溫燃燒在水冷壁內(nèi)部進(jìn)行，高溫火焰不直接與氣化爐爐殼接觸，爐殼設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的鉻鉬鋼材質(zhì)，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(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)單、使用安全可靠。

強(qiáng)制閉路循環(huán)系統(tǒng)可以確保水冷壁、燒嘴冷卻水、攝像頭通道冷卻系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)生。泵強(qiáng)制循環(huán)加速了熱水在水冷壁中的流動(dòng)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(tài)渣迅速懸掛在水冷壁內(nèi)側(cè)澆注料上，形成保護(hù)膜；隨著渣層厚度增加到30 mm時(shí)，隔熱能力上升，渣池表面溫度增加，渣層進(jìn)入自我融化減薄，在一定的爐溫和生產(chǎn)負(fù)荷下，經(jīng)過復(fù)雜的一系列熔渣掛渣程序后，燃燒室內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)量中只有 1～2 t/h，且不需要定期更換耐火磚，檢修時(shí)間短，檢維修費(fèi)用低，年運(yùn)行周期長(zhǎng)(>7 500 h)。

水冷壁氣化爐獨(dú)立的四通道不需要更換一體組合燒嘴，設(shè)計(jì)有專門的點(diǎn)火、烘爐通道和控制程序，氣化爐點(diǎn)火、烘爐、投料全部自動(dòng)化，投料采用點(diǎn)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(tái)開車僅需要2～3 h即可實(shí)現(xiàn)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(fèi)用低、啟動(dòng)時(shí)間快、自動(dòng)化高、安全系數(shù)高、運(yùn)行維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)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(diǎn)的煤種，原煤適應(yīng)范圍寬。在高爐溫(1 500 ℃)操作下安全穩(wěn)定運(yùn)行，正常運(yùn)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(yùn)行爐溫的控制方法

2.1 汽包壓力和蒸汽產(chǎn)量

通過運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)分析，鍋爐水循環(huán)泵應(yīng)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(tǒng)恒定的壓力和溫度，確保水冷壁恒定的溫度和循環(huán)量。當(dāng)氣化爐燃燒室溫度不變時(shí)，汽包壓力、溫度、蒸汽的產(chǎn)量不變；當(dāng)汽包壓力下降、蒸汽產(chǎn)量降低時(shí)，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(chǎn)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(tài)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(yīng)降低爐溫。正產(chǎn)生產(chǎn)中控制汽包蒸汽產(chǎn)量在1～2 t/h。

2.2 合成氣成分

與傳統(tǒng)氣化爐運(yùn)行類同，合成氣出口在線CO、H2、CO2、CH4組成變化也是爐溫調(diào)節(jié)控制的依據(jù)，當(dāng)氣化爐出口CO2體積分?jǐn)?shù)增加(大于22%)、CH4體積分?jǐn)?shù)低于1 000×10-6時(shí)，有效氣(CO+H2)含量降低，此時(shí)應(yīng)緩慢降低爐溫。當(dāng)合成氣出口CO體積分?jǐn)?shù)增加(大于46%)，CO2體積分?jǐn)?shù)下降(低于18%)，CH4含量上升時(shí)，緩慢提高爐溫。合成氣成分對(duì)于爐溫[2]的判斷參考動(dòng)態(tài)調(diào)整值，與氣化爐燒嘴結(jié)構(gòu)、燃燒過程、原煤煤種、煤漿濃度息息相關(guān)，操作中應(yīng)謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)，與其他爐溫判斷依據(jù)共同進(jìn)行調(diào)整。

2.3 撈渣機(jī)和破渣機(jī)控制參數(shù)

運(yùn)行中氣化爐大量的熔融液態(tài)渣經(jīng)過激冷室水浴后變成小顆粒粗渣流過破渣機(jī)、鎖斗，最后定期排入撈渣機(jī)。當(dāng)破渣機(jī)電流突然上升時(shí)，說明出現(xiàn)燃燒室局部垮渣現(xiàn)象，撈渣機(jī)電流增加、渣量增加，此時(shí)應(yīng)該緩慢降低爐溫或調(diào)整爐溫梯度，密切關(guān)注激冷室溫度和液位，加快撈渣機(jī)變頻，避免大塊渣造成撈渣機(jī)跳停。

2.4 渣的形態(tài)

在撈渣機(jī)出口取樣觀察粗渣顆粒較大且有破碎的痕跡，渣發(fā)黃并伴有一定的玻璃絲狀拉絲形態(tài)，說明爐溫偏高，此時(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)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(shí)隱藏在澆注料層內(nèi)部。隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)澆注料表面掛渣和渣層的隔熱系數(shù)增大，熱偶測(cè)量溫度僅顯示為350～600 ℃，而當(dāng)燃燒室熱偶溫度突然上升至650 ℃、其余熱偶溫度不變時(shí)，說明燃燒室局部溫度高掛渣，此時(shí)應(yīng)該降低爐溫并調(diào)整溫度梯度和生產(chǎn)負(fù)荷。當(dāng)燃燒室熱偶溫度2處顯示突然上升時(shí)，應(yīng)緩慢降低爐溫，密切觀察渣口壓差、破渣機(jī)電流和粗渣形態(tài)[3]。

2.6 原煤灰熔點(diǎn)

為保證水冷壁氣化爐熔融液態(tài)排渣，爐溫控制原則上高于灰熔點(diǎn)50～100 K。若爐溫控制得過高會(huì)造成水冷壁渣層減薄、澆注料減薄、汽包蒸汽產(chǎn)量增加、熱損失增加、有效氣減少，激冷環(huán)和下降管熱輻射高易損壞；若爐溫控制得過低，熔融液態(tài)粗渣溫度過低流動(dòng)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(bào)警值時(shí)觸發(fā)停車。故正常運(yùn)行中以原煤灰熔點(diǎn)作為參考，動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)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(chǎn)量和安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)原煤灰熔點(diǎn)高于1 460 ℃時(shí)需要及時(shí)聯(lián)系更換煤種或調(diào)整原煤摻燒比例，控制灰熔點(diǎn)在1 400 ℃以下，避免氣化爐長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行損壞內(nèi)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(diào)節(jié)爐溫的主要手段，生產(chǎn)中依據(jù)爐溫和相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氧煤比。若生產(chǎn)負(fù)荷不變，則一般保持煤漿流量不變，調(diào)節(jié)氧氣流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi)。

控制中心通道氧氣和烘爐燃料氣通道氮?dú)饬髁渴钦{(diào)整火焰形態(tài)和氣化爐燃燒室溫度梯度的手段?；鹧嫦乱朴欣谂旁珜?duì)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(jié)語(yǔ)

由爐溫控制的氧氣消耗決定氣化運(yùn)行生產(chǎn)成本和消耗，與企業(yè)效益息息相關(guān)，因此合適的爐溫是水冷壁氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。通過總結(jié)6.5 MPa壓力等級(jí)水冷壁氣化爐的結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析燃燒傳熱機(jī)理，在歷年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)爐溫的控制和調(diào)節(jié)方法，可以保證氣化爐長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。