摘要：本文阐述了两段式粉煤加压气化工艺中对炉温控制的重要性，分析了影响气化炉炉温的主要因素、实际炉温的判断方法及炉温的控制手段。目的是在运行过程中能采用正确的方法来准确的判断炉温，从而优化操作，最终达到装置长周期稳定运行。
关键词：粉煤气化,氧煤比,炉温,控制
以煤气化为基础的能源及化工系统正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤炭的气化和液化技术、煤气化联合循环发电技术等都已得到工业应用。其中的粉煤气化技术有其显著的优点，如碳转化率高、氧耗低、单台处理能力大、热量利用率高等。而且其安全、环保、经济的设计理念已经在工业生产中得到了验证。此外工艺操作上其自动化程度高、控制系统的先进性也体现了煤气化技术的未来发展方向。目前采用粉煤气化技术的厂家主要任务是实现装置的长周期稳定运行，因此如何准确判断并控制好炉温具有着重要的意义。
国内首台IGCC电站工程采用西安热工研究院开发的具有自主知识产权的两段式干煤粉加压气化技术，在工艺流程上有废锅流程和激冷流程，分别适用于发电和化工领域。在炉型与炉内结构上，两段式干煤粉加压气化炉是对一段式气化炉的改进。
本文将对两段式气化炉炉温的判断及控制进行探讨。
1 两段式气化工艺优势
在工艺上两段式气化采用了粉煤加压气化技术，该工艺是粉煤部分氧化工艺的一种形式，气化炉内部分成两个反应区，气化炉下段为一段反应区，在此粉煤(夹带N2)、O2 和蒸汽进行高温化学反应，产生湿煤气。此后，温度高达1400～1600℃(根据煤种而异)的湿煤气进入气化炉上部二段反应区，在此粉煤与蒸汽(不加氧气)利用来自一段的煤气显热进行煤的裂解(脱除挥发物)、挥发物的气化和碳的气化等反应，产生额外的煤气。二段反应区出来的未燃碳(飞灰)经捕集后返回一段反应区返烧。如果该炉二段反应区不投料，则与目前一段式气化炉(Shell炉和Prenflo炉)相同。
煤粉与纯氧在高温高压条件下从煤烧嘴均匀进入气化炉反应室反应，产生合成气，气化温度为1400～1600℃，压力3.0MPa，碳转化率高达99%以上，产品气体相对洁净，不含重烃，CH4含量极低，合成气中有效气体(CO+H2)高达90%以上，煤中的灰分被转化为渣和飞灰分别排除出系统。因为高温气化从而不产生焦油、酚等杂物，极大的降低了下游的水处理难度，不污染环境，合成气质量好。
在设备结构上气化炉本体和合成器冷却器通过气体反向室、导气管连接在一起，内部采用水冷壁结构。气化炉本体和合成器冷却器共用一个汽包，将粉煤燃烧反应放出的大量热量移出，并回收利用，有效的提高了热效率，煤气化总的热效率可以高达98%。煤烧嘴的对称设置即增加了负荷调整能力也提高了单台炉的处理能力，同时也符合合成气上行流程对内部流场的要求。
与国外粉煤气化工艺相比，两段式粉煤气化工艺具有如下特点：
Ø 煤种适应性更强。从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰熔点范围比其他干法气化工艺更宽，对于高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应。由于采用两段式气化技术，为了排渣顺利，不需要整个反应区温度都达到灰熔点以上，只需要保证一段反应区温度达到灰熔点以上即可。由于一段反应区空间较小，因而可以在较低的氧煤比下达到提高反应温度的目的。
Ø 冷煤气效率更高、比氧耗更低。气化系统特性因素中最重要的是冷煤气效率，气化炉的冷煤气效率越高，意味着从整个电厂其他系统的需求越少，易于提高循环效率，也使全厂的设计趋于简单。对于IGCC电站，最重要的是全厂的总效率，它包括煤气的显热和蒸汽的热能【1】。由于在二段反应区只投入煤粉和蒸汽而不投入O2，在二段反应区发生煤的裂解和气化反应，因而可以在不投O2的情况下生成更多的有效气(CO+H2)。从而提高冷煤气效率、降低比氧耗。与国外干煤粉加压气化技术相比，两段式气化技术气化的冷煤气效率高出2～3%，比氧耗减少15～20%。
2 炉温对气化操作的重要性
两段式气化工艺采用液态排渣方式，炉膛中心反应温度很高，所以反应炉温控制要比灰熔点高100～150℃左右，这样才能达到液态渣的最佳流动温度。该条件下炉壁上会形成一层厚度均匀的渣层，达到“以渣抗渣”的目的。因此炉温的高低直接影响到挂渣效果，渣层过厚容易形成大块渣，造成除渣系统特别是出渣口的堵塞，严重时造成停车;渣层过薄则容易损坏水冷壁耐火衬里造成水冷壁的损坏。
气化炉一段反应区炉温是气化炉运行过程中最重要的参数之一，过低的炉温会引起气化炉的堵渣，过高的炉温会烧坏气化炉水冷壁、水冷壁上耐火材料或烧嘴罩。因此，气化炉在运行时炉温必须合适。因气化炉炉温无法直接测量，只能通过一些参数间接地反映，在运行时需要掌握这些参数的控制范围。气化炉炉温是否过低可以通过气化炉下渣情况判断，要掌握判断气化炉下渣情况的方法。气化炉炉温是控制参数，氧煤比是调节手段，当炉温不合适时要利用氧煤比及时进行调节。
3 影响炉温的主要因素
气化炉的结构特点决定气化炉的温度不能直接测定，只能通过间接方法来控制。在一定的氧负荷下，氧煤比的高低决定反应温度高低，氧煤比越高，气化温度越高;氧负荷增加的情况下，要保持气化炉温度稳定，氧煤比应以一定量减小。气化炉总负荷控制器控制送入煤烧嘴的氧流量，气化炉炉温控制就是通过调节煤烧嘴的氧煤比，从而调节煤烧嘴煤粉调节阀，控制气化炉温度。气化炉的反应温度可达1500℃以上，现阶段无法直接测量炉温，只能通过出气化炉的粗合成气中CO2和CH4含量、汽包小室蒸汽产量、基于进出气化炉物料的能量平衡经计算得出近似的反应温度等工艺参数的变化，间接判断出炉膛的温度，从而加以控制。影响气化炉温度的主要因素如下：
3.1 煤种的影响
对于不同煤种，原煤中灰分、水分、挥发分和固定碳差别较大。尤其是灰分，某些地区的原煤最高可达30%以上，灰分越高则原煤中固定碳等有效成分就越低，直接影响到煤的发热量，从而影响到气化炉的耗氧量和有效气体产率。煤的发热量与煤中水分、灰分含量以及灰的性质有很大的关系，其中灰分为主要影响因素。
在实际生产中原煤煤质会经常发生变化，因此在运行当中可以通过配煤或添加助熔剂等措施来调节进炉煤粉的灰熔点、灰的粘温特性，来保证合理的操作弹性。根据实际操作经验，参与配煤的煤种之间灰熔点不易相差太大，否则进炉后相配煤粉的反应不能很好的兼容，达不到互补的作用。
另外煤灰主要是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2及Na2O、K2O等组成。一般而言，煤灰中酸性组分SiO2、Al2O3、TiO2和碱性组分Fe2O3、CaO、MgO、Na2O等的比值越大，灰熔点越高。煤灰组成一般对气化反应无多大影响，但其中某些组分含量过高会影响到煤灰的熔融特性，造成气化炉渣口排渣不畅或渣口堵塞。对助熔剂及加入量的选择，应结合煤灰组成，通过添加某些组分(一般选用碱性组分)，调整煤灰的相对组成，以改善灰的熔融特性【2】。
因此，对于采用粉煤气化技术的用户来讲，尽量使用煤质相对稳定的煤种是非常必要的，如果实际生产中煤种无法稳定，则要建立详细的配煤、助熔剂方案，来稳定气化炉的操作。
3.2 反应过程中水蒸汽的使用
炉内高温是由煤粉在纯氧下燃烧或部分燃烧释放的热量保持的，与此同时，炭粒与水蒸汽或CO2发生吸热的还原反应。所以，在加煤量一定的条件下，气化炉内的温度是由O2和水蒸汽气化剂的加入量所决定的。
在气化过程中，加入的水蒸汽在高温条件下与炭粒发生强吸热的水煤气反应，增加合成气中H2、CO的含量，控制炉温不致过高，还能降低氧耗量。但当H2O/C过高时，将使炉温降低，阻碍CO2的还原和水蒸汽的分解反应，影响气化过程。
3.3 氧煤比的选择
氧煤比对气化过程存在着两方面的影响。一方面，氧煤比的增加使燃烧反应放热量增加，从而提高反应温度，促进CO2还原和H2O分解反应的进行，增加合成气中CO和H2的含量，从而提高合成气热值和碳转化率;另一方面，燃烧反应由于氧量的增加，将生成CO2和H2O，增加了合成气中的无效成分。所以，为了获得理想的气化效果，必须选择合适的氧煤比【3】。
同时，粉煤是通过HP N2输送至气化炉煤烧嘴。N2流量的波动、长距离的输送都会造成煤线的波动，进而影响炉内氧煤比。煤线、氧线测量仪表的不稳定也会影响实际的氧煤比，从而引起炉温的变化。
4 炉温的判断及控制方法
4.1 气化炉实际炉温的判断
气化炉炉温因为无法直接测量得到，只能通过气化炉炉体及环形空间的多个测温点、合成气中各组分的百分含量和复杂的计算近似得出，气化炉的蒸汽产量也反映了气化炉的运行状况，控制合成气的组分及蒸汽产量，同样能达到控制气化炉温度的目的。气化炉的温度升高，气化炉的蒸汽产量越高，合成气CO2的含量就越高，CH4的成分含量就越低。在实际运行中主要通过以下方法来判断实际炉温：
4.1.1 汽包小室(气化炉本体侧)产汽量
气化炉采用膜式水冷壁的特殊设计，反应产生的余热被水冷壁回收产生蒸汽，所以蒸汽产量对炉温反应最敏感，是调整炉温的重要依据。在实际运行中可以通过小室的产汽量来判断炉温的高低，如出现大范围波动，则炉温发生突变，产汽量越大，炉温就越高;反之，炉温越低。
同时因为产汽量影响因素较多，如汽包压力、炉水的温度、汽包补水量、蒸汽测量仪表等，所以根据产汽量来判断炉温也有局限性。另外炉壁的渣层厚度也直接影响蒸汽产量，而渣层的厚度无法观测，只能通过煤质、气化炉运行工况来综合判断。
4.1.2 合成气中CO2及CH4含量
反应产物中CO2和CH4的含量变化趋势也能间接反映出炉温的高低变化，二者均采用红外线在线分析测量，但分析仪测量本身需要一段时间才能得出结果，并且气化炉出口至分析仪所在位置距离过长，分析仪测得的结果严重滞后于炉膛温度的变化。通过实际运行观察，入炉氧煤比的变化要经过约10min的时间分析仪的指示值才会发生改变。在运行工况稳定的情况下，CO2含量越高炉温越高，CH4含量越高炉温越低，而CO2和CH4含量成反比关系。在此需要注意的是如果煤种发生变化或者仪表测量误差等原因，通过CO2和CH4含量判断炉温只能作为趋势参考，无法进行定量分析。此方法的优点是较为直观，缺点是此方法反映的炉温相对滞后，耗时较长，CO2和CH4的控制目标值不好确定，受负荷等因素影响较大，需要有较强的专业知识才可准确判断
4.1.3 炉渣外观
炉渣外观能够比较准确的反映实际炉温，是实际操作过程中判断炉温最重要的手段之一。一般情况下，当炉渣中的针状渣或丝状渣较多时，表明煤渣的流动性较高，原因是气化温度太高或助熔剂加的量太大;当炉渣中有较多的小块状渣，表明气化炉有可能结块，大多数情况下是渣的流动性太低，原因是气化温度太低或助熔剂加的量太少;当炉渣中有较多的灰状物或渣较湿，则表明气化温度太低不适合于正在气化的煤种。这种现象一般能从渣池循环水中的渣水密度看到，此时的渣水密度较高。
4.1.4 渣水密度
正常的渣水密度应该在一定区间内波动，通过调节外排渣水量和补水量来控制循环水中渣密度。当外排渣水量和补水量相对稳定时，渣水密度可以反映出炉内煤粉的反应状态。如果密度升高，则说明过多未反应的煤粉进入渣池使渣水密度升高，此时的炉温是偏低的;相反，密度降低时，炉温偏高。
4.2 炉温的控制方法
控制气化炉炉膛温度的出发点就是控制煤的部分氧化程度，即进入炉膛物料的氧煤比。氧煤比高，炉膛温度高;氧煤比低，炉膛温度就低。氧煤比的设定可参照以下几点：
4.2.1 汽包小室产汽量控制
气化炉的温度变化，蒸汽产量会立即发生变化，利用该参数可以及时有效地控制气化炉温度，是气化炉温度控制的重要措施。为保证控制的准确性，采取以下措施：①蒸汽测量采用三台变送器，DCS采用三取中，然后进行温压补偿运算及控制运算;②汽包产汽由两部分组成，一部分是气化炉本体所产蒸汽，另一部分是气化炉冷却器所产蒸汽，开关阀33XV0049是打开汽包两部分之间的平衡管线。如果该阀已经打开，则不应使用蒸汽产量控制来控制气化炉温度，因为蒸汽流率测量不再是仅测量气化炉的蒸汽产量，这个功能是通过DCS联锁逻辑自动完成的;③采用汽包供水温度的修正系数修正蒸汽控制器给定值。气化炉的负荷—蒸汽转换曲线转化为相应的蒸汽量，此时的蒸汽产量受汽包供水温度的影响，温度越高相应的产汽量就越大，汽包供水温度通过转换曲线来补偿校正气化炉负荷转化来的蒸汽量。
假定锅炉给水的温度为170℃，修正系数为“1”，表1为与实际的锅炉给水供水温度相对应的修正系数。
要确定气化炉某一负荷下的理想蒸汽产量，需要利用修正系数乘气化炉蒸汽产量，才是工艺蒸汽控制的目标值。汽包小室蒸汽产量能够真实地反映气化炉的燃烧情况，炉内温度越高，产气量就越大，当所产蒸汽量超过极限值的时候，就会损坏气化炉内件，因此气化炉蒸汽产量引入安全保护非常重要。
4.2.2 CO2含量控制
通过产汽量控制氧煤比，虽然调控速度快，但容易受到客观因素的干扰。而根据CO2含量控制则受干扰因素较少，所以在工况稳定的情况下，只要充分考虑到反应时间的滞后问题，采用CO2含量控制更能有效的调节炉温。
4.2.3 氧煤比曲线控制
此方法只适用于投煤开车阶段，由于煤种的变化，每次开车前都要预先根据选择的煤种做粉煤循环试验，根据试验数据制定氧煤比开工曲线，然后在开车过程中按照曲线来调节氧煤比控制炉温。
4.2.4 理论计算温度控制
基于进出气化炉物料的能量平衡经计算得出的温度不能用于控制，仅供参考。因为在运行条件变化期间(特别是负荷变化期间)，测得的蒸汽流量和温度反应不够快而造成不正确值出现。但是在工况稳定的情况下，其理论计算温度值的变化趋势可以部分反映出炉温的变化趋势。
4.2.5 烧嘴罩温升间接测温控制
通过测量进气化炉煤烧嘴的烧嘴罩冷却水流量及烧嘴罩进出口水的温差，可以间接计算得到气化炉反应区中心温度的方法。此方法的优点是可以直接监测气化炉反应区中心的温度，且灵敏度高。缺点是该测温方法的准确性受烧嘴罩冷却水流量和温度的测量仪表的可靠性制约，且气化炉压力、负荷的变化和炉内偏烧对其结果也有一定的影响。
5 结论
气化炉炉温控制直接关系到煤粉的碳转化率、水冷壁的使用寿命以及整个气化系统的稳定，而气化炉的稳定运行关系到全厂经济效益的好坏，因此气化炉炉温的控制至关重要。正常运行期间，要多了解原煤性质，根据煤质制定合理的配比措施。
当气化炉炉温发生变化时，判断实际炉温的高低要从煤质、小室产汽量、炉渣外观、合成气组分、渣水密度、烧嘴罩温升等因素综合考虑，再通过调节氧煤比控制炉温回到正常的范围内。在调节过程中，要充分考虑到反应滞后的影响因素，炉温的控制始终是动态的，调节过程要小幅、多次的进行，切不可采取一步到位的错误调节方法。
气化炉炉温是控制参数，氧煤比是调节手段，发现炉温需要调节时，必须果断利用氧煤比进行调节。利用氧煤比进行调节炉温时，可以遵循以下的原则：
Ø 当气化炉炉温偏离目标值50℃以下时，通过调整K3值来微调氧煤比，每次氧煤比调节幅度控制在0.002～0.004;
Ø 当气化炉炉温偏离目标值50℃以上时，通过调整K3值来微调氧煤比，每次氧煤比调节幅度控制在0.005～0.01;
Ø 氧煤比调整后，待气化炉炉温稳定10分钟左右，方可继续调节;
Ø 极端情况下，如气化炉炉温超温严重时，为保证设备安全，可以大幅度调整氧煤比，每次调整0.01或更高。
参考文献：
【1】许世森、张东亮、任永强。大规模煤气化技术：309
【2】许世森、张东亮、任永强。大规模煤气化技术：249-250
【3】许世森、张东亮、任永强。大规模煤气化技术：233-234