摘" 要：

某廠原設(shè)計采用蒸汽法判斷粉煤氣化爐反應(yīng)室溫度，由于煤質(zhì)波動、渣流動層厚度變化、煤線穩(wěn)定性、鍋爐給水溫度等工藝指標(biāo)變化，導(dǎo)致蒸汽法指示爐溫失效，操作人員無法控制爐溫，多次出現(xiàn)氣化爐渣口堵渣、水冷壁燒穿、燒嘴罩泄漏等工藝事故。基于Deltav控制系統(tǒng)以及改造原設(shè)計放射源測量水汽管線密度計的位置，某廠嘗試以熱負(fù)荷法判斷氣化爐爐溫。改造完成后，操作人員能夠快速判斷氣化爐反應(yīng)室溫度，運行3年以來，杜絕了氣化爐爐溫指示不準(zhǔn)確引發(fā)的各種問題，極大提高了氣化爐運營在線率。

關(guān)鍵詞：

氣化爐；Deltav系統(tǒng)；控制爐溫；熱負(fù)荷

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.014

中圖分類號：TQ545

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：

1004-8901（2024）04-0047-04

作者簡介：

郭小杰（1982年—），男，碩士，高級工程師，主要從事煤炭氣化生產(chǎn)、技術(shù)的管理工作。

A New Method to Judge the Temperature inside Pulverized Coal Gasifier Based on Deltav System

GUO Xiao-jie，LI Wen-yan

（Tianjin Bohua Yongli Chemical Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

Abstract：

The steam method，designed for a certain plant to judge the temperature inside the reaction chamber of its pulverized coal gasifier，fails due to fluctuations in coal quality，thickness of flowing slag layer，stability of coal line，boiler feed water temperature and other process parameters.As a result，operators cannot control the temperature of the furnace，leading to such process accidents as repeated slag plugging at the slag discharge of gasifier，burn throughs in the water-cooled wall，and nozzle leakages.The plant tried to determine the furnace temperature of the gasifier by the heat load method，based on the Deltav control system and by modifying the originally designed location of the radioactive source to measure the densitometer in the water vapor line.After the modification，operators can quickly judge the temperature of gasifier reaction chamber.Over the past 3 years since the operation，various problems caused by inaccurate indication of gasifier temperature have been eliminated，and the online rate of gasifier has been greatly improved.

Keywords：

gasifier; Deltav system; furnace temperature control; heat load

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.014

煤化工是以煤炭為原料，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料以及化學(xué)品的過程［1-5］。煤氣化技術(shù)是高效、潔凈的煤炭利用方式，也是煤化工的關(guān)鍵技術(shù)之一［6］，其運行穩(wěn)定性與否，直接關(guān)系到整個煤化工項目的成敗。

殼牌氣化爐在運行過程中，高溫熔融的液態(tài)熔渣沉積到“冷”水冷壁上，發(fā)生熔渣固化，形成固態(tài)渣層［7］，無法安裝高溫?zé)犭娕贾苯訙y量氣化爐爐膛溫度，所以只能通過蒸汽產(chǎn)量、渣形、合成氣中二氧化碳含量等參數(shù)間接判斷氣化溫度［8-12］。

某廠在商業(yè)運行初期，氣化爐爐溫指示不準(zhǔn)確，操作人員難以控制氣化爐爐溫，多次造成氣化爐渣口堵渣、燒嘴罩和燒嘴頭熱疲勞裂紋以及膜式水冷壁燒穿漏水，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1" 蒸汽法判斷氣化爐爐溫的原理及弊端

氣化爐反應(yīng)室內(nèi)，從煤燒嘴噴出的純氧氣和煤粉形成射流流股，產(chǎn)生高溫帶灰氣體。高溫氣流呈順時針旋轉(zhuǎn)上升狀態(tài)，攜帶液態(tài)熔渣滴“甩”到水冷壁上，熔渣固化，形成固態(tài)渣層；隨著固態(tài)熔渣厚度的增長，壁面熱阻增大，渣層溫度升高，進(jìn)而形成液態(tài)渣層［13］ 。液態(tài)渣層經(jīng)氣化爐底部的渣口，流出氣化爐。

爐內(nèi)高溫氣體以對流換熱、高溫輻射等方式向水冷壁壁面?zhèn)鬟f熱量。氣體傳遞的熱量與液態(tài)渣滴沉積帶入的熱量通過水冷壁的液態(tài)渣層、固態(tài)渣層、碳化硅層（耐火泥）和金屬壁面?zhèn)鬟f給冷卻水；冷卻水吸收熱量后產(chǎn)生蒸汽［14］，操作人員通過蒸汽量變化間接判斷氣化爐反應(yīng)室溫度。某廠原設(shè)計采用小室蒸汽產(chǎn)量（13FI-0047流量）指示氣化爐爐溫（見圖1），判斷氣化爐反應(yīng)室溫度。

煤質(zhì)波動、渣流動層厚度變化、煤線穩(wěn)定性、鍋爐給水溫度等工藝指標(biāo)變化，都會影響蒸汽產(chǎn)量數(shù)值波動，從而指示爐溫失效。某廠在氣化爐投產(chǎn)后，蒸汽產(chǎn)量一直顯示不準(zhǔn)確，無法指示氣化爐反應(yīng)室溫度。操作人員無法控制氣化爐反應(yīng)室溫度，項目投產(chǎn)初期，平均每月出現(xiàn)一次氣化爐渣口堵渣或燒壞氣化爐設(shè)備事故（見圖2），嚴(yán)重影響企業(yè)的安全性和整體效益。

2" 熱負(fù)荷法間接判斷氣化爐爐溫原理

2.1" 熱負(fù)荷計算過程

氣化爐熱負(fù)荷為Q，kJ。鍋爐給水升溫、汽化變成蒸汽，吸收的熱量為Q1，kJ，部分鍋爐給水去E-1 309加熱氧氣水的熱量為Q2，kJ，汽包（大室+小室）排污水熱量為Q3，kJ，根據(jù)熱量守恒定律，其氣化爐熱負(fù)荷的表達(dá)式為：

Q=Q1+Q2+Q3（1）

其中，

Q1=F1×（H1-H2） （2）

Q2=0.5×F2×Load1/25.64×3932.77（3）

Q3=0.5 ×F3×（H2-H3）（4）

式中：F1為氣化爐蒸汽產(chǎn)量，kg/s；F2為E1309入口水流量，kg/s；F3為汽包排污量，kg/s；H1為飽和蒸汽焓，kJ/kg；H2為爐水焓，kJ/kg；H3鍋爐給水焓，kJ/kg；Load1為氣化爐設(shè)計滿負(fù)荷氧氣流量，kg/s；氣化爐設(shè)計最高負(fù)荷氧氣流量為25.64 kg/s；氧氣預(yù)熱器設(shè)計熱負(fù)荷為3 932.77 kJ/kg。氣化爐熱負(fù)荷流程示意見圖3。

2.2" 現(xiàn)場技改

在表達(dá)式（2）中，氣化爐蒸汽產(chǎn)量F1是通過放射源測量管道內(nèi)水/蒸汽密度后，進(jìn)行補(bǔ)償計算得到。利用某廠原設(shè)計水/蒸汽系統(tǒng)的密度計，改造安裝位置。

改造后測量水汽密度數(shù)據(jù)，進(jìn)入計算式（5）-（7）得出蒸汽產(chǎn)量。計算依據(jù)，在管線內(nèi)，始終存在以下質(zhì)量平衡：

D1×V1+D2×V2=D3 （5）

式中，D1為蒸汽密度，kg/m3；V1為飽和蒸汽體積分?jǐn)?shù)，%；D2為爐水密度，kg/m3；V2為爐水體積分?jǐn)?shù)，%；D3為測量水汽密度，%。

V1+V2=1（6）

X1=D1×V1/（D1×V1+D2×V2）=

D1×（D3-D2）/（D3×（D1-D2））（7）

氣化爐蒸汽產(chǎn)量F1氣化爐蒸汽產(chǎn)量主要由管線Ⅰ和管線Ⅱ兩部分蒸汽組成，故

F1=F4+F5 （8）

將式（8）和式（7）結(jié)合后得到：

F1=0.145×F6×D1×（D3-D2）/［D3×

（D1-D2）］+0.142×F6×D1×（D3-D2）/

［D3×（D1-D2）］（9）

D2=917.062-4.08549×Y1+0.0383063×Y2

-0.000297233×Y3+0.000000953748×Y4 （10）

式中，X1為飽和蒸汽在水汽混合物中的質(zhì)量比例，%；F4為管線I流量，kg/s；F5為管線I流量，kg/s；F6 為P1301泵出口循環(huán)水流量 ，kg/s；Y1-Y4為不同溫度下對密度的修正系數(shù)。

2.3" 氣化爐熱負(fù)荷修正

管線Ⅰ和Ⅱ產(chǎn)生的蒸汽產(chǎn)量，不含氣化爐底錐、燒嘴罩、熱裙、渣屏部位的蒸汽產(chǎn)量，為了快速、穩(wěn)定判斷氣化爐爐溫，經(jīng)過模擬實驗［15，16］，該部分熱量占?xì)饣癄t反應(yīng)室總熱量8%，因此，在計算氣化爐反應(yīng)室熱負(fù)荷時必須將這部分熱量計算在內(nèi)。

Q1=F1×（H1-H2）/（1-8%）（11）

2.4" 基于Deltav控制系統(tǒng)組態(tài)

Deltav控制系統(tǒng)是艾默生公司研發(fā)的DCS控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠達(dá)到數(shù)字化工廠需求，實現(xiàn)精確控制和預(yù)測性維護(hù)。

在公式（1）-（9）中，參與計算涉及到焓值、爐水密度、蒸汽密度、常數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)無法查找，而Deltav控制系統(tǒng)中內(nèi)置這些參數(shù)模塊，組態(tài)人員輸入介質(zhì)溫度、壓力等參數(shù)等信息，即調(diào)用焓值、飽和蒸汽密度等參數(shù)，調(diào)用的模塊分別是TSS（壓力轉(zhuǎn)化溫度模塊）、SST（溫度轉(zhuǎn)化密度、焓值模塊）以及WTH（水焓功能模塊）。利用這些模塊按照式（1）-（9）進(jìn)行組態(tài)。

3" 應(yīng)用效果

氣化爐反應(yīng)室熱負(fù)荷用于氣化爐爐溫控制指標(biāo)，將運行參數(shù)與蒸汽產(chǎn)量控制爐溫時運行參數(shù)對比，結(jié)果見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，蒸汽產(chǎn)量法控制氣化爐爐溫，是以汽包蒸汽產(chǎn)量13FI0047為指標(biāo)，其基本工況為3.64 kg/s時，氣化爐爐溫沒有波動，因為受鍋爐給水溫度影響，13FI0047顯示值為3.35 kg/s，4.08 kg/s，3.66 kg/s。熱負(fù)荷法控制氣化爐爐溫，是以水汽密度作為依據(jù)，根據(jù)物化特性，計算熱負(fù)荷為指標(biāo)，其基本工況為1 744時，氣化爐爐溫沒有波動，在受鍋爐給水溫度時，其顯示值仍為1 744，指示爐溫更加精確。

熱負(fù)荷法基于Deltav系統(tǒng)組態(tài)過程，系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定，排除了蒸汽流量法和計量儀表安裝及煤波動等因素擾動。熱負(fù)荷法直接測量水/汽管道內(nèi)水/汽系統(tǒng)密度值變化，迅速反映出氣化爐爐溫。

某廠改造完成后，操作人員能夠精準(zhǔn)控制氣化爐爐溫，徹底杜絕了氣化爐堵渣、燒嘴罩漏水、燒穿水冷壁等事故的發(fā)生。

4" 結(jié)語

（1）Deltav控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能為熱負(fù)荷法判斷殼牌氣化爐反應(yīng)室爐溫提供了技術(shù)保障。

（2）某廠利用原設(shè)計管線，放射源及Deltav控制系統(tǒng)，通過改造、模擬計算、數(shù)據(jù)整合采用熱負(fù)荷法作為主要控制爐溫指標(biāo)，不僅能夠快速反應(yīng)出氣化爐爐溫變化工況，而且不受煤質(zhì)波動及流量計安裝等因素的影響，快速反應(yīng)出氣化爐爐溫。

（3）熱負(fù)荷快速、穩(wěn)定反應(yīng)氣化爐爐溫，徹底杜絕因煤質(zhì)不穩(wěn)定而導(dǎo)致氣化爐堵渣、燒嘴罩漏水及燒穿水冷壁等事故的發(fā)生。

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修改稿日期：

2024-02-02