航天炉粉煤加压气化技术分析

于大光

摘 要：本文主要介绍了航天炉粉煤加压气化技术的工艺原理、技术特点及控制技术，以供参考。

关键词：航天炉；技术特点；结构

一、航天炉煤气化的工艺原理

原料煤经过磨煤、干燥后储存在低压粉煤储罐， 然后用N2(正常生产后用CO2输送)通过粉煤锁斗加压、粉煤给料罐加压输送，将粉煤输送到气化炉烧嘴。干煤粉(80℃)、纯氧气(200℃)、过热蒸汽(420℃)一同通过烧嘴进入气化炉气化室，瞬间发生升温、挥发分裂解、燃烧及氧化还原等物理和化学过程(1—10 s)。该反应系统中的放热和吸热的平衡是自动调节的，既有气相间反应，又有气固相间的反应。1400—1600℃的合成气出气化室通过激冷环、下降管被激冷水激冷冷却后，进入激冷室水浴洗涤、冷却，出气化炉的温度为210～220℃，然后经过文丘里洗涤器增湿、洗涤，进入洗涤塔进一步降温、洗涤，温度约为204℃、粉尘含量小于10×10-6的粗合成气送到变换、净化工段。[1]

二、航天炉的主要设备

1、气化炉

HT—L炉的核心设备是气化炉。HT—L炉分上下两个部分：上部是气化室，由内筒和外筒组成，包括盘管式水冷壁、环行空间和承压外壳。盘管式水冷壁的内侧向火面焊有许多抓钉，抓钉上涂抹一层耐火涂层，其作用是保护水冷壁盘管、减少气化炉热鼍损失。盘管式水冷壁的结构简单，材质为碳钢，易制作且造价较低。水冷壁盘管内的水采用强制密闭循环，在这循环系统内，有一个废热锅炉生产5．4MPa(G)的中压蒸汽，将热量迅速移走，使水冷壁盘管内水温始终保持一恒定的范围。下部为激冷室，包括激冷环、下降管、破泡条和承压外壳。激冷室为一承压空壳，外径和气化室一样，上部和水冷壁相连的为激冷环，高温合成气经过激冷环和下降管煤气温度骤降。向下进入激冷室，激冷室下部为一锥形，内充满水，熔渣遇冷固化成颗粒落入水中，顺锁斗循环水排入灰锁斗。粗合成气从激冷室上部引出。

2、烧嘴

HT—L炉烧嘴是一个组合烧嘴，由一个主烧嘴、一个点火烧嘴和一个开工烧嘴组成。主烧嘴由一条氧气通道和三条煤粉通道组成。烧嘴的头部和本体设有冷却水盘管和夹套，并强制通入烧嘴循环冷却水，温度100—105℃，以保证烧嘴特别是烧嘴头部的温度稳定，避免因高温烧坏烧嘴。整个烧嘴的使用寿命为3年。HT—L炉烧嘴设计先进，结构合理、操作方便可靠，可实现从点火到投煤的连续性。相比之下德士古气化炉需要预热完成后拆掉开工烧嘴，安装上煤烧嘴冉投煤，而壳牌气化炉在投煤后需要将开工和点火烧嘴拖出，配套系统复杂，故障率高，不易操作。[1]

三、技术原理分析

将煤炭磨制成干燥的煤粉，用惰性气体连续送入带有水冷壁的气化炉，在4MPa压力和适当的温度条件下，通过精确控制煤、氧和水蒸气等原料的比例、分布等参数，经过一系列的物理化学反应生成以氢气和一氧化碳为主要成分的高温合成气及灰分熔渣，然后，经过激冷、分离、洗涤等工艺过程，分离出熔渣，得到纯净的饱和态合成气体。

四、粉煤加压气化的技术特点

1、原料煤适应性强

两套示范装置曾先后试烧过褐煤、烟煤、无烟煤，试烧效果均较理想。航天炉粉煤气化技术对入炉粉煤粒径要求为：≤ 90μm 的质量分数大于 90%，≤ 5μm 的质量分数小于 10%，水分质量分数小于 2%，灰分质量分数在10% 以上。粒度过大会影响碳的转化率；水分含量太高则会影响 U1600 的粉煤输送；灰分小则水冷壁挂渣困难，难以形成稳定的保护渣层。[2]

2、开停车时间短，负荷升降快

从目前两套示范装置的实际开停车过程及负荷升降情况看，航天炉技术具有开停车时间短、负荷升降快的特点，减少了开停车过程中的各项物料消耗。从停车到开车，整个过程可在 2h 内完成；气化炉从投料时的 40% 负荷升至100% 负荷，也可在 2h 内完成。

3、全部开车过程电视监控，安全直观

航天炉采用特殊的航天科技成果，取消了火焰检测器，在 2 个火检管上安装了 2 个高清晰度的摄像头，在总控制室设有显示屏，从点火烧嘴点火到开工烧嘴升温升压及粉煤烧嘴投料的全过程，都在电视监控器的监控下，可以直接看到炉内的燃烧情况，具有安全、方便、直观的特点。

4、水冷壁自我修复式隔热结构

水冷壁向火侧焊接渣钉固定耐火材料，并对耐火材料冷却。运行过程中，耐火材料表面会形成固渣层和液渣层；隔热结构可以最大限度地降低气化段的散热损失，减少水冷壁蒸汽产量，从而使原料煤的热量高效地用于气化反应，生产有效气体（一氧化碳 + 氢气）。密布的渣钉，可以使耐火材料温度远低于原料煤的灰熔点，从而使熔融的灰渣在耐火材料表面固化，形成固渣层。在固渣层的表面，熔融的灰渣以液态沿壁面向下流动，最后从气化段排渣口排出。随着煤种变化，操作温度、压力、负荷变化，固渣层和液渣层厚度会发生变化，从而形成了自我修复式耐火材料结构，有效地保护了水冷壁，实现“以渣抗渣”。

五、控制技术分析

HT—L气化工艺采用DCS对全厂集中控制，同时设置故障安全联锁系统(ESD)确保系统的安全运行。主要包括以下几个部分：

l、顺序控制系统。气化装置的点火、开工、投煤、升压升负荷、系统停车都为全自动操作，方便、安全、可靠。

2、自动调节系统。如负荷调节、流量调节、压力调节等都采用自动调节，可大大节省人力资源．减小误操作几率。

3、电视监控系统。开车过程中可全面掌握装置现场情况，特别是在点火、开工、投煤的过程中，在气化炉设置的火焰检测可视系统可使操作人员直观掌握炉膛内的火焰状态。

4、故障安全联锁系统(EsD)涵盖了点火、开工、投煤、正常运行全过程，输入变量包括了所有可能对系统、设备造成安全故障的参数和监测点，可确保装置在运行过程中的安全。

5、控制系统中，煤粉系统控制和调节阀门以及硬密封切断阀的性能和寿命是影响控制系统安全可靠运行的重要因素，其价格高低也是影响投资的重要因素，本公司为两个示范装置研制生产的阀门有氧阀、煤粉切断阀、锁渣阀、煤粉换向阀、煤粉调节阀以及其他切断阀，所有这些阀门在运行过程中使用情况良好。[3]

结束语

航天炉气化技术的各大优势不仅能够减少原料煤、电量等资源的消耗，还提高了可操作性，是与我国国情相适应 的一项技术，对此，从事航天项目的人员必须要熟悉深入航天炉粉煤加压气化技术，有利于加快现代化建设的步伐。

参考文献

[1]李相军.HT—L炉粉煤加压气化技术[J].河南化工,2010(09):49-51.

[2]桂德米.航天炉粉煤加压气化技术简议[J].中国化工贸易,2017(09):85+87.

[3]卢正滔，姜从斌.航天粉煤加压气化技术的发展及应用[C].中国国际煤化工发展论坛,2010(55):206-212.