摘要：shell粉煤气化炉的反应温度无法直接测量。目前通过测量出气化炉合成气中co2含量来控制气化炉的o2／c，从而控制炉温，滞后时间太长。提出用带有前馈信号的二氧化碳控制器来控制炉温，提高温度控制的及时性和可靠性。CQt气化网
关键词：气化炉；o2／c；炉温；控制CQt气化网
1 shell粉煤气化工艺简介CQt气化网
shell粉煤气化工艺的主要功能是将粉煤在高温高压下与纯氧发生不完全燃烧反应，转化成所需要的以有效气(co＋h2)为主要成分的粗合成气，同时副产中压蒸汽。CQt气化网
来自空分装置的纯氧，经氧气预热器用高压汽包来的高温锅炉水预热到180 ℃，与300 ℃的过热工艺蒸汽通过混合器充分混合，氧气、蒸汽和来自粉煤给料罐的粉煤一起通过水平对称布置的4个粉煤烧嘴喷入气化炉内，在4.0 mpa的表压力下进行部分氧化反应。CQt气化网
气化炉反应室由膜式水冷壁圈成，膜式水冷壁的换热管内通入锅炉循环给水以降低壁温保护水冷壁，循环锅炉给水通过与气化反应生成的高温合成气进行换热，产生表压5.5 mpa的中压蒸汽。CQt气化网
气化炉内温度高达1400～1700 ℃，反应后的高温合成气在气化炉顶部出口，被来自调频电机驱动的激冷循环气压缩机的无尘循环气(约210 ℃)激冷至约900 ℃。然后经合成气冷却器冷却至约340 ℃后进入干法除灰单元。CQt气化网
从气化炉中压汽包出来的271 ℃循环锅炉水由中压循环泵分别送入气化炉中压蒸汽发生器即气化炉水冷壁和合成气冷却器中压蒸汽发生器，以产生表压为5.5 mpa的中压蒸汽。CQt气化网
汽包内部隔成2个室，一个室与气化炉水冷壁相连，另一个室则与气化系统其他的蒸汽发生器相连。采用这种设计可以通过监测气化系统不同部位的产汽量以评估气化炉的运行状况。CQt气化网
shell粉煤气化工艺的流程见图1。CQt气化网
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2气化炉温度控制存在的问题CQt气化网
气化炉内的操作温度在1400～1700 ℃，由于该部分区域操作温度高，且工艺气体环境恶劣，原设计没有设置直接测温系统。实际运行时气化炉炉膛温度都是通过出气化炉粗合成气中co2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的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。CQt气化网
3目前气化炉炉温控制方案CQt气化网
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o2／c。o2／c高，炉膛温度高；o2／c低，炉膛温度就低。CQt气化网
控制o2／c一般有4种方法，即：①由二氧化碳分析仪／控制器进行比率的自动控制；②由小室产汽量控制器进行比率的自动控制；③自动设定比率值，在开车阶段适用；④基于进出气化炉物料的能量平衡经计算得出的温度进行控制。CQt气化网
由二氧化碳分析仪／控制器进行比率自动控制，可以较好地控制炉膛部分氧化反应的程度，较准确地控制炉膛温度。但分析仪测量本身需要一段时间才能得出结果，而且从气化炉出来的合成气要流经200 m的管道(设施)才能到达分析仪所在的测量点，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o2／c比率变化要经过8～10 min的时间二氧化碳分析仪的指示值才会发生改变。CQt气化网
由小室产汽量进行比率自动控制，蒸汽产量对炉膛温度的变化反应快，可以及时进行o2／c的调节。但蒸汽流量计本身存在故障的可能性，汽包给水温度的波动、汽包液位的波动、氧管线预热器入口温度的波动、汽包压力的波动都会对小室蒸汽产量产生影响，进而影响到o2／c控制的可靠性。所以，此种控制方法的可靠性较差。CQt气化网
至于自动设定比率值，由于原料煤组分的变化，在日常操作中不具有叮操作性，只是在开车阶段参照投煤量的变化予以设定。CQt气化网
基于进出气化炉物料的能量平衡经汁算得出的温度不能用于控制，仅供参考，因为在条件变化期间(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。CQt气化网
目前气化炉的炉温控制方案是采用二氧化碳分析仪／控制器进行比率的自动控制。从煤气化装置的实际运行状况来看，对现有的控制方案进行改进是必要的。CQt气化网
将气化炉的实际运行参数进行统计(取某个月的实际记录值)分析，发现汽包小室蒸汽产量和期望值偏差较大，特别是在运行负荷较高的情况下更是如此。说明这样的控制方案不能满足气化炉实际运行的需要。图2为实际运行状况和期望值之间的差距。CQt气化网
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4改进的气化炉炉温控制方案CQt气化网
4.1 基本思路CQt气化网
由于二氧化碳分析仪／控制器控制方法和小室产汽量控制方法各有优缺点，为扬长避短，提出改进的基本思路：用二氧化碳分析仪／控制器作为气化炉温度调节的主调节器，把小室蒸汽产量控制器的输出信号作为主调节器的前馈信号。CQt气化网
在二氧化碳分析仪／控制器控制方法中加入前馈信号可以弥补此种调节方法严重滞后的不足，提高炉温控制的及时性、有效性；对于前馈信号的可靠性较差问题，可采用对小室蒸汽产量控制器的输出信号进行限位的办法将其负面影响降至最低。CQt气化网
4.2 具体方案CQt气化网
改进的气化炉炉温控制方案共有3个控制回路：二氧化碳分析仪／控制器(16qic0004)控制回路、小室产汽量控制器(13fic0147)控制回路和带有前馈信号的二氧化碳分析仪／控制器(16qic0004b)控制回路。本质上这3个控制回路都可以单独对o2／c进行控制。为防止日常操作中在3个回路中选择时出现误操作的可能，本方案采取自动切换(对输出信号的大小进行比较自动选择)，在3路信号中选择其中的一路来控制o2／c。最主要的调节回路是16qic0004b。CQt气化网
改进的气化炉炉温控制方案的逻辑图如图3所示。CQt气化网
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1)二氧化碳分析仪／控制器控制回路。160ic0004的给定值可分别予以自动给定和手动给定。自动给定时co2含量的给定值采取预定义曲线给定，并对最大值和最小值进行限定。此给定值在“自动”模式下不是一个固定值，而是气化炉负荷和煤种的一个函数。函数的特性在实际运行中可以通过改变k—1值而修正。控制器的给定值也可以通过“co2手动给定”予以手动给定。CQt气化网
2)小室蒸汽产量控制器控制回路。13fic0147控制回路的设置和二氧化碳分析仪／控制器控制回路的方法和功能相同，不同的是“给定值”不同，一个是合成气中二氧化碳百分比含量，一个是汽包小室的蒸汽产量(单位是kg／s)。CQt气化网
3)带有前馈信号的二氧化碳分析仪／控制器控制回路。16qic0004b将16qic0004的“给定”和“测量”信号引入作为自身的“测量”和“给定”值。将13fic0147的输出信号经过“计算器”计算后作为16qic0004b的前馈信号。控制器的给定值同样町以通过“手动”和“自动”两种方式给定。当控制器在“自动”模式时，给定值是前馈值和16qico004的给定值之和。CQt气化网
此方案中尚有两个问题需要解决：预定义曲线和“计算器”计算公式的确定。CQt气化网
1)预定义曲线的确定。可以由专利商依据原料煤特性提供，也可以根据日常运行的数据拟合。图2中的期望曲线即为预定义曲线。依据特定的煤种需要的反应(气化)温度推算出不同负荷(气化炉投氧量)下期望的小室蒸汽产量。CQt气化网
2)“计算器”的计算公式的确定。此“计算器”设计有两路输入：一路来自13fic0147的“输出”(x1)，即前馈信号，取值范围在0到100之间；一路来自16qic004的“给定”(x2)，取值范围在0到10之间(目前该控制器的实际取值)。对于计算器的输出(y)则在x2的基础上用x1进行修正，考虑到y、x1的反作用关系以及x2被修正的增量范围在－2.5～2.5之间，因此得出：CQt气化网
y(输出)＝－0.05x1＋2.5＋x2(0≤x1≤100)CQt气化网
需要说明的是此处的增量范围是假定的，需要在实际应用中验证。CQt气化网
4.3 日常操作CQt气化网
1)16qic0004b、13fic0147、16qic0004在“手动”模式下输出相互跟踪。CQt气化网
2)16qico004b、13fic0147、16qic0004在装置开车前全部置于“自动”模式。CQt气化网
3)“co2手动给定”和“蒸汽流量手动给定”在装置开车前置于期望值。CQt气化网
以上3点可以固化在dcs中自动实现。CQt气化网
16qic0004b、13fic0147、16qico004在正常运行时如果某个控制器的测量值出现“坏值”，则将控制器处于“手动”模式，调节输出值。CQt气化网
在日常运行中，如果16qic0004b、13fic0147、16qic0004中的某个测量值和期望值出现较大偏差，也可以将其控制器切为“手动”模式，调节输出值。CQt气化网
5结束语CQt气化网
改进的气化炉炉温控制方案将会表现出响应迅速、控制平稳的特点。但改进的气化炉炉温控制方案只是一个设想，其实际效果如何，还有待于在实际生产过程中加以验证。CQt气化网
