殼牌煤氣化裝置載氣切換的優化控制

李亞東

(山西晉煤華昱煤化工有限責任公司 山西晉城 048017)

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殼牌煤氣化裝置載氣切換的優化控制

李亞東

(山西晉煤華昱煤化工有限責任公司 山西晉城 048017)

為了降低合成氣中N2含量、提高甲醇產量，可將煤粉輸送載氣由N2切換為CO2，實現增產減排。比較了殼牌煤氣化裝置輸送煤粉的載氣由N2切換為CO2的3種方式，分析了切換過程中的控制難點，總結了切換前后主要參數的變化情況。

殼牌 粉煤氣化 載氣 切換

在以殼牌粉煤氣化工藝制取的原料氣生產甲醇的項目中，當氣化爐投氧負荷達到80%左右時，凈化單元產出的CO2量就能滿足煤粉輸送的要求。為了降低合成氣中N2含量、提高合成單元的甲醇產量，此時可將煤粉輸送載氣由N2切換為CO2，即能實現增產減排。

1 載氣切換方案的選擇

在殼牌氣化爐載氣(N2/CO2)切換過程中，氣化爐的運行工況或多或少都會出現波動，嚴重時甚至會影響氣化爐的安全運行。其主要原因是載氣分子量發生了變化，使得切換過程中實際煤粉輸送量與測定值之間出現差異，導致實際氧煤比與控制值產生偏差。

殼牌公司給出的解決煤粉流量測量準確性的方案是將載氣密度計算公式的切換功能組態至集散控制系統(DCS)和緊急停車系統(ESD)中，根據現場經驗設置“爬坡時間”(圖1)。采用該方案時，由于每次切換時的負荷和CO2量不同，無法準確把握“爬坡時間”，即“爬坡曲線”與實際工況不一致，故仍然會引起波動，且不能解決2種載氣長時間混用的工況(負荷較低時，CO2量不足，2種載氣必須混合使用)。

圖1 殼牌公司提供的載氣切換方案邏輯圖

圖2 優化后的載氣切換方案邏輯圖

經優化后的方案是將載氣中CO2含量對應的密度計算公式的切換功能組態至DCS和ESD中，并通過分析載氣中CO2含量的實際值來確定煤粉流量密度計算公式的校正系數，既確定了“爬坡時間”，又解決了2種載氣混用的工況(圖2)。

2 3種載氣切換方式的比較

2.1 方式一

方式一不進行載氣密度修正，未投用氣化爐蒸汽/熱負荷自動控制。在此方式的載氣切換過程中，煤流量控制器(13FIC0x01)和氧流量控制器(13FIC0x03)都打到串級控制CAS，氧煤比依據圖3曲線并由修正系數K3調節，系統變化情況見表1。

采用方式一切換載氣時，因載氣密度未修正，氣化爐的熱負荷需人工通過K3盡快調整，易出現較大波動，對操作人員要求較高。

表1 載氣切換時系統變化情況(方式一)

載氣測量的煤粉流量實際煤粉流量測量的氧碳比實際氧碳比氣化爐溫度操作人員對O2量的調節N2-CO2=↓=↑↑↓CO2-N2=↑=↓↓↑

注：1)“=”表示不變，“↗”表示緩慢升高，“↑”表示快速升高，“↘”表示緩慢降低，“↓”表示快速降低，下同。

圖3 氧負荷曲線

2.2 方式二

方式二采用殼牌公司的載氣密度修正方案，不投用氣化爐蒸汽/熱負荷自動控制。在此方式的載氣切換過程中，13FIC0x01和13FIC0x03都打到串級控制CAS，氧煤比依據圖3曲線并由修正系數K3調節，系統變化情況見表2。

表2 載氣切換時系統變化情況(方式二)

載氣測量的煤粉流量實際煤粉流量測量的氧碳比實際氧碳比氣化爐溫度操作人員對O2量的調節N2-CO2=↘=↗↗↘CO2-N2=↗=↘↘↗

采用方式二切換載氣時，由于載氣的密度已被修正，K3的調節非常小；切換過程必須與“爬坡時間”一致，否則測量的煤粉流量與實際煤粉流量會有較大偏差，進而引起氣化爐溫度大幅波動。

2.3 方式三

方式三對載氣密度進行修正，投用氣化爐蒸汽/熱負荷自動控制。在此方式的載氣切換過程中，13FIC0x01和13FIC0x03都打到串級控制CAS，氧煤比依據圖4曲線并由修正系數K2調節，系統變化情況見表3。

采用方式三切換載氣時，蒸汽的設定值是相同的，氣化爐蒸汽/熱負荷控制會自動調整氧碳比，還可通過輸入CO2的百分含量來進行修正，切

圖4 氣化爐蒸汽/熱負荷曲線

表3 載氣切換時系統變化情況(方式三)

載氣測量的煤粉流量實際煤粉流量測量的氧碳比實際氧碳比氣化爐溫度操作人員對O2量的調節N2-CO2=↘=↗↗=CO2-N2=↗=↘↘=

換比較容易且不受時間長短的限制，但CO2含量的分析必須準確。

3 載氣由N2切換為CO2后系統的調整

3.1 氧碳比

在手動、負荷自動、蒸汽產量模式下，不可使用CO2控制。當N2被CO2替代后，在修正系數不變的情況下，密度測量值變大，即同樣實際煤流量時，載氣為CO2時測得的煤流量高于實際煤流量。由于煤量采用自動控制，煤閥將關小，實際煤量減少，實際氧碳比偏高，此時可通過手動小幅度調整氧碳比修正系數K3(根據殼牌公司提供的經驗，K3調整幅度在0.00～-0.15)，根據氣化爐蒸汽產量(13FI0047)并同時參考渣樣外觀、合成氣組分、過熱器入口氣體溫度(13TI0019)、灰渣殘碳含量進行調整。

3.2 煤粉輸送管線(煤線)

煤量的調整：氧碳比下調后，需煤量增加，載氣切換后需增大煤閥開度，如果煤閥是在串級模式下運行，將會自動完成開度的調整，否則需手動調整。

煤粉流速：由于同樣質量的N2和CO2的體積流量不相同，當CO2進入煤線后，煤粉流速會有所減小，此時需適當增大煤線加速氣流量，以保證正常的煤粉流速。

3.3 流化氣量

粉煤給料罐(V1205)底錐流化氣(12FIC0X21)、粉煤鎖斗(V1204)充壓等，由于同樣質量的N2和CO2體積流量不相同，在氣體切換時需對以質量流量為設定值的控制器進行優化，保證流化效果；同時,加強對以體積流量為設定值的控制點的監控，當壓差上升時應注意調整。

3.4 V1204和V1205

正常情況下，N2切換為CO2對V1204和V1205的料位影響是很小的，但需注意這些設備料位儀表的工作是否正常;同時，載氣切換后會對系統的溫度產生影響，應確保相關系統的伴熱正常。

4 載氣由N2切換為CO2后的系統變化

在載氣由N2切換為CO2的過程中和切換以后，氣化爐及相關系統會發生一些變化：13TI0019和13FI0047的波動較之前增大；13FI0047均值未上升，13TI0019溫度上升；煤線內煤粉流速下降約0.5 m/s；V1205底錐流化氣、煤線加速氣、超高壓反吹氣流量都較N2工況下降或閥位增大；高溫高壓飛灰過濾器(S1501)反吹時，反吹氣緩沖罐(V1506)壓降由原先0.08～0.12 MPa降至0.04～0.08 MPa；粉煤過濾器(S1201)溫度較載氣切換前有所下降，N2工況泄壓溫度下降約10 ℃，切換為CO2以后下降約20 ℃；激冷氣壓縮機(K1301)電流由105 A增大至115 A，激冷氣流量由81 kg/s上升至87 kg/s，進出口壓差增大20 kPa；反吹氣加熱器(E3051)出口氣體溫度下降，S1501反吹、十字架反吹、激冷口氮氣反吹溫度均降低15 ℃。載氣切換前、后主要參數變化對比見表4。

5 載氣切換過程中的注意事項

在切換載氣過程中，必須保證超高壓和高壓N2/CO2壓力穩定，避免因壓力低而造成煤氣化裝置聯鎖跳車。煤氣化界區內加熱后的CO2溫度應大于110 ℃，13FI0047準確可靠，CO2分析儀校準且可靠。

在整個N2切換為CO2的過程中，根據CO2量切換N2量，對4條煤線及時作出調整。調整工況時，以汽包Ⅰ室產汽量(13FY0047)為準，粗合成氣中CH4和CO2含量作為參考。

CO2切入10 min左右，13FY0047明顯上升，氣化爐反應溫度上升。為防止氣化爐溫度過高，逐漸下調氧碳比以控制回路中修正參數K3值，可

表4 載氣切換前、后主要參數變化對比

位 號名 稱N2工況CO2工況13FI0010氣化爐十字架反吹氣流量19.4kg/s14.6kg/s13FI0012激冷口反吹氣流量14.2kg/s11.1kg/s13FI0102煤線加速氣流量0.40kg/s0.29kg/s12FV0121MV1#底錐流化氣閥位18%30%13FI0008激冷氣流量81kg/s87kg/s13FI0011激冷氣體積流量75m3/h(標態)79m3/h(標態)13FI0047汽包小室產汽量4.3～4.6kg/s4.2～4.9kg/s13TI0019過熱器E1306入口氣體溫度667～680℃670～695℃12TI0104S1201A溫度82～92℃74～93℃30PI0002穩定管網壓力±20kPa±80kPa13PDI0072K1301進出口壓差345kPa365kPaIIK1301K1301電流105A115A

降低總氧碳比，增加4只燒嘴的煤粉流量。煤粉密度先增大，隨著氧碳比調整，煤粉密度有所回落，但仍比純N2輸送時高。CO2切換后，合成氣中CO2含量明顯升高，而N2和H2含量明顯降低，CO含量有所增加。

6 結語

(1)無論載氣是N2，CO2或N2/CO2混合氣，壓力控制一定要穩定。

(2)負荷運行穩定后進行載氣切換，此時汽包小室蒸汽產量已經穩定。汽包小室蒸汽產量越穩定越好，最好控制在±0.1 kg/s。

(3)在切換為CO2的過程中，載氣由N2逐漸被CO2所替代，氣化爐的反應和放熱基本不會因為載氣的變化而改變，所以在原料煤基本不變的情況下，切換過程中必須維持汽包小室蒸汽產量穩定。

(4)N2的密度比CO2的低，如果煤粉輸送量一致，那么在CO2條件下測定的密度就會比在N2條件下大。

(5)密度公式的計算是基于N2來校正的，由于實際操作中采用氧煤比進行煤量的控制，而煤量是通過測定密度、輸送速度計算獲得，并用N2進行校正，所以在N2輸送條件下，氧煤比控制值對應此時控制的目標小室蒸汽產量。在載氣逐漸切換成CO2的過程中，在氧煤比不變的情況下，由于輸送氣密度的逐漸增大，實際煤量是降低的，此時真實氧煤比將增大，所以氣化爐溫度會上升，小室蒸汽產量會升高。根據運行控制原則，小室蒸汽產量應該不變，故必須增加實際煤量，即必須降低氧煤比來達到控制要求。在實際運行中，通過微量調整K3值以達到控制要求。

(6)K3值的調整與氣化爐控制壓力和負荷相關，根據負荷和切換載氣程度的變化，K3值的調整范圍一般在0.00～-0.15。

(7)在操作過程中，堅持小室蒸汽產量穩定控制，參考渣的形態(5 mm左右的碎渣)進行微調。

Optimizing Control of Carrier Gas Switchover of Shell Pulverized Coal Gasification Plant

LI Yadong

(Huayu Coal Chemical Co., Ltd. of Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd. Shanxi Jincheng 048017)

In order to reduce N2content in syngas and increase methanol output, pulverized coal conveying carrier gas can be switched over from N2to CO2to realize increasing production and reducing emission. Comparison is made of 3 methods of switchover of pulverized coal conveying carrier gas from N2to CO2for Shell coal gasification plant, the control difficulties in switchover are analyzed, and the changes of main parameters before and after switchover are summarized.

Shell pulverized coal gasification carrier gas switchover

李亞東(1976—)，男，工程師，長期從事煤氣化技術、生產管理工作；13693936726@163.com。

TQ546

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1006- 7779(2016)05- 0053- 04

2016- 04- 07)