煤氣化裝置氧煤比控制策略淺析

董清鋒，陳 菲

(陜西延長石油(集團)有限公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075)

0 引言

目前，國內的煤氣化工藝主要分為兩種。一種為干法氣化，以SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐以及延長石油循環流化床氣化爐為代表；另一種為水煤漿加壓氣化，以德士古氣化爐為代表。煤氣化的反應原理為煤、O2、水或蒸汽在加壓條件下完成物理和化學反應，主要氣化產物是以H2和CO為主的合成氣。

通過煤氣化總的反應方程可知，生成CO和H2的反應均為吸熱反應，其所需熱量由煤和O2反應生成CO2所放出的熱量提供。

CO和H2是煤氣化過程產出合成氣的有效成分，是主要的控制指標。CO和H2含量的高低通過控制O2和煤的比例來實現。氧煤比過高，氣化爐爐膛溫度高，容易造成氣化爐結渣堵塞、燒壞耐火襯里等，形成安全隱患；氧煤比過低，氣化爐爐膛溫度降低，碳轉化率降低，灰渣中殘炭量高，造成原料浪費，經濟性差。因此，氧煤比的控制至關重要。

1 氧煤比控制策略

1.1 SHELL殼牌氣化爐控制策略

SHELL殼牌氣化爐和HT-L航天爐為氣流床氣化工工藝，二者在氧煤比控制策略上基本一致。以下以SHELL殼牌氣化爐為例，對其氧煤比控制策略進行闡述。

1.1.1 氧煤比值

SHELL殼牌爐氣化裝置氧煤比的控制方式有以下5種[1]。①通過CO2分析儀分析的CO2含量，自動控制氧煤比。②通過CH4分析儀分析的CH4含量，自動控制氧煤比。③通過汽包小區蒸汽產量，自動控制氧煤比。④自動設定氧煤比。⑤手動調節氧煤比。

控制方式①和②根據氣化爐內的反應原理，通過對反應生產的氣體含量及其相對應的曲線對氧煤比進行設定?？刂品绞舰弁ㄟ^氣化爐水冷壁產生的蒸汽量，間接測出氣化爐爐膛溫度，蒸汽流量和氣化爐溫度有一定的對應關系。通過蒸汽流量對應的氣化爐溫度，對氧煤比進行設定?？刂品绞舰茉陂_車期間，其合成氣氣體組分不穩定、無蒸汽產量或流量不穩定，因此不能作為氧煤比控制的依據。此時，將氧煤比的值作為開車過程總負荷的函數，并將計算結果輸入到控制器中?？刂品绞舰菔窃谏鲜?種控制方式無法投用、系統出現波動、或更換煤種時，由操作人員通過手動輸入氧煤比。

1.1.2 氧煤比控制原理

SHELL殼牌爐氣化裝置煤粉進料方式為煤粉加壓氣力輸送，流動特性不規律，煤粉流量受輸送介質的壓力、溫度、介質特性、管道中固氣比等因素影響較大。這給煤粉流量測量的準確性帶來了較大的影響。不論是德國SWR，還是美國熱電的固體顆粒流量計，都很難對煤粉流量進行準確測量。在開車前，需要對煤粉流量計進行較長時間的標定，并根據標定結果摸索出修正函數，在DCS組態中對煤粉流量進行補償和修正。SHELL殼牌爐煤粉進料流量計選用的是德國SWR公司的固體顆流量計。

對于殼牌氣化爐，通常所說的負荷實際上指的是氧氣負荷[2]。氧氣流量測量相對較為準確，在一定的負荷下，氧氣流量保持不變，通過氧煤比的調整來串級控制煤粉的流量，也就是常說的“以氧定煤”。操作員在負荷控制器中輸入氧流量設定值。該設定值通過諧波發生器以一定速率變化。變化后的氧氣流量被限幅器限制在系統允許的最大值和最小值之間。經過限制的氧流量與實際煤流量分別與氧煤比相乘，所計算出的氧氣量中，較小值即為氧氣回路的設定值。對比氧氣流量設定值和實際氧氣流量值，取其中較大值除以氧煤比，得到煤粉回路的設定值。氧煤比控制回路的設計中，同時加入手/自動轉換開關、選擇開關、修正系數等，經過修正、限位、取反、補償，控制整個氣化爐的氧煤比[3]。

SHELL殼牌氣化爐氧煤比控制策略中，在控制氧量方面有著較為嚴格的限制。控制回路中，對氧量的選擇始終為低選、對煤量的選擇始終為高選，且多處使用限幅器，以防止超氧。同時，在氧煤比控制邏輯中，多處加入手動或自動選擇開關。針對不同工況，可以分層、分級地實現氧氣和煤粉流量的手動和自動控制。

SHELL殼牌氣化爐控制技術先進，理念超前，多種控制手段涵蓋開車工況、正常工況、特殊工況。但是在實際運行過程中也存在一些問題：沒有直接檢測氣化爐膛溫度的儀表；合成氣成分控制、蒸汽產量控制、預設曲線控制都是通過控制氧煤比來間接控制氣化爐爐膛溫度，控制不夠直觀、精確；煤粉為氣固兩相流，測量不夠穩定和準確。

1.2 延長石油循環流化床氣化爐控制策略

延長石油循環流化床氣化爐進料采用干煤粉加壓氣力輸送，與SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐的進料方式較為相似。SHELL殼牌氣化爐通過調節閥來控制煤粉流量；而延長石油循環流化床氣化爐通過控制輸送氣量及輸送氣量的分配，實現煤粉流量的控制。同時，為減少進煤系統壓力波動對煤粉進料的影響，在進料系統中加入了壓力解耦裝置，有效減小了壓力波動，提高了煤粉輸送的平穩性。同樣，因為煤粉為氣力輸送，所以該策略的測量精確度不高。延長石油循環流化床氣化爐進料煤粉流量計選用的是美國熱電公司產品。

對于延長石油循環流化床裝置輸送床氣化爐，通常所說的負荷是指投煤量。煤粉由輸送氣氣力輸送至氣化爐，輸煤管線無調節閥，煤粉流量的大小通過調節給料斗壓力和壓力解耦裝置的輸送氣量實現。

延長石油循環流化床氣化爐氧煤比控制邏輯是以煤粉的流量通過氧煤比的設定串級控制氧氣的流量，即常說的“以煤定氧”。該控制邏輯的核心是氧煤比的設定值。當煤粉流量相對較穩定時，以氧氣流量的測量值與煤粉流量的測量值的比值作為軟測量值，參與氧煤的控制。氧煤比控制邏輯為：操作員手動輸入氧煤比，作為控制回路的設定值，并以實際氧氣流量與實際煤粉流量或煤粉流量設定值的比值作為控制回路的測量值。為防止氧煤比控制失效造成的氣化爐超溫，同時提高控制的安全性，在氧煤比控制回路輸出端設置自動選擇器。當氣化爐溫度超過設定值后，氧氣流量不再受氧煤比控制，程序自動切換至經多點高選的氣化爐最高點溫度來實現控制。

為提高控制的精確性，在氧氣分配回路中加入了手動偏差函數，以微調多回路氧氣流量的分配；同時，在氣化爐各氧氣噴嘴上方取一溫度信號，以單回路PID控制的方式修正氧煤比控制回路。

延長石油循環流化床氣化爐氧煤比控制邏輯，僅在提高負荷和氣化爐平穩運行時投用，降負荷時不投用，以防止超氧超溫，造成安全事故。

1.3 德士古氣化爐控制策略

德士古氣化工藝為水煤漿加壓氣化，與SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐和延長石油循環流化床氣化爐在進煤流程上存在較大差異。水煤漿流量的調節不采用調節閥或輸送氣量調節，而是采用變頻高壓煤漿泵的速度調節；同時，泵的轉速信號也轉變成煤漿流量[4]。另外，在煤漿流量方面，采用兩臺非標準設計的電磁流量計實時測量煤漿流量。對比三個煤漿流量值，取其中值參與到氧煤比控制[5]。

氧氣流量的測量與干煤粉氣化工藝基本一致，采用三臺串聯的流量計。三個流量信號經溫壓補償后，選中值參與到氧煤比控制中。

德士古氣化爐氧煤比控制方案的顯著特點是不存在“以氧定煤”或“以煤定氧”的邏輯。其核心參數為氧煤比的設定值。對比氧氣流量和氧煤比通過計算得到的煤流量與通過交叉限幅器[6-7]設定負荷煤流量，取二者的高選數值控制煤漿泵的轉速，從而控制水煤漿流量。對于測量的煤漿流量和通過交叉限幅器設定負荷的煤流量，取二者的低選數值，與氧煤比通過計算得到氧氣流量的設定值，從而控制氧氣流量。對煤的控制始終是高選，對氧的控制始終是低選。該控制邏輯在加、減負荷時，能自動實現加負荷時先提煤漿量后提氧量、減負荷時先降氧量再降煤漿量[8]，有效地控制了氣化爐的溫度和合成氣的組分。

2 幾種氧煤比控制策略的優缺點

2.1 SHELL殼牌氣化爐

SHELL殼牌氣化爐氧煤比控制策略的優點在于：氧煤比控制理念超前，思路靈活，手段多元化，適應多種工況。

其不足之處如下。

①沒有直接測量氣化爐爐膛溫度的儀表[6]，控制邏輯中未加入溫度對氧煤比的修正及超弛。雖然氧氣流量是通過低選手段控制，但系統一旦出現擾動，會造成超氧情況。該控制方案無抑制手段。

②以合成氣中CO2的含量作為氧煤比的控制器誤差較大。為減少合成器中無效氣體組分，干煤粉加壓氣力輸送所選的輸送氣一般采用CO2，這會導致氣化爐出口合成氣中CO2分析數值變化較大，因此投用率較低。

③以合成氣中CH4含量作為氧煤比的控制器難度較大。SHELL殼牌氣化爐爐膛溫度較高，合成氣中CH4含量較低，在線分析儀表測量難度較大，又相對較為滯后，因此投用率較低。

2.2 延長石油循環流化床氣化爐

延長石油循環流化床氣化爐的優點在于：在氧煤比控制策略中加入溫度超弛和溫度修正，從控制角度來看，其控制更為精確。

其不足之處如下。

①煤粉流量測量誤差較大，“以煤定氧”的控制邏輯在煤粉輸送量波動較大時，容易造成超氧。因此，該氣化爐對煤粉氣力輸送的平穩性和煤粉流量計測量的準確性要求較高。

②煤粉流量的控制未加入到控制邏輯中，控制的精準度和自動化程度有待提高。

③氧煤比控制策略只能在加負荷或平穩運行時候投用，不能實現自動減負荷操作。

2.3 德士古氣化爐

德士古氣化爐的優點在于：負荷控制與交叉限幅選擇控制耦合，以氧煤比值為設定值，通過高、低選擇器同時控制氧氣和煤粉流量，以達到所設定的氧煤比值。

其不足之處在于：氧煤比控制邏輯中未加入溫度或其他工藝參數對氧煤比的修正。

3 結束語

本文通過對國內主流煤氣化氧煤比控制策略的研究，闡述了不同工藝路線氧煤比控制思路及其優缺點。針對不同的工藝路線、不同的煤粉進料方式和氣化爐爐型，應設計與之相適應的氧煤比控制策略。同時，應根據不同煤種、不同工藝條件，不斷地摸索氣化工況，建立優化函數，并結合實際操作經驗對氧煤比控制策略加以修正。該研究有助于優秀操作員經驗的數據化、程序化，從而能更精準地實現氧煤比控制，促進裝置的穩定、安全、可靠、經濟運行。

參考文獻:

[1] 李國勝.大型煤制烯烴項目之殼牌煤氣化裝置氧煤比控制措施研究[J].化肥設計,2013,51(2):35-37.

[2] 張振基.HT-L航天爐的負荷控制 [J].甘肅科技.2015,31(21):49-51.

[3] 李國勝,葛鴻昌.SHELL煤氣化裝置氧煤比控制措施[J].自動化應用，2013(4):11-13.

[4] 王延年,楊鵬燕,楊珍.煤氣化系統中的氧煤比控制 [J].西安工程大學學報,2009,23(6):104-108.

[5] 練建華.煤漿自動跟蹤系統在氧煤比調節中的應用 [J].化學工業與工程技術,2013,34(5):35-38.

[6] 劉歡.煤氣化的氧煤比控制[J].廣州化工,2014,42(19):160-162.

[7] 徐其倫.渭河化肥廠氣化爐氧煤比控制 [J].石油化工自動化,1997(6):3-8.

[8] 陶明春,杜敏,郝英立.氧煤比對氣流床煤氣化過程的影響[J].熱科學與技術,2010,9(2):176-181.