氧煤比對(duì)殼牌干粉煤氣化技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響分析

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(天津渤化永利化工股份有限公司，天津　300452)

殼牌干粉煤氣化技術(shù)是一項(xiàng)受到廣泛認(rèn)可的煤炭清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)，數(shù)年來(lái)，科研工作者在煤種適應(yīng)性、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作優(yōu)化等方面開(kāi)展了大量研究，同時(shí)利用ASPEN PLUS、PRO Ⅱ等化工模擬軟件中豐富的物性數(shù)據(jù)和嚴(yán)格的熱力學(xué)估算模型對(duì)氣化過(guò)程的物料平衡和熱力學(xué)平衡進(jìn)行了廣泛研究，取得了豐碩的研究成果，但多數(shù)模擬研究基于Gibbs自由能最小化原理，雖然通過(guò)調(diào)整熱損失、物性方法、提供合理假設(shè)得出與實(shí)際生產(chǎn)近似的模擬結(jié)果，但并不能完全反映生產(chǎn)情況，特別是對(duì)N2工況下的模擬結(jié)果偏離生產(chǎn)較大[1-4]。

企業(yè)為掌握行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須致力于降低產(chǎn)品成本，相關(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)者對(duì)企業(yè)的成本涉及到的局部環(huán)節(jié)和產(chǎn)品生命周期的成本控制方法均進(jìn)行了廣泛而深入的研究[5]，然而專門針對(duì)化工企業(yè)工藝管理對(duì)制造成本控制影響的研究相對(duì)匱乏。本文以永利化工煤氣化運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)理論結(jié)合實(shí)際，得出氣化爐較佳運(yùn)行數(shù)據(jù)，為同行業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1　天津渤化永利殼牌煤氣化技術(shù)

天津渤化永利化工現(xiàn)有2套殼牌干粉煤氣化裝置，單套氣化爐裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量為140 000 Nm3/h(CO+H2)，煤氣化車間主要包括磨煤、氣化和凈化工序，且尤以氣化工序物耗較高。以該公司2017年預(yù)算計(jì)，在有效氣可控成本中，煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)所對(duì)應(yīng)單項(xiàng)成本之和占到總成本的64.74%，可見(jiàn)，控制煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)對(duì)煤氣化裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。

在氣化工藝流程中，高壓氮?dú)饣蚋邏篊O2將煤粉輸送到氣化爐中，與氧氣進(jìn)行氣化反應(yīng)，生產(chǎn)出的粗煤氣進(jìn)一步降溫后進(jìn)行除灰、濕洗，得到合格粗煤氣。同時(shí)，鍋爐給水經(jīng)氣化爐水冷壁、輸氣管、冷卻器換熱后變成水汽混合物，并在汽包中實(shí)現(xiàn)分離，產(chǎn)生的中壓蒸汽經(jīng)過(guò)熱器加熱后成為過(guò)熱中壓蒸汽，部分自用，部分送入中壓蒸汽管網(wǎng)。此外，氣化爐的液態(tài)渣經(jīng)激冷后最終被送至渣池。

2　氣化爐內(nèi)反應(yīng)

殼牌氣化爐內(nèi)共分為三個(gè)反應(yīng)區(qū)，分別是一次反應(yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一、二次反應(yīng)共存區(qū)，其中，一次反應(yīng)區(qū)主要發(fā)生揮發(fā)分的燃燒和碳的部分燃燒反應(yīng)，二次反應(yīng)區(qū)內(nèi)主要是未反應(yīng)完的碳繼續(xù)氣化及一次反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)[6]。即爐內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)有煤粉的裂解和揮發(fā)分的燃燒、固定碳與氧氣的反應(yīng)、固定碳與氣化產(chǎn)物的反應(yīng)以及爐內(nèi)各氣體之間的反應(yīng)。總之，氣化過(guò)程中包含復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，難以通過(guò)單一的動(dòng)力學(xué)或者熱力學(xué)公式來(lái)描述。

3　氣化爐操作控制

殼牌氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)分布和氣化產(chǎn)物不僅與燒嘴安裝水平度、氣化爐溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，還與進(jìn)料組分的濃度、溫度及理化性質(zhì)有較大關(guān)聯(lián)。由于氣化爐用煤指標(biāo)嚴(yán)格，很難長(zhǎng)期采用單一煤種或者同一種配煤方案，多數(shù)企業(yè)需要長(zhǎng)期更換氣化用煤，這就導(dǎo)致企業(yè)必須不斷調(diào)整氣化參數(shù)，同時(shí)也增加了操作調(diào)控的多樣化。天津渤化永利化工理論結(jié)合實(shí)際，考慮到氣化爐壓力對(duì)煤氣化反應(yīng)沒(méi)有顯著影響，氣化工序操作時(shí)，主要是根據(jù)煤的特性及設(shè)備運(yùn)行情況來(lái)調(diào)節(jié)氧煤比，進(jìn)而穩(wěn)定生產(chǎn)。隨著氧煤比的增加，系統(tǒng)溫度升高，相同停留時(shí)間下碳轉(zhuǎn)化率升高，但對(duì)氣化爐掛渣、排渣的影響逐漸增大，通常需根據(jù)氣化爐水冷壁副產(chǎn)蒸汽量、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力和粗煤氣中CO2、CH4等含量來(lái)監(jiān)測(cè)爐溫，防止氧煤比過(guò)高。

4　氧煤比對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

天津渤化永利化工兩套裝置氧煤比控制分別為0.9左右和0.8左右，本文以1#爐兩種配煤方案為基礎(chǔ)，在各自氧負(fù)荷、煤種、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力、CO2載氣等要素相同的情況下，分別采用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)氣化爐運(yùn)行情況進(jìn)行說(shuō)明。

案例一：裝置氧負(fù)荷為93%，采用的配煤方案為(同煤一45%∶蒙煤55%)∶(同煤二40%∶蒙煤60%)=1∶1，在氧煤比0.898～0.910范圍內(nèi)，粗煤氣干氣中有效氣(CO+H2)、CO、H2和CO2隨氧煤比變化情況如圖1所示，對(duì)應(yīng)氧煤比下煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)以及此三項(xiàng)的單項(xiàng)成本之和(下文圖表標(biāo)題簡(jiǎn)稱三項(xiàng)成本)見(jiàn)圖2和圖3。

圖1　案例一氧煤比對(duì)粗煤氣成分影響

圖2　案例一氧煤比對(duì)煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)的影響

圖3　案例一氧煤比對(duì)三項(xiàng)成本的影響

由上圖可知，在該氧煤比區(qū)間內(nèi)，隨著氧煤比的升高，粗煤氣中有效氣、氫氣和一氧化碳含量變化一致，均呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，二氧化碳含量則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，氧煤比為0.902時(shí)，有效氣含量最高。此外，煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)隨著氧煤比的升高均呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)。這可能是由于氧煤比升高加劇氣化反應(yīng)，有助于碳轉(zhuǎn)化率升高，同時(shí)有利于碳和H2O(g)的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)發(fā)生，使得CO和H2含量上升，而高溫也造成變換反應(yīng)平衡點(diǎn)左移，使得CO2和H2含量降低，CO含量升高，綜合結(jié)果是有效氣隨著氧煤比的增加而增加，但隨著氧煤比的進(jìn)一步升高，系統(tǒng)中CO、H2進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)，CO2含量上升，CO和H2含量降低，導(dǎo)致有效氣含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，出現(xiàn)有效氣含量最高點(diǎn)。盡管氧耗、煤耗和中壓蒸汽單產(chǎn)與有效氣含量呈現(xiàn)反向一致變化趨勢(shì)，且分別在氧煤比為0.909、0.904、0.898時(shí)出現(xiàn)煤耗、氧耗最低點(diǎn)和中壓蒸汽單產(chǎn)最高點(diǎn)，但由于隨著爐溫的升高，不僅氣化反應(yīng)發(fā)生變化，而且煤渣所帶走的潛熱和顯熱亦發(fā)生變化，導(dǎo)致鍋爐給水吸收的熱量相對(duì)發(fā)生變化，出現(xiàn)煤、氧氣和中壓蒸汽的單項(xiàng)成本之和并未與消耗一致變化的情況。

案例二：裝置氧負(fù)荷為94%，所用配煤方案為貧瘦煤：同煤∶蒙煤=15%∶30%∶55%，在氧煤比0.9063～0.9107范圍內(nèi)，粗煤氣干氣中有效氣(CO+H2)、CO、H2和CO2隨氧煤比變化的情況如圖4所示，圖5和圖6為對(duì)應(yīng)的煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)以及此三項(xiàng)的單項(xiàng)成本之和。

圖4　案例二氧煤比對(duì)粗煤氣成分影響

圖5　案例二氧煤比對(duì)煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)的影響

圖6　案例二氧煤比對(duì)三項(xiàng)成本影響

由圖4～6可知，在該氧煤比區(qū)間內(nèi)，隨著氧煤比的升高，粗煤氣中氣體成分變化不明顯，氧煤比為0.9096時(shí)，有效氣含量最高，煤耗和氧耗小幅降低后上升，副產(chǎn)蒸汽量顯著下降后上升，均在氧煤比為0.910時(shí)達(dá)到最低，此外，煤、氧氣和中壓蒸氣的單項(xiàng)成本之和最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)氧煤比亦為0.910。由上可知，方案二各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化幅度較方案一小，結(jié)論基本相似，但此方案下，煤耗、氧耗和三項(xiàng)成本均在氧煤比為0.910時(shí)達(dá)到最低值，中壓蒸汽單產(chǎn)在氧煤比為0.910時(shí)達(dá)到最高值。可見(jiàn)，生產(chǎn)條件及原料的變化或?qū)е旅汉摹⒀鹾暮腿?xiàng)成本最低值出現(xiàn)在同一氧煤比。

5　結(jié)　論

氣化爐內(nèi)存在復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，氧煤比變化將造成粗煤氣干氣有效氣含量、煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)發(fā)生較大波動(dòng)，而煤、氧氣和副產(chǎn)中壓蒸汽單項(xiàng)成本之和占?xì)づ聘煞勖簹饣a(chǎn)有效氣成本較大比例。隨著氧煤比的升高，煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產(chǎn)呈現(xiàn)較一致的變化趨勢(shì)，存在最優(yōu)氧煤比使得有效氣成本最低，本文案例一和案例二對(duì)應(yīng)的使有效氣三項(xiàng)成本最低的氧煤比分別為0.909和0.910，但該氧煤比未必對(duì)應(yīng)最高有效氣含量或者最低煤耗、氧耗，且不同負(fù)荷、不同煤質(zhì)、不同殼牌氣化爐對(duì)應(yīng)的最優(yōu)氧煤比也有所差異。各單位在生產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)豐富理論知識(shí)，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不斷分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，逐步優(yōu)化不同生產(chǎn)條件下氧煤比，通過(guò)加強(qiáng)工藝技術(shù)管理來(lái)細(xì)化生產(chǎn)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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