運用系統思維解決煤化工企業實際難題的研究

孫 剛,石文峰,王星星,王晉亮

(晉能集團華昱能源化工有限責任公司， 山西晉城 048000)

“系統思維”也叫整體思維，是一種宏觀、多樣化思考和解決問題的方式。在煤化工企業中，可以利用系統思維整體倒映局部，發現生產系統中出現的問題，通過資源重新搭配以實現“整體大于部分的簡單總和”效應，提高生產裝置運行水平[1]。

1 難以發現并鎖定工藝氣放空閥泄漏問題

1.1 查漏困難和解決方案

煤化工企業生產工藝復雜、流程長，裝置中安全閥、放空閥數量多，一旦這些閥門發生泄漏，會導致大量有效氣體進入火炬燃燒，造成成本浪費。傳統檢漏方法是操作人員利用測溫槍檢測放空閥后溫度，如高于環境溫度則判斷閥門泄漏。但是，該方法無法檢測常溫氣體的放空閥是否內漏，同時由于放空閥或安全閥數量眾多，生產企業做不到每天檢測。傳統檢測方法需要逐個閥門測量溫度，工作量大、檢測時間長，增加了人力成本[2-3]。

經過實踐探索和總結，運用系統思維創立了一種快速發現并鎖定泄漏閥門的方法，即通過建立火炬總管的排放監控機制，就能快速鎖定內漏部位。監控機制為：將所有至火炬的排放口氣體組分進行統計并建表，在系統正常運行時進行一次泄漏普查，確認各排口無非正常排放；在系統正常運行時對火炬末端總管進行取樣分析，將無泄漏時的火炬氣體組分作為背景氣；定期對火炬末端總管的氣體進行取樣分析，當某些氣體組分發生大幅度變化時，很快就能鎖定火炬沿線中存在泄漏的具體裝置。

1.2 零成本的創新產生巨大經濟效益

2019年，晉能集團華昱能源化工有限責任公司(簡稱華昱公司)通過定期的火炬氣體組分全分析，發現其中CO2體積分數由正常的14%上漲至27%，CO、H2含量小幅度上漲，其它氣體組分未明顯變化。根據該情況，立即判斷為變換爐后的煤氣系統存在內漏。經過取樣分析火炬氣體組分，與放空背景氣對比，鎖定為變換出口安全閥泄漏。隨即對安全閥進行離線調校，最終解決泄漏問題。經核算，當時該安全閥泄漏工藝氣體積流量達到了3 200 m3/h，處理后，甲醇產量提升了1 t/h，僅此一項放空的控制，全年就能創造近1 500萬元的效益。

上述事例表明該火炬系統排放監控機制能迅速排查系統存在的泄漏。在不增加任何投資的情況下，僅通過管理模式的創新，就杜絕了火炬系統長期內漏且無法得到有效監控的問題，為大型化工項目的高效運行提供保障。

2 航天爐節能降耗問題

2.1 從追求更多有效氣到實現最優經濟效益運行

在氣流床氣化爐的操作中，由于物料停留時間短，氧煤比是直接反應爐溫、粗合成氣有效氣含量的關鍵指標。同時，由于使用高硫無煙煤，氧煤比還關系到排渣是否順暢等諸多問題。在項目運行初期，氧煤比的控制基本只參考爐膛溫度，經常由于氧煤比過低造成粗合成氣有效氣成分升高、煤耗大幅度上升的情況；或者由于氧煤比過高造成粗合成氣有效氣成分大幅度降低的情況[4]。

在分析大量運行數據的基礎上改變思維方式，建立最經濟氧煤比控制的數學模型。在數據庫中需引入煤氣產量(干基)、煤氣有效氣組分、入爐煤消耗量、氧氣消耗量、有效氣產量、入爐煤固定碳含量、入爐煤灰熔點流動溫度等諸多參數。對運行1 a來的數據進行分析，引入煤炭價格，核算有效氣單價最低情況下的氧煤比，計算出合適的經濟運行工況。數學模型建立后，只需輸入每天入爐煤的固定碳含量，就能得出最佳的氧煤比控制參數。同時，考慮到氣化爐的安全，還在模型中引入渣口壓差的閥值，當核算出其值大于40 kPa時，適當調整氧煤比。

2.2 經濟效益

該運行優化思路創新性引入了“最經濟氧煤比”的運行控制概念，大幅提升了氣化裝置的經濟效益。目前，單位有效氣的煤耗大幅度下降，比煤耗(千方凈化氣耗煤量)由最初的685 kg/km3以上降至604 kg/km3左右。

3 航天爐細渣的綜合利用問題

3.1 航天爐系統產量大、處理費用高

華昱公司全年航天爐產生細渣(干基)總計為13.5萬t以上。原本采用真空帶濾系統對航天爐沉降槽內的煤泥水進行脫水處理。經真空帶濾系統脫水后的煤泥，其含水率和殘碳率均為30%～50%(與煤質有關)。因為煤泥含有一定熱值(12 558 kJ左右)，部分公司對外銷售。在缺煤地區銷售價格為10～50元/t，但在富煤地區基本無法對外銷售，處于需要付錢處理的尷尬境地。

華昱公司顛覆傳統航天爐細渣處理方式，采用離心機+煤泥回用裝置，重新優化組合化工行業較為成熟的工藝，同時解決了不同工藝路線間的銜接配套問題。離心機為單系列設備，煤泥脫水過程中無需輔助設備，運行穩定性高，其運行成本僅為真空帶濾系統的25%。利用離心機，脫水后的煤泥含水率維持在40%～50%，并且還富含大量的表面水，完全具備直接進入煤泥回用系統的條件。同時，對煤泥熱值利用率不高的情況進行研討論證，改變煤泥回用的方式，通過采用在鍋爐中部密相區(較入煤點高800 mm的位置)進煤泥，保障了煤泥的充分燃燒，大幅度降低了鍋爐煤耗，將細渣的熱值利用最大化。由于在密相區進煤泥，還有效控制了爐膛溫度，特別采用無煙煤做燃料的循環流化床鍋爐，將爐膛溫度控制在900 ℃左右，真正實現了鍋爐的低氮燃燒，同時脫硝氨水用量大幅度下降。

對比目前各類細渣回收利用技術，具體見表1。

表1 細渣回收利用技術對比

3.2 經濟效益

以華昱公司為例，每年消耗180萬t原料煤，產生不低于13.5萬t的航天爐細渣(干基)。煤泥項目投運后，蒸汽燃料煤耗下降至少10 kg/t，全年節省燃料煤質量為2.7萬t，僅此一項產生直接經濟效益為1 471萬元。13.5萬t航天爐細渣實際需要倒運的質量近22萬t，經改造細渣不再需要短倒，每年可節省330萬元。另外，投用煤泥后鍋爐爐溫降低明顯，實現了鍋爐在燒無煙煤時的低碳燃燒，全年可節省脫硝氨水近 4 000 t，節省費用120萬元。因此，細渣綜合利用項目投運后，每年創造近2 000萬元的綜合收益。

3.3 環境友好

由于煤泥含水量大，短倒過程中煤泥水流至地面，造成廠區環境污染。由于煤泥均堆放在廠外渣場，煤泥顆粒非常細，風干后在極端天氣下易造成揚塵，影響周邊環境。同時，廠外渣場容量有限，渣場不斷擴容也對周邊環境造成很大安全隱患。該項目投運后，航天爐細渣全部回用至鍋爐，煤泥不再落地和短倒，廠區及周邊環境得到極大改善。

4 循環水系統管理優化問題

華昱公司一體化循環水設計循環體積流量為55 000 m3/h，原本滿負荷運行時需要開4臺循環水泵(13 585 m3/h，2 500 kW)才能滿足要求。在系統運行過程中，發現一體化循環水上水和回水間的溫差較低，只有6 K左右。通過系統思維，在滿足系統換熱要求的情況下，通過關小部分換熱器出口閥和提高水冷器循環水進出口溫差等方式，充分挖掘水冷器的換熱能力，使一體化循環水上水和回水間溫差達到10 K，此時一體化循環水循環量大幅下降，系統滿負荷工況下僅需3臺一體化循環水泵運行。通過對循環水系統管理優化，全年節約用電2 040萬kW·h，降低運行成本達1 020萬元。

5 結語

綜上所述，在煤化工企業中運用系統思維，不拘泥一城一池的得失，可以解決很多局部難題，取得很好的經濟效益。