氧煤比對殼牌干粉煤氣化技術經濟運行影響分析

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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是一項受到廣泛認可的煤炭清潔轉化技術，數年來，科研工作者在煤種適應性、設備結構、操作優化等方面開展了大量研究，同時利用ASPEN PLUS、PRO Ⅱ等化工模擬軟件中豐富的物性數據和嚴格的熱力學估算模型對氣化過程的物料平衡和熱力學平衡進行了廣泛研究，取得了豐碩的研究成果，但多數模擬研究基于Gibbs自由能最小化原理，雖然通過調整熱損失、物性方法、提供合理假設得出與實際生產近似的模擬結果，但并不能完全反映生產情況，特別是對N2工況下的模擬結果偏離生產較大[1-4]。

企業為掌握行業競爭優勢，必須致力于降低產品成本，相關經濟學者對企業的成本涉及到的局部環節和產品生命周期的成本控制方法均進行了廣泛而深入的研究[5]，然而專門針對化工企業工藝管理對制造成本控制影響的研究相對匱乏。本文以永利化工煤氣化運行實際數據為基礎，通過理論結合實際，得出氣化爐較佳運行數據，為同行業生產提供參考。

1　天津渤化永利殼牌煤氣化技術

天津渤化永利化工現有2套殼牌干粉煤氣化裝置，單套氣化爐裝置的設計產氣量為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年預算計，在有效氣可控成本中，煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產所對應單項成本之和占到總成本的64.74%，可見，控制煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產對煤氣化裝置經濟運行至關重要。

在氣化工藝流程中，高壓氮氣或高壓CO2將煤粉輸送到氣化爐中，與氧氣進行氣化反應，生產出的粗煤氣進一步降溫后進行除灰、濕洗，得到合格粗煤氣。同時，鍋爐給水經氣化爐水冷壁、輸氣管、冷卻器換熱后變成水汽混合物，并在汽包中實現分離，產生的中壓蒸汽經過熱器加熱后成為過熱中壓蒸汽，部分自用，部分送入中壓蒸汽管網。此外，氣化爐的液態渣經激冷后最終被送至渣池。

2　氣化爐內反應

殼牌氣化爐內共分為三個反應區，分別是一次反應區、二次反應區和一、二次反應共存區，其中，一次反應區主要發生揮發分的燃燒和碳的部分燃燒反應，二次反應區內主要是未反應完的碳繼續氣化及一次反應區的產物進一步發生反應[6]。即爐內主要發生的反應有煤粉的裂解和揮發分的燃燒、固定碳與氧氣的反應、固定碳與氣化產物的反應以及爐內各氣體之間的反應。總之，氣化過程中包含復雜的化學反應，難以通過單一的動力學或者熱力學公式來描述。

3　氣化爐操作控制

殼牌氣化爐內的流場分布和氣化產物不僅與燒嘴安裝水平度、氣化爐溫度、壓力、反應時間有關，還與進料組分的濃度、溫度及理化性質有較大關聯。由于氣化爐用煤指標嚴格，很難長期采用單一煤種或者同一種配煤方案，多數企業需要長期更換氣化用煤，這就導致企業必須不斷調整氣化參數，同時也增加了操作調控的多樣化。天津渤化永利化工理論結合實際，考慮到氣化爐壓力對煤氣化反應沒有顯著影響，氣化工序操作時，主要是根據煤的特性及設備運行情況來調節氧煤比，進而穩定生產。隨著氧煤比的增加，系統溫度升高，相同停留時間下碳轉化率升高，但對氣化爐掛渣、排渣的影響逐漸增大，通常需根據氣化爐水冷壁副產蒸汽量、中壓蒸汽管網壓力和粗煤氣中CO2、CH4等含量來監測爐溫，防止氧煤比過高。

4　氧煤比對經濟運行的影響

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，在各自氧負荷、煤種、中壓蒸汽管網壓力、CO2載氣等要素相同的情況下，分別采用實際生產數據對氣化爐運行情況進行說明。

案例一：裝置氧負荷為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，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，對應氧煤比下煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產以及此三項的單項成本之和(下文圖表標題簡稱三項成本)見圖2和圖3。

圖1　案例一氧煤比對粗煤氣成分影響

圖2　案例一氧煤比對煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產的影響

圖3　案例一氧煤比對三項成本的影響

由上圖可知，在該氧煤比區間內，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，均呈現先升高后降低趨勢，二氧化碳含量則呈現先降低后升高的趨勢，氧煤比為0.902時，有效氣含量最高。此外，煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產隨著氧煤比的升高均呈現先降低后升高趨勢。這可能是由于氧煤比升高加劇氣化反應，有助于碳轉化率升高，同時有利于碳和H2O(g)的蒸汽轉化反應發生，使得CO和H2含量上升，而高溫也造成變換反應平衡點左移，使得CO2和H2含量降低，CO含量升高，綜合結果是有效氣隨著氧煤比的增加而增加，但隨著氧煤比的進一步升高，系統中CO、H2進一步發生氧化反應，CO2含量上升，CO和H2含量降低，導致有效氣含量呈現下降趨勢，出現有效氣含量最高點。盡管氧耗、煤耗和中壓蒸汽單產與有效氣含量呈現反向一致變化趨勢，且分別在氧煤比為0.909、0.904、0.898時出現煤耗、氧耗最低點和中壓蒸汽單產最高點，但由于隨著爐溫的升高，不僅氣化反應發生變化，而且煤渣所帶走的潛熱和顯熱亦發生變化，導致鍋爐給水吸收的熱量相對發生變化，出現煤、氧氣和中壓蒸汽的單項成本之和并未與消耗一致變化的情況。

案例二：裝置氧負荷為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，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為對應的煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產以及此三項的單項成本之和。

圖4　案例二氧煤比對粗煤氣成分影響

圖5　案例二氧煤比對煤耗、氧耗和中壓蒸汽單產的影響

圖6　案例二氧煤比對三項成本影響

由圖4～6可知，在該氧煤比區間內，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，有效氣含量最高，煤耗和氧耗小幅降低后上升，副產蒸汽量顯著下降后上升，均在氧煤比為0.910時達到最低，此外，煤、氧氣和中壓蒸氣的單項成本之和最低點所對應氧煤比亦為0.910。由上可知，方案二各項數據變化幅度較方案一小，結論基本相似，但此方案下，煤耗、氧耗和三項成本均在氧煤比為0.910時達到最低值，中壓蒸汽單產在氧煤比為0.910時達到最高值。可見，生產條件及原料的變化或導致煤耗、氧耗和三項成本最低值出現在同一氧煤比。

5　結　論

氣化爐內存在復雜的物理和化學反應，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發生較大波動，而煤、氧氣和副產中壓蒸汽單項成本之和占殼牌干粉煤氣化產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呈現較一致的變化趨勢，存在最優氧煤比使得有效氣成本最低，本文案例一和案例二對應的使有效氣三項成本最低的氧煤比分別為0.909和0.910，但該氧煤比未必對應最高有效氣含量或者最低煤耗、氧耗，且不同負荷、不同煤質、不同殼牌氣化爐對應的最優氧煤比也有所差異。各單位在生產運行中，應豐富理論知識，積累生產經驗，不斷分析生產數據，逐步優化不同生產條件下氧煤比，通過加強工藝技術管理來細化生產控制，實現生產經濟運行。

[1]盧丹，黃振宇，許建華，等. 基于系統分類的配煤灰熔融特性研究[J]. 中國電機工程學報，2010，30(8)：20-26

[2]張宗飛，湯連英，呂慶元，等. 基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J]. 化肥設計，2008，46(3)：14-26

[3]單賢根，任相坤，步學朋，等. Shell干粉煤氣化過程模擬研究[J]. 神華科技，2010，8(5)：71-93

[4]牟剛林，楊岱. 降低殼牌氣化爐煤耗的措施探討[J]. 大氮肥，2017，40(1)：1-3

[5]謝東明，王平. 生態經濟發展模式下我國企業環境成本的戰略控制研究[J]. 會計研究，2013， (3)：88-96

[6]王同章. 煤炭氣化原理與設備[M]. 北京：機械工業出版社，2001