一種水冷壁氣化爐全換熱器熱功率的計算方法

郭志鵬，馬秀平，閻 波

（山西潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治046200）

引 言

煤氣化是煤化工的龍頭，煤氣化裝置能否安全穩(wěn)定長周期運行決定著一個現(xiàn)代化煤化工企業(yè)的經(jīng)濟效益及發(fā)展動向。以水冷壁結(jié)構(gòu)和廢鍋流程為主的氣化爐因安全性高、能效好、經(jīng)濟性佳等因素逐漸成為市場主流。以殼牌煤氣化技術(shù)為例，從工藝技術(shù)上已經(jīng)成功解決了“煤種適應(yīng)性差”“運行周期短”“運行負荷低”等一系列難題，但從能源綜合利用的角度考慮，裝置能效仍然沒有達到預(yù)期效果。本文以水冷壁、全廢鍋殼牌氣化爐為例，將水冷壁煤氣化爐全部換熱器作為一個整體進行系統(tǒng)研究，設(shè)計了一種新的計算瞬時熱功率的方法，用于氣化爐全換熱器整體熱功率實時在線監(jiān)控和表征，為提高裝置整體效能、強化能源安全管理提供了判斷依據(jù)。

1 全廢鍋流程殼牌氣化爐的特點

全廢鍋殼牌氣化裝置的特點為：粉煤進料、加壓氣化、液態(tài)排渣、膜式壁結(jié)構(gòu)、副產(chǎn)蒸汽。從理論上來講，碳的轉(zhuǎn)化率高，能達到99%以上；有效氣含量高，其體積分數(shù)能達到85%以上；熱量損失小，節(jié)能、環(huán)保效益明顯。按照設(shè)計的膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，能高效地進行余熱回收，副產(chǎn)的蒸汽除供裝置自身使用外，還可供整個園區(qū)中壓透平用戶使用；但在實際運行中，副產(chǎn)蒸汽壓力、溫度及產(chǎn)量長期無法達到設(shè)計值[1]，蒸汽品質(zhì)的降低導(dǎo)致其無法直接用于透平壓縮機中，只能用于其他對安全、穩(wěn)定性要求不高的設(shè)備，造成能源浪費。

全廢鍋流程的殼牌煤氣化裝置膜式水冷壁結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種為將鍋爐水加熱為飽和蒸汽的蒸發(fā)器，一種為將飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽的過熱器。在單臺殼牌煤氣化裝置中為過熱器1臺，蒸發(fā)器（包括氣化爐膛、輸氣導(dǎo)管及廢鍋段）9臺，蒸發(fā)器和過熱器熱負荷的總和即為整臺殼牌煤氣化裝置的熱功率。殼牌廢鍋氣化爐換熱器位置示意圖見圖1。

圖1 殼牌廢鍋氣化爐換熱器位置示意圖

在正常運行過程中，殼牌氣化爐粉煤氣化產(chǎn)生的熱源是相對穩(wěn)定的。如果蒸發(fā)器或過熱器的換熱效率發(fā)生改變，將導(dǎo)致裝置的整體熱功率改變，余熱不能有效回收，影響裝置的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益[2]，同時換熱不足還會導(dǎo)致合成氣出口溫度升高，影響后系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，縮短設(shè)備使用壽命[3]。因此建立一套全換熱器在線熱功率運行效果的表征模式，在D C S系統(tǒng)中直接顯示熱負荷進而進行實時準確管控，對氣化爐安全生產(chǎn)和提高能效具有重要意義。

2 瞬時全換熱器熱功率理論模擬計算的意義

從目前在運行的殼牌煤氣化裝置來看，企業(yè)大多把精力放在裝置的安全穩(wěn)定運行上，未將副產(chǎn)蒸汽量和品質(zhì)作為主要控制指標，因此也未將全換熱器作為一個整體進行系統(tǒng)性考慮，更沒有一種能計算模擬出瞬時全換熱器熱功率的理論。但隨著精細化管理水平的不斷提高，企業(yè)必然會重視降本增效?，F(xiàn)在大多數(shù)煤化工企業(yè)已經(jīng)意識到上述問題，并從副產(chǎn)蒸汽量來判斷整體裝置換熱器的效率，但受蒸汽品質(zhì)（溫度、壓力、流量）瞬時變化的影響，判斷準確度有很大的不確定性。文中所闡述的熱功率計算方法可消除環(huán)境的影響，在控制系統(tǒng)的配合下，實時反映全廢鍋流程殼牌氣化爐的廢熱回收效果。

3 全換熱器熱功率的計算理論研究及在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 全換熱器熱功率的計算理論研究

3.2 熱功率的計算方法

進入氣化爐水冷壁換熱器過冷水、鍋爐水、飽和蒸汽以及氧氣的瞬時焓值與對應(yīng)的壓力關(guān)系可以通過工程軟件模擬得到，對應(yīng)的物質(zhì)瞬時流量可以通過在線流量計捕獲，經(jīng)過基本的能量守恒方程即可計算得到氣化爐水冷壁的熱功率。

熱功率的基本計算原理見式（1）：

式中：J——氣化爐全換熱器瞬時熱功率，MW/s；

F1——殼牌氣化爐全換熱器飽和蒸汽產(chǎn)量，kg/s；

F2——總氧氣的質(zhì)量流量，kg/s；

F3——汽包總排污質(zhì)量流量，kg/s；

hsatsteam——飽和蒸汽的焓值，k J/kg；

hBFW——鍋爐水的焓值，k J/kg；

We also found that approximately 10% of the obese and overweight hospitalized patients were undernourished and that the risk of malnutrition was present in more than one-third of the obese and overweight gastroenterological patients, with rates that reached 80%in ＞ 65-year-old obese inpatients.

hO2out——氧氣換熱器出口的氧氣焓值，k J/kg；

hO2in——氧氣換熱器入口的氧氣焓值，k J/kg；

hSUBwater——過冷水的焓值，k J/kg。

公式（1）中各物理量的詳細計算公式見式（2）～（6）：

式中：P——中壓汽包壓力，MPa；

T1——流經(jīng)氧氣預(yù)熱器的鍋爐水溫度，℃；

T2——經(jīng)過氧氣預(yù)熱器加熱后的氧氣溫度，℃；

T3——空分送到氣化界區(qū)的氧氣管網(wǎng)溫度，℃；

T4——中壓循環(huán)水泵出口溫度，℃；

0.1 ——標準大氣壓，MPa；

f1——在2 MPa～8 MPa范圍內(nèi)，飽和蒸汽的焓值與壓力的函數(shù)關(guān)系；

f2——在20℃～180℃范圍內(nèi)，鍋爐水的焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系；

f3——在-20℃～100℃范圍內(nèi)，氧氣的焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系；

f4——在20℃～280℃范圍內(nèi)，次飽和水的焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系。

以上函數(shù)關(guān)系是依托水的物態(tài)數(shù)據(jù)表及計算機整合模擬得到的，在工程實踐中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，具體見圖2～圖5。

圖2 飽和蒸汽的焓值與壓力的函數(shù)關(guān)系（f1）

圖3 鍋爐水焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系（f2）

圖4 氧氣的焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系（f3）

圖5 次飽和水焓值與溫度的函數(shù)關(guān)系（f4）

3.3 該理論計算方法在生產(chǎn)中的應(yīng)用效果

山西某煤制油氣化裝置四套殼牌氣化爐采用全換熱器在線熱功率監(jiān)控模型后，不僅能定量的反應(yīng)出換熱器的結(jié)垢程度，指導(dǎo)生產(chǎn)運行人員及時調(diào)整，保證裝置的穩(wěn)定運行，更能定量的實時反映裝置的節(jié)能效果，指導(dǎo)裝置的能效調(diào)整。

4 結(jié) 論

通過詳細的理論計算，給出一種可以在工程應(yīng)用中實時在線監(jiān)控全廢鍋流程殼牌氣化爐熱功率的方法，同時給出判斷殼牌氣化爐節(jié)能最優(yōu)工況的標準，為提高裝置整體能效，實現(xiàn)節(jié)能增效提供重要的參考依據(jù)，在工程實踐運行中具有重要的指導(dǎo)意義。