氣流床氣化爐反應(yīng)模型在實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）中的應(yīng)用

王子元，劉世平，苗 謙，李如俊，周 琨，張成學(xué)，徐瑞哲，李 軍，王向東,李德瑞

（1. AVEVA Software LLC，上海 200120；2. 聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司，山東 滕州277527；3. 新能（廊坊）能源化工技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 廊坊 065001）

隨著煤化工項(xiàng)目裝置規(guī)模和工藝復(fù)雜性的不斷提高，煤化工工廠需要利用信息技術(shù)來更好地解決實(shí)際生產(chǎn)問題。先進(jìn)控制（Advanced Process Control，APC）技術(shù)和實(shí)時(shí)優(yōu)化（Real Time Optimization，RTO）技術(shù)倍受關(guān)注。先進(jìn)控制技術(shù)基于多輸入多輸出（MIMO）數(shù)學(xué)模型來改善過程動(dòng)態(tài)控制性能，減少過程變量的波動(dòng)幅度，但不能準(zhǔn)確提供裝置的最優(yōu)工況并計(jì)算出各個(gè)輸出變量的目標(biāo)參數(shù)。而針對全裝置開發(fā)的基于機(jī)理模型的實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)能夠較好地解決這一問題，為工廠提供最優(yōu)操作方案[1]。近年來，實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)在我國煉油化工和煤化工企業(yè)相繼得到應(yīng)用。中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司乙烯裝置采用實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件ROMeo 實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)后，高附加值產(chǎn)品產(chǎn)量增加并可保持能耗最低，裝置考核標(biāo)定結(jié)果顯示，乙烯效益增加26.34 元/t，效益增量為3000 萬元/a[2]。

氣化爐是煤化工工廠的核心部分，準(zhǔn)確可靠的氣化爐模型對實(shí)施全廠在線實(shí)時(shí)優(yōu)化有著至關(guān)重要的作用。氣流床氣化爐具有對煤種適應(yīng)性強(qiáng)、整體熱效率高、碳轉(zhuǎn)化率高以及產(chǎn)氣品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)[3]，國內(nèi)外學(xué)者對其建模進(jìn)行了大量研究，主要分為熱力學(xué)平衡模型和動(dòng)力學(xué)模型。熱力學(xué)平衡模型大多采用Gibbs自由能最小化法，動(dòng)力學(xué)模型近年來多選用未反應(yīng)芯收縮核模型和隨機(jī)孔模型。

胡力等[4]基于流程模擬軟件PRO/Ⅱ，采用Gibbs反應(yīng)器對水煤漿氣化和粉煤氣化過程進(jìn)行模擬，模型預(yù)測基本可靠，并考察了氧煤比、煤漿濃度以及不同載氣對氣化反應(yīng)的影響。Z.H.DAI 等[5]采用Gibbs 自由能最小化法對多噴嘴對置式水煤漿氣化爐進(jìn)行建模，經(jīng)中試試驗(yàn)驗(yàn)證，其模擬預(yù)測精度較高，可以為氣化爐的設(shè)計(jì)和操作提供技術(shù)支持。熱力學(xué)平衡模型需要在計(jì)算前考慮碳轉(zhuǎn)化率，并且認(rèn)為反應(yīng)體系能夠達(dá)到化學(xué)反應(yīng)熱平衡，不能相對準(zhǔn)確地分析計(jì)算原料和操作條件的變化。

隨機(jī)孔模型由S.K.BHATIA 等提出[6]，該模型假定在煤顆粒上存在多個(gè)不同直徑的圓柱形孔，氣化反應(yīng)發(fā)生在孔的內(nèi)表面，同時(shí)發(fā)生孔交聯(lián)，不會(huì)生成新的固體產(chǎn)物，在氣流床氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到20%左右時(shí)，反應(yīng)速率存在一個(gè)極值，隨機(jī)孔模型可以描述這一現(xiàn)象。G.S.LIU 等[7]采用隨機(jī)孔模型，建立了包括Texaco 氣化爐在內(nèi)的多種氣流床氣化爐模型，對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并對煤種、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了靈敏度分析。R.F.D.MONAGHAN 等[8-9]基于反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型理念，采用隨機(jī)孔模型建立了Texaco 氣化爐模型。

未反應(yīng)芯收縮核模型由C.Y.WEN 提出[10]，該模型假設(shè)煤炭顆粒為球形，氣固反應(yīng)發(fā)生在顆粒表面，顆粒隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行不斷收縮，反應(yīng)后殘留的灰分附著在球體表面，氣化劑需要穿過表面灰分層與煤顆粒進(jìn)行反應(yīng)。C.Y.WEN 等[11]使用其提出的未反應(yīng)芯收縮核模型對Texaco 氣流床氣化爐進(jìn)行建模，該模型包含了煤的熱解、揮發(fā)分的燃燒和氣固反應(yīng)3個(gè)過程，氣固反應(yīng)采用“小室”模型將氣化爐劃分成一系列的單元，并對每個(gè)單元進(jìn)行質(zhì)量守恒和能量轉(zhuǎn)換的計(jì)算，模擬結(jié)果經(jīng)過29 組不同進(jìn)料條件下的中試裝置數(shù)據(jù)驗(yàn)證，展現(xiàn)了較高的準(zhǔn)確度。R.GOVIND等[12]改進(jìn)了上述模型，引入動(dòng)量守恒方程來計(jì)算固體顆粒流速及其反應(yīng)停留時(shí)間，模型可計(jì)算出氣化爐內(nèi)物流沿軸向的溫度分布和各組分的濃度分布，同時(shí)研究了氣化爐受不同參數(shù)的影響。

本文利用未反應(yīng)芯收縮核模型，以單臺處理能力為1700 t/d（煤、干基）的氣化爐為基礎(chǔ)，為聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司（簡稱聯(lián)泓公司）煤制甲醇項(xiàng)目氣流床氣化爐建模，采用ROMeo（Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization） 軟 件實(shí)現(xiàn)全廠實(shí)時(shí)優(yōu)化，并通過工廠數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

1 氣流床氣化爐模型

氣流床氣化爐中霧化的煤漿與氧氣、蒸汽在高溫、高壓條件下充分混合并發(fā)生一系列反應(yīng)，生成的合成氣中成分以CO 和H2為主。為了保證煤漿霧化效果良好，進(jìn)料氧氣需要以高達(dá)120 m/s 的速度進(jìn)入氣化爐[13]，同時(shí)氣化爐內(nèi)形成的渦流也能幫助煤顆粒與高溫反應(yīng)氣快速充分混合，使反應(yīng)快速發(fā)生，反應(yīng)物在氣流床氣化爐內(nèi)的反應(yīng)停留時(shí)間只有幾秒，比在流化床和移動(dòng)床氣化爐內(nèi)的反應(yīng)停留時(shí)間都要短很多。氣流床氣化爐模型將氣化過程分成熱解區(qū)、可燃?xì)馊紵齾^(qū)和多相氣化反應(yīng)區(qū)3 個(gè)區(qū)域，示意圖如圖1 所示。

圖1 氣流床氣化爐模型示意圖

1.1 熱解區(qū)

熱解作為氣化過程的第一步，發(fā)生在噴嘴附近和混合區(qū)域，煤顆粒分解并生成一部分可燃?xì)狻Ｓ捎谶M(jìn)入氣流床氣化爐的煤顆粒很小，而爐內(nèi)溫度較高，因此煤顆粒在快速升溫（升溫速率達(dá)105 ℃/s）時(shí)熱解。在這樣的條件下，熱解往往在400 ℃～600 ℃開始，在煤焦達(dá)到反應(yīng)爐溫度前完成，僅需要幾毫秒[14]。熱解模型將煤分解成煤焦、灰分和揮發(fā)氣。揮發(fā)氣包括可燃?xì)猓℉2、CO、CH4等）、CO2、蒸汽、焦油（模型中以C6H6代替）等。熱解過程可用反應(yīng)式（1）表示：

熱解產(chǎn)物各個(gè)組分的化學(xué)計(jì)量數(shù)可以根據(jù)煤質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析進(jìn)行計(jì)算。

1.2 可燃?xì)馊紵齾^(qū)

熱解生成的氣體包括：CO、H2、CO2、H2O、H2S、N2、CH4和C6H6。其中，CO、H2、CH4和C6H6為可燃?xì)狻Ｔ跓峤夂螅扇細(xì)馀c進(jìn)料氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)式見式（2）～式（5）。

1.3 多相氣化反應(yīng)區(qū)

對比熱解和可燃?xì)馊紵^程，煤焦氣化反應(yīng)（如煤焦-蒸汽、煤焦-CO2等吸熱多相反應(yīng)）的反應(yīng)速率相對較慢。研究表明，煤焦氣化反應(yīng)是反應(yīng)的速率決定步驟[15]。多相氣化反應(yīng)區(qū)采用平推流反應(yīng)器建模，反應(yīng)包括煤焦氣化反應(yīng)、可燃?xì)馊紵磻?yīng)、水煤氣反應(yīng)和甲烷重整反應(yīng)，反應(yīng)式見式（6）～式（12）。

（1）煤焦氣化反應(yīng)

（2）可燃?xì)馊紵磻?yīng)

同時(shí)，在多相氣化反應(yīng)區(qū)，在氧氣消耗光之前，可燃?xì)馊紵磻?yīng)也應(yīng)該被考慮。可燃?xì)馊紵磻?yīng)式見式（2）～式（5）。

（3）水煤氣反應(yīng)

（4）甲烷重整反應(yīng)

2 煤制甲醇工廠的實(shí)時(shí)優(yōu)化

2.1 煤制甲醇工藝流程

聯(lián)泓公司煤制甲醇裝置采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，煤制甲醇工藝流程示意圖如圖2 所示。氣化爐的合成氣經(jīng)水槽激冷，先后經(jīng)旋風(fēng)分離器和洗滌塔除去氣體中的剩余固體顆粒。洗滌后的合成氣分兩路進(jìn)入變換區(qū)，一路進(jìn)入變換反應(yīng)器進(jìn)行變換反應(yīng)，另一路經(jīng)旁線與轉(zhuǎn)化后的氣體混合以調(diào)節(jié)氫碳比。合成氣經(jīng)甲醇洗除去H2S、COS 和CO2（部分）等酸性氣體，最后進(jìn)入合成區(qū)。粗甲醇出甲醇合成反應(yīng)器，分離出CO、CO2、H2等輕組分氣體，一部分輕組分氣體經(jīng)加壓循環(huán)后再進(jìn)料，另一部分經(jīng)膜分離得到富氫氣體并避免惰性氣體在系統(tǒng)中積累。

圖2 煤制甲醇工藝流程示意圖

2.2 氣化爐操作條件及煤質(zhì)指標(biāo)

氣化爐操作條件如表1 所示，煤的工業(yè)分析和元素分析如表2 所示。

表1 氣化爐操作條件

表2 煤的工業(yè)分析和元素分析 %

2.3 實(shí)時(shí)優(yōu)化在線實(shí)施

工廠數(shù)據(jù)因儀表錯(cuò)誤和過程波動(dòng)無法保持穩(wěn)定會(huì)造成生產(chǎn)計(jì)劃、模擬以及先進(jìn)控制的不良表現(xiàn)，需要花費(fèi)大量時(shí)間分析整理未經(jīng)整定的原始數(shù)據(jù)。工廠在線實(shí)時(shí)優(yōu)化不同于離線模擬分析，嚴(yán)格在線實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案是建立在開放方程基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、綜合數(shù)據(jù)整定、模擬、在線實(shí)時(shí)開環(huán)優(yōu)化、在線實(shí)時(shí)閉環(huán)優(yōu)化等綜合先進(jìn)應(yīng)用解決方案。通過實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除裝置的生產(chǎn)瓶頸，從而帶來更大的生產(chǎn)效益，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。工廠實(shí)時(shí)優(yōu)化在線實(shí)施流程示意圖如圖3 所示。整個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行功能，并將數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)態(tài)檢測、粗差識別、數(shù)據(jù)整定、模型參數(shù)更新和優(yōu)化計(jì)算等任務(wù)集成化和自動(dòng)化。此外，在線實(shí)時(shí)優(yōu)化模型應(yīng)能適應(yīng)工況變化并實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確收斂等。

圖3 工廠實(shí)時(shí)優(yōu)化在線實(shí)施流程示意圖

ROMeo 軟件在同一平臺上集成了3 種運(yùn)行模式：模擬、數(shù)據(jù)整定和優(yōu)化。（1）模擬是在用戶給定的設(shè)定點(diǎn)、設(shè)備設(shè)計(jì)和性能參數(shù)的條件下，預(yù)測裝置的操作條件、收率和產(chǎn)品質(zhì)量。模擬模型允許用戶改變主要的操作和/或設(shè)計(jì)變量的值，進(jìn)行情景模擬分析。（2）數(shù)據(jù)整定的功能是最小化數(shù)據(jù)整定的目標(biāo)函數(shù)，使模型與觀察到的裝置條件吻合。數(shù)據(jù)整定的目標(biāo)函數(shù)為：f1=權(quán)重wi×（計(jì)算值與儀表的測量值之間的差/儀表標(biāo)準(zhǔn)誤差）2+ 權(quán)重wk×（計(jì)算值與軟儀表參數(shù)之間的差/比例因子）2。（3）優(yōu)化的目標(biāo)是裝置的效益或能量計(jì)算。目標(biāo)函數(shù)的公式為：f2=∑(產(chǎn)品×價(jià)格)+∑[(生成的公用工程-消耗的公用工程)×成本]-∑(原料×成本)。一旦經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，這些新的設(shè)定點(diǎn)可以下載到裝置的先進(jìn)控制系統(tǒng)中或由操作員人工下載，指導(dǎo)裝置達(dá)到優(yōu)化的操作點(diǎn)。

外部數(shù)據(jù)接口(EDI)支持ODBC 和@aGlance/IT 數(shù)據(jù)獲取路徑，與許多主流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫相聯(lián)。裝置的工藝和控制數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等可通過外部數(shù)據(jù)接口與ROMeo 系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用由ROMeo 實(shí)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行。實(shí)時(shí)系統(tǒng)支持執(zhí)行優(yōu)化應(yīng)用的排程、穩(wěn)態(tài)監(jiān)測、模型執(zhí)行激活、模型任務(wù)序列、應(yīng)用監(jiān)測等。實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供了一個(gè)圖形用戶界面，可以配置和測試全部自動(dòng)功能。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在線的信息日志、應(yīng)用報(bào)告、自動(dòng)管理和使用監(jiān)測功能極大地方便了在線應(yīng)用的監(jiān)測和維護(hù)。

2.4 應(yīng)用效果

聯(lián)泓公司氣化爐模型建立后，采集了幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，各工況的工廠數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比如表3 所示。由表3 可知，H2和CO 組分工廠數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的相對誤差均小于2%，表明氣化爐模型能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)預(yù)測。

表3 各工況的工廠數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比

在實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化前，聯(lián)泓公司已經(jīng)安裝了先進(jìn)控制系統(tǒng)。為了考核實(shí)時(shí)優(yōu)化帶來的效益，采集了2019年實(shí)時(shí)優(yōu)化實(shí)施前后兩周的數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)優(yōu)化實(shí)施前后的工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)

由圖4 可知，考核期間，生產(chǎn)過程偶爾會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但實(shí)時(shí)優(yōu)化會(huì)設(shè)法對裝置操作進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)時(shí)優(yōu)化可以避免氧氣過量消耗，可通過計(jì)算給出氣化爐的最優(yōu)進(jìn)氧量，以確保合成氣中有效氣（H2和CO）的產(chǎn)出和分布最有利于下游生產(chǎn)。實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化后，有效氣體積分?jǐn)?shù)從84.6%上升至85.4%，甲醇產(chǎn)量從123740 kg/h 增加到124190 kg/h，甲醇純度從95.4%提高到95.7%。經(jīng)核算，工廠效益提高了1.6%，效益增量可達(dá)800 萬元/a。

3 結(jié) 語

基于未反應(yīng)芯收縮核動(dòng)力學(xué)，建立了多噴嘴對置式水煤漿氣化爐的反應(yīng)器模型，對模型計(jì)算值和工廠操作數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)氣化爐出口主要?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)模擬值與工廠數(shù)據(jù)的相對誤差均不超過2%。將氣化爐模型應(yīng)用于聯(lián)泓公司煤制甲醇項(xiàng)目中，經(jīng)全廠實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算，氣化爐能夠給出最優(yōu)氧煤比，保證有效氣的高產(chǎn)出和正確分布，并且實(shí)時(shí)優(yōu)化會(huì)設(shè)法對裝置操作進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)核算，聯(lián)泓公司的效益可提高1.6%，效益增量達(dá)800 萬元/a。