水煤漿氣化裝置長周期運行的節能減排分析

沈文臻,劉 璐,吳劍英,李兵科

(1.上海華誼集團安全環保中心， 上海 201108； 2.北京航天動力研究所， 北京 100076；3.上海焦化有限公司， 上海 201100)

水煤漿氣化技術是典型的新型煤氣化技術，在我國煤制甲醇、尿素、油品等煤化工領域中已廣泛應用[1-2]。水煤漿氣化爐是水煤漿氣化技術的核心裝置，其運行條件嚴苛(高壓2.8 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa，高溫1 200～1 450 ℃，氧氣純度>99.5%等)[2]。水煤漿氣化裝置不僅對工藝原料、系統組成設備的性能要求高，而且對設備操作管理水平要求也很高。

隨著水煤漿氣化技術在我國的大規模應用，水煤漿氣化裝置操作隊伍技術水平日益提高。水煤漿氣化裝置開車運行越來越平穩，現在水煤漿氣化裝置開車周期絕大多都在60 d左右，達到80～90 d的很少[3-5]。企業為達到節能降耗的目標，對水煤漿氣化裝置長周期運行的需求越來越強。裝置的長周期運行，不僅要求裝置操作隊伍的技術水平達標，也離不開裝置中制約運行時間的關鍵設備達標。

目前，水煤漿氣化裝置中，工藝燒嘴是制約裝置長周期運行的關鍵設備之一。上海焦化有限公司以長壽命工藝燒嘴為基礎，結合多項水煤漿氣化裝置設備，使4.0 MPa水煤漿氣化爐在2006年、2010年分別實現連續運行95 d、130 d的業績。

基于上海焦化有限公司的水煤漿氣化爐長周期運行業績，氣化裝置運行周期由60 d優化為90 d、120 d具備了充分的實施基礎和條件?，F在，對水煤漿氣化裝置長周期運行做節能減排分析，為其經濟效益和社會效益評估提供參考。

1 影響水煤漿氣化裝置長周期運行的要素

影響水煤漿氣化裝置長周期運行有煤種等工藝原料適用穩定性、人員操作水平、系統組成設備穩定性[3]3個方面。經過多年水煤漿氣化爐運行經驗的積累，在煤種等工藝原料適用穩定性和人員操作水平上已達到先進水平?，F階段在系統組成設備穩定性上，主要存在工藝燒嘴壽命短、氣化爐磚及內件壽命短等問題。

水煤漿氣化技術經過多年的發展與進步，氣化爐磚及內件壽命從原來的半年提升到1 a以上，而工藝燒嘴壽命因燒嘴工況惡劣、材料進步緩慢、燒嘴結構創新困難等原因受制約。整個水煤漿氣化行業，工藝燒嘴壽命周期絕大多都在60 d左右[3-5]。

綜上分析，現階段工藝燒嘴壽命是制約水煤漿氣化裝置長周期運行的關鍵因素。許多科研機構進行攻關，努力提高工藝燒嘴壽命[6-9]。上海華誼集團(上海焦化)聯合北京航天動力研究所，針對水煤漿氣化工藝燒嘴做了多項提高壽命的創新探索，4.0 MPa氣化爐已陸續實現單周期連續運行95 d、130 d的業績，為水煤漿氣化裝置實現90 d、120 d開車周期積累了豐富的運行經驗。

2 水煤漿氣化裝置長周期運行對比分析

眾多水煤漿氣化技術由TEXACO技術發展而來[1-2]。最初,TEXACO技術為防止氣化爐停車設置備用爐(2開1備或3開1備)，并將備用爐設計在700～800 ℃熱態備用。目前，國內水煤漿氣化工藝仍然設置備用爐，并進行科學的停爐倒爐，但已將備用爐由熱態改為冷態備用，節約了大量的燃料消耗。

水煤漿氣化爐運行周期由60 d優化為90 d、120 d后，對比分析裝置節能減排的數據，研究其意義。

2.1 氣化裝置節能降耗對比

(1) 燃料與人力成本費用

氣化爐在單個運行周期后按計劃停車，在停爐前需對備用爐進行預熱。當備用爐進入工作狀態后，再切換生產線。在停爐倒爐時，備用爐烘爐達到投料溫度800 ℃后，水煤漿氣化爐半負荷投料，所產合成氣放空燃燒，達到設計運行壓力與負荷狀態后，將合成氣快速切換為生產系統供應原料。從備用爐投料到切換，會有大量的合成氣被放空燃燒,造成浪費。

本文以天然氣作為氣化爐烘爐燃料，分析研究水煤漿氣化烘爐情況。根據多年的生產實際經驗，列出氣化爐不同運行周期的燃料與人工費用(見表1)。其中,氣化爐每次烘爐燃料費包括每臺氣化爐烘爐燃料氣、開車后放空合成氣等產生的相關費用。

表1 單臺氣化爐不同運行周期的燃料與人力費用

由表1可見：水煤漿氣化爐實現90 d、120 d運行周期后，相比原60 d運行周期，單臺氣化爐停爐倒爐費用將分別節省40%、60%。

(2) 工藝燒嘴維修成本費用

氣化爐在一個運行周期按計劃停車后，對氣化爐整個系統設備進行檢查維護，并對工藝燒嘴進行維修。氣化爐不同運行周期的相關檢查維修費用見表2所示。

表2 單臺氣化爐不同運行周期的檢查維修費用

由表2可見:水煤漿氣化爐實現90 d、120 d運行周期后，相比原60 d運行周期，單臺氣化爐檢查維修費用將分別節省29.09%、52.73%。

2.2 氣化裝置運行效率對比

目前，水煤漿氣化技術裝置的氣化爐大多為3開1備，有的用戶為5開2備。氣化爐運行時間、開車與備用數量決定了水煤漿氣化技術裝置的運行效率。

對配備多臺水煤漿氣化爐的用戶，氣化爐長周期運行，3～4月進行一次停爐倒爐，將使裝置運行方案更加靈活，有效提升使用效率。

對于氣化爐(3開1備)，為了保證裝置的連續運行，設置4臺氣化爐開停車的先后順序，一般將停車氣化爐的檢修、備用周期設置為20 d。實現長周期運行后，氣化爐檢修、備用周期可以延長到30 d。表3列出氣化爐(3開1備)不同運行周期的裝置運行效率對比數據,其中1 a按360 d計算。

表3 氣化爐(3開1備)運行效率對比

由表3可見:氣化爐實現90 d、120 d運行周期后，相比原60 d運行周期，氣化爐(3開1備)整體運行效率將分別提升5.56%、11.11%。

對于氣化爐(5開2備)的裝置，實現90 d或120 d長周期運行后，可以實現6開1備。以運行數量計量，氣化裝置(6開1備)運行效率為85.71%，相比氣化裝置(5開2備)，運行效率提高14.28%。

2.3 氣化裝置的CO2減排對比

水煤漿氣化爐實現長周期運行后，每臺氣化爐減少停車次數，不僅節省烘爐燃料，還節省每次倒爐前放空、燃燒排放的氣化爐合成氣，即減少水煤漿氣化裝置CO2的排放，對企業的碳減排具有重大意義。

對于各種燃料，二氧化碳排放量公式[10-12]為:

MCO2=α×Mf

(1)

式(1)中，MCO2為CO2排放量，t；Mf為燃料燃燒用量，t；α為碳排放系數，天然氣碳排放系數為0.448 3，氣化爐合成氣參考其他煤氣排放系數為0.354 8[11]。

水煤漿氣化爐粗合成氣為CO、H2與CO2等組成的混合氣體，典型成分見表4?；旌蠚怏w的平均分子量由式(2)計算[13]。

表4 4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐粗合成氣典型成分

m=m1ω1+m2ω2+m3ω3+ … +mnωn

(2)

式(2)中，m1、m2、…、mn為第1種、第2種、…第n種氣體的分子質量，ω1，ω2、…、ωn為第1種、第2種、…第n種氣體所占的體積分數。

根據4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐生產經驗，粗合成氣產量為43 200 m3/h。烘爐達到投料溫度800 ℃后，氣化爐半負荷投料，所產合成氣放空燃燒，按計劃運行1 h后,切換到生產系統供應合成氣原料。由式(1)、式(2)進行CO2排放量核算，結果見表5。

表5 4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐CO2排放

根據表5，分別對3開1備、5開2備氣化爐90 d、120 d運行周期后的氣化爐烘爐倒爐CO2減排量核算，結果見表6。

表6 不同數量氣化爐烘爐CO2減排對比

由表6可見：水煤漿氣化爐實現90 d、120 d運行周期后，相比原60 d運行周期，對用戶的氣化爐系統CO2減排率分別可達40%和60%，碳減排效果非常顯著。

3 結語

提高水煤漿氣化爐運行周期，實現長周期運行，開車周期由60 d優化為90 d、120 d，停爐倒爐費節省40%、60%，檢查維修費節省29.09%、52.73%，對氣化爐(3開1備)整體運行效率可提升5.56%、11.11%，對于氣化爐(5開2備)整體運行效率可提升14.27%。

實現長周期運行后，開車周期由60 d優化為90 d、120 d，氣化爐系統CO2減排率分別為40%和60%，碳減排效果非常顯著，為實現“碳達峰碳中和”目標作出貢獻。