Shell粉煤氣化工藝控制優(yōu)化與改進

李曉黎

（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103）

中國石化股份有限公司引進3套投煤量2kt／d Shell煤氣化爐應(yīng)用到合成氨大型氣化爐，除了承擔(dān)合成氨生產(chǎn)，還擔(dān)負下游供氫的任務(wù)。筆者將針對3套粉煤氣化裝置在調(diào)試和初期生產(chǎn)過程中工藝控制方面主要優(yōu)化和改進進行介紹，便于后續(xù)生產(chǎn)的持續(xù)優(yōu)化改進，以增加長周期運行時間。

1 粉煤氣化技術(shù)特點及系統(tǒng)組成

1.1 技術(shù)特點

Shell氣化爐配置4個粉煤燒嘴，位于爐子下部同一水平面上，為了強化粉煤的氣化過程和保護膜式壁，燒嘴沿圓周均勻布置且?guī)в行苯?，借助撞擊流以強化熱質(zhì)傳遞過程，使?fàn)t內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。煤氣攜帶煤灰總量的20%～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷（約占煤氣量的60%～70%），使合成氣降溫至900℃，熔渣凝固向下沉降，合成氣出氣化爐，進入廢鍋。煤灰總量的70%～80%以熔態(tài)流入氣化爐底部，水激冷凝固、破碎，自爐底排出。粉煤由氮氣攜帶，密相輸送進入噴嘴。氧與蒸汽混合后也由粉煤燒嘴噴入氣化爐內(nèi)。氣化溫度為1 400～ 1 700℃，壓力為4.0MPa。由于氣化溫度高，碳轉(zhuǎn)化率可達99%以上，無其他的副產(chǎn)物產(chǎn)生，產(chǎn)品氣體潔凈，煤氣中有效氣體達90%（干基）以上，氧耗低，單爐生產(chǎn)能力大。系統(tǒng)中的主要物料包括：粉煤、氮氣、氧氣、蒸汽、灰、渣、灰水等；物料流動形式：連續(xù)流，間歇流；相態(tài)包括氣固相、氣液相、氣相、液相、液固相、固相等；固體流動方向：重力流為主。

1.2 氣化系統(tǒng)組成及工藝過程簡述

Shell粉煤氣化由磨煤、粉煤加壓及輸送、氣化及合成氣冷卻、除渣、除灰、灰水處理等裝置組成，還包括操作單元、工藝控制系統(tǒng)、公用工程等。各系統(tǒng)主要作用如下：

a）粉煤輸送及加壓。粉煤在壓力下靠重力由粉煤放料罐流入粉煤給料罐，依靠氮氣加壓輸送。

b）氣化及合成氣冷卻。純氧預(yù)熱后，和工藝蒸汽通過混合，與粉煤同時進入粉煤燒嘴噴入氣化爐內(nèi)，在4.0MPa的壓力下進行部分氧化反應(yīng)。氣化反應(yīng)區(qū)位于氣化爐中下部，反應(yīng)區(qū)之下是氣化爐的水浴渣池，用以承接煤氣化后的熔渣。粉煤與氧反應(yīng)生成的合成氣夾帶少量飛灰上行。熔融灰渣在離心力作用下沿氣化爐內(nèi)壁流入水浴渣池。氣化爐中部分固化的渣層附著在水冷壁上形成隔熱（渣）壁。反應(yīng)生成的高溫合成氣被冷的循環(huán)氣激冷，回收熱量后至除灰。

c）除渣。除渣系統(tǒng)負責(zé)對熔融煤渣進行冷卻、?；团欧盘幚?。

d）除灰。合成氣中所包含的飛灰在高壓高溫陶瓷燭芯過濾器中不斷從合成氣流中清除出來。合成氣去洗滌，分離的灰分冷卻后排出。

e）洗滌。過濾器出口高溫合成氣在洗滌塔中被循環(huán)的洗滌水冷卻洗滌，降溫后送出。洗滌塔頂出口合成氣在送往凈化前抽出兩股，其中一股壓縮后作為激冷氣進氣化爐，另一股作為初級產(chǎn)品送下一工序處理。

f）灰水處理?；宜?jīng)汽提、澄清、增稠與過濾等過程，回收細渣回用，提取酸性氣去下游處理，大部分處理過的灰水返回系統(tǒng)，部分去污水處理。

2 粉煤氣化工藝控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進

2.1 粉煤加壓和輸送系統(tǒng)

粉煤加壓和輸送系統(tǒng)是粉煤氣化的關(guān)鍵步驟之一，也是氣化爐能否進料的先決條件，由粉煤放料罐（V1204）、通氣錐、通氣板、放料閥組成。一般步驟：重力流的粉煤儲罐出口閥打開，粉煤放料罐達到正常料位后關(guān)閉該閥，停止進料。開啟氮氣閥門加壓，待與粉煤給料罐壓力平衡后，打開給料罐出口閥門，粉煤全部進入給料罐后，關(guān)閉放料罐出口閥門，打開放料罐泄壓閥門，壓力卸除后，關(guān)閉泄壓閥，進入下一過程。如果放料罐低料位未出現(xiàn)或持續(xù)時間（5s）不足，啟動除橋程序。該系統(tǒng)初期常出現(xiàn)的故障：粉煤出料不暢，通氣錐、管道吹掃器損壞，氮氣系統(tǒng)受煤粉污染。

2.1.1 粉煤放料罐控制系統(tǒng)改進

根據(jù)上述步驟，分析后認為加壓程序控制步驟較理想化，氮氣加壓控制極易突破通氣錐元器件所能承受的差壓極限（約1.1MPa），放料罐罐內(nèi)和通氣錐充氮管線上缺少檢測和控制壓差的措施，進而造成通氣錐頻繁破損。

分析12KS0001程序控制器的放料程序動作過程〔2〕：先打開頂部充氮閥，在粉煤放料罐初始充壓至約1.0MPa后，通氣錐充氮閥12XV－0130打開，由于兩者開啟有時間差，加之沒有設(shè)置差壓檢測和控制元件及極細煤粉堵塞通氣錐部分毛孔，而氮氣源的壓力達5.2MPa，大壓差的氮氣流入通氣錐，易使通氣錐因超壓而損壞。當(dāng)?shù)獨獬烦鰰r，煤粉會隨著氮氣管線倒流，污染氮氣系統(tǒng)。

經(jīng)過分析比選后，在去通氣錐和管道吹掃器氮氣管上設(shè)置差壓調(diào)節(jié)器可以較好地解決上述問題。具體實施如下：

a）在通氣錐或管道吹掃器的放料吹掃氮氣總管上增設(shè)調(diào)節(jié)閥12PV－0131A。

b）差壓檢測信號取自閥后放料氮總管上的壓力變送器12PT－0131A與粉煤放料罐泄充壓管線壓力變送器12PT－0114。

c）差壓調(diào)節(jié)模塊12PDIC－0131A內(nèi)設(shè)置差壓限定及自動切換功能：當(dāng)通氣錐或管道吹掃器兩側(cè)差壓小于其所能承受的差壓（如約0.8MPa）時，其自動設(shè)置在CAS位運行，差壓設(shè)定值為通氣錐或放料吹掃氮氣與放料罐內(nèi)的差壓加和一常數(shù)值（如0.6MPa）。當(dāng)通氣錐或管道吹掃器兩側(cè)差壓接近其所能承受的差壓（如約1.0MPa）時，自動設(shè)置在手動位關(guān)閉放料吹掃氮氣閥12PV－0131A，以保證當(dāng)通氣錐或管道吹掃器兩側(cè)的差壓在其可以承受的范圍內(nèi)。設(shè)置一定的盲區(qū)（如0.2MPa）可以避免頻繁自動切換所帶來的影響。改進后的粉煤加壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 粉煤加壓系統(tǒng)示意

當(dāng)壓力信號12PT－0131A高于氮氣源壓力時，壓力控制閥12PV－0131A關(guān)閉，防止煤粉回竄污染氮氣管線，12PDIC－0131A控制回路如圖2所示。

圖2 12PDIC－0131A控制回路示意

上述改進和優(yōu)化措施實施后，杜絕了通氣錐或管道吹掃器頻繁損壞的現(xiàn)象，防止了放料氮管路被煤粉污染。如果差壓調(diào)節(jié)閥后有限流孔板，則限流孔板的運行條件有較大變化，充壓時間會稍有延長。

2.1.2 放料罐除橋控制優(yōu)化

在試車過程中，由于煤質(zhì)的變化和粉煤干燥度變化及充壓速率影響，放料罐不可避免地會產(chǎn)生粉煤的壓實或流動不暢而架橋，導(dǎo)致罐內(nèi)煤粉排不凈。該現(xiàn)象既減少了向給料罐輸煤量，同時造成了放料罐余壓泄放時減壓管線內(nèi)氣體攜帶粉塵量大幅增加而快速磨損泄放閥。

分析認為，由于放料罐內(nèi)大量細顆粒煤粉存在且上部充壓過快，煤粉在罐內(nèi)壁出現(xiàn)粘附或結(jié)團，盡管罐內(nèi)中下部通氣板通過的少量氮氣保持部分煤粉處于懸浮狀態(tài)，但邊緣部分仍然力所不及。因此，煤粉在放料時架橋是經(jīng)?，F(xiàn)象，除橋是放料過程的輔助手段。原設(shè)計除橋過程：關(guān)閉放料罐出口閥門，啟動通氣錐、通氣管充氮閥門，強制遺留在放料罐下部的煤粉處于懸浮狀態(tài)，然后打開放料閥，排出剩余煤粉。除橋程序由控制器12KS0001～0002控制：在給料罐的填充計時器完成后，如果粉煤放料罐低料位信號12LSL－0103未出現(xiàn)則啟動順控除橋支路控制，如果順控除橋計時（5min）完成和除橋支路控制完成后，粉煤放料罐低料位信號仍未出現(xiàn)，則需人工重啟程序或轉(zhuǎn)為手動操作。在試車過程中發(fā)現(xiàn)原除橋效果不佳，有時除橋幾次，仍不能完成，切換為人工干預(yù)后，失去檢測的條件極易誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動較大。

鑒于原設(shè)計的不足，確定改變除橋順序，即在放料料位達到50%～67%時，自動啟動除橋程序，利用殘存煤粉填充可能的架橋空間以充分發(fā)揮通氣錐的松動作用，從而實現(xiàn)順利向給料罐供料。過程如下：放料罐充壓步驟中，減少頂部快速充壓時間至10s以反吹放空過濾器，壓力不大于1.0MPa時停止頂部充壓。為彌補快速充氮時間減少的影響，同時提前開啟放料罐底部通氣錐、管道吹掃器的充氮，使放料罐充壓時間基本相當(dāng)并避免粉煤被壓實架橋。修改后順控程序步驟：粉煤放料罐填充煤粉后，頂部與底部同時充壓，頂部快速充壓10s或達到設(shè)定值（約1.0MPa）時停止，由通氣錐、管道吹掃器繼續(xù)充壓到與給料罐壓力平衡后打開平衡管，停止管道吹掃器充氮；壓力平衡后，開啟管道吹掃器充氮5～10s后打開放料閥向給料罐放料3min后關(guān)閉放料閥，自動進入除橋支路進行預(yù)除橋，除橋運行2次后，粉煤放料罐低料位信號便會出現(xiàn)。如果粉煤放料罐低料位信號出現(xiàn)且持續(xù)時間滿足，則返回隔離、泄放步驟，進入進料、充壓程序；如果低料位信號持續(xù)時間不能滿足或仍未出現(xiàn)，人工復(fù)位后再度進入除橋支路控制。

現(xiàn)場運行表明，優(yōu)化后的程序控制大幅度地降低了人工干預(yù)頻率，出錯幾率也相應(yīng)地大幅降低，給料程序滿足氣化爐的煤粉需求。

2.2 氣化爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化與改進

由于煤氣化工藝特性以及在實際操作中煤的性質(zhì)總是會變化，且難以準確觀察，因而氣化爐的控制是至關(guān)重要的。理想的氣化操作是由以下各條件綜合決定：合適的碳轉(zhuǎn)化率、爐渣具有良好的流動性、合成氣質(zhì)量穩(wěn)定、水冷壁的熱負荷適中、氧氣耗量合理。

氣化操作控制相關(guān)的因素中，爐渣和飛灰的產(chǎn)率、飛灰的碳含量及爐渣的外觀需較長時間才能得出分析結(jié)果或依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗觀察，只能作為趨勢分析和指導(dǎo)用途，難以實現(xiàn)自動控制。氣化爐上部激冷后的溫度、合成氣冷卻器入口溫度和合成氣冷卻器出口溫度等參數(shù)與煤質(zhì)組成、爐內(nèi)反應(yīng)段溫度、激冷氣量關(guān)聯(lián)性較強，也不宜作為氣化條件直接輸入。最具自動控制的參數(shù)是爐內(nèi)反應(yīng)段的溫度，目前還難以實現(xiàn)直接測量，依靠相關(guān)參數(shù)運算得出參考溫度，離直接控制氣化所要求的高可靠性、高重復(fù)性、高穩(wěn)定性尚有較大距離。除氣化爐負荷與氣化壓力相關(guān)聯(lián)可以采用曲線控制實現(xiàn)外，氧中蒸汽的比例對合成氣的組成有較大影響，故在某個運行周期內(nèi)由人工設(shè)定并通常保持恒定。

氣化爐控制的核心是通過調(diào)節(jié)氧煤比使上述指示值在預(yù)期的范圍內(nèi)。原設(shè)計有4種調(diào)整氧煤比方式：

a）由合成氣中的CO2體積分數(shù)進行氧煤比的自動控制［3］，即K1調(diào)整。

b）由合成氣中CH4體積分數(shù)進行氧煤比的自動控制［3］，即K2調(diào)整。

c）當(dāng)合成氣分析儀故障時手動調(diào)整，氧煤比由內(nèi)置曲線給出，人工調(diào)整其偏差值，即K3調(diào)整。

d）氣化爐在啟動投煤時，在達到最低安全負荷前氧煤比由內(nèi)置曲線設(shè)定，負荷隨氣化爐壓力的升高而提升，氧煤比隨負荷的提升而降低。

典型的氣化條件如圖3所示［4］，在恒定的氧蒸汽比條件下，CH4體積分數(shù)相對于爐溫和碳轉(zhuǎn)化呈不完全對數(shù)形式的逆向變化，氣化爐溫的變化將引起CH4體積分數(shù)較大變化；而CO2體積分數(shù)的變化相對于氣化爐溫的變化呈正向線性關(guān)聯(lián)。研究和觀察表明，氣化爐在高碳轉(zhuǎn)化率時氧煤比增加0.01，氣化溫度升高30～35℃；低碳轉(zhuǎn)化率時，氧煤比增加0.01，氣化溫度升高10～12℃。粉煤中灰分每變化0.02將引起氣化爐內(nèi)溫度變化約70℃。實際運行中，原料煤質(zhì)的特性總是有變化的且不易被即時測量。

圖3 典型氣化條件示意

綜上所述，氣化爐側(cè)水冷壁的蒸汽產(chǎn)量可快速地反映氣化爐反應(yīng)段的溫度變化，如果將氣化爐側(cè)水冷壁的蒸汽產(chǎn)量作為主控參數(shù)來控制氣化爐的氧煤比，可以較好地消除煤質(zhì)波動對氣化操作條件的影響，是理想的氣化工藝控制的主控參數(shù)之一。表1所列幾種主要控制模式對氣化條件變化的響應(yīng)情況。

表1 控制模式對氣化條件變化的響應(yīng)對比

由于Shell煤氣化裝置的水冷壁側(cè)汽包均為聯(lián)合汽包，內(nèi)設(shè)隔板以區(qū)分氣化爐側(cè)反應(yīng)段水冷壁和合成氣冷卻器的蒸汽產(chǎn)量，當(dāng)隔板兩側(cè)的液位偏差較大時將開啟蒸汽連通閥以平衡隔板兩側(cè)的液位。當(dāng)連通閥開啟時，采用蒸汽控制所必需的氣化爐反應(yīng)段水冷壁的蒸汽產(chǎn)量測量便失真，如仍以蒸汽產(chǎn)量為主控參數(shù)來調(diào)整氣化爐主要運行條件的被控氧煤比變量參數(shù)，需解決汽包連通閥開啟后的蒸汽流量雙向測量問題。

某裝置采用多孔平衡節(jié)流整流器加微差壓變送器取代了隔板蒸汽連通閥，與原氣化爐側(cè)反應(yīng)段水冷壁的蒸汽產(chǎn)量測量變送器加和運算得出準確的氣化爐側(cè)反應(yīng)段水冷壁的蒸汽產(chǎn)量為主控參數(shù)變量取代了CH4體積分數(shù)控制系統(tǒng)。

實踐表明，在汽包壓力達到目標值且較穩(wěn)定時投運蒸汽流量作為氣化爐主控參數(shù)后，氣化爐溫更加穩(wěn)定，切換煤種時也能更好地適應(yīng)。當(dāng)因界外下游蒸汽管網(wǎng)大幅波動致超出汽包壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所能調(diào)整范圍時，應(yīng)干預(yù)退出該模式。

3 結(jié)束語

經(jīng)過Shell粉煤氣化工藝控制的優(yōu)化和改進，煤氣化裝置得以順利的投料和開車，試車過程中頻繁出現(xiàn)的通氣錐損壞現(xiàn)象得以消除，粉煤架橋現(xiàn)象大幅降低，同時也降低了試車成本，為氣化裝置的長周期運行打下了堅實的基礎(chǔ)。

［1］ 亢萬忠.殼牌粉煤氣化技術(shù)的引進與消化［J］.大氮肥，2009，32（04）：5－9.

［2］ 杜陽.Shell粉煤氣化裝置的氮氣平衡及優(yōu)化［J］.大氮肥，2009，32（04）：65－68.

［3］ 牛海杰.氣化裝置鎖斗高壓過濾器損壞原因及預(yù)防措施［J］.大氮肥，2010，33（01）：42－43.

［4］ 賈安利.殼牌氣化爐的溫度控制［J］.河南化工，2008，25（10）：41－45.

［5］ 常祖山.殼牌粉煤氣化裝置技術(shù)特點及存在問題和解決方案［J］.大氮肥，2010，33（01）：46－49.

［6］ 段磊.激冷氣壓縮機入口管道腐蝕問題探討［J］.大氮肥，2009，32（06）：43－45.

［7］ 張元梁.Shell粉煤氣化裝置運行分析［J］.化肥工業(yè)，2012，39（01）：51－53.

［8］ 徐國壯.Shell粉煤氣化裝置主要問題的分析［J］.煤化工，2010，38（03）：15－19.