煤氣化裝置氧煤比控制策略淺析

董清鋒，陳 菲

(陜西延長石油(集團(tuán))有限公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

0 引言

目前，國內(nèi)的煤氣化工藝主要分為兩種。一種為干法氣化，以SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐以及延長石油循環(huán)流化床氣化爐為代表；另一種為水煤漿加壓氣化，以德士古氣化爐為代表。煤氣化的反應(yīng)原理為煤、O2、水或蒸汽在加壓條件下完成物理和化學(xué)反應(yīng)，主要氣化產(chǎn)物是以H2和CO為主的合成氣。

通過煤氣化總的反應(yīng)方程可知，生成CO和H2的反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，其所需熱量由煤和O2反應(yīng)生成CO2所放出的熱量提供。

CO和H2是煤氣化過程產(chǎn)出合成氣的有效成分，是主要的控制指標(biāo)。CO和H2含量的高低通過控制O2和煤的比例來實現(xiàn)。氧煤比過高，氣化爐爐膛溫度高，容易造成氣化爐結(jié)渣堵塞、燒壞耐火襯里等，形成安全隱患；氧煤比過低，氣化爐爐膛溫度降低，碳轉(zhuǎn)化率降低，灰渣中殘?zhí)苛扛?，造成原料浪費，經(jīng)濟(jì)性差。因此，氧煤比的控制至關(guān)重要。

1 氧煤比控制策略

1.1 SHELL殼牌氣化爐控制策略

SHELL殼牌氣化爐和HT-L航天爐為氣流床氣化工工藝，二者在氧煤比控制策略上基本一致。以下以SHELL殼牌氣化爐為例，對其氧煤比控制策略進(jìn)行闡述。

1.1.1 氧煤比值

SHELL殼牌爐氣化裝置氧煤比的控制方式有以下5種[1]。①通過CO2分析儀分析的CO2含量，自動控制氧煤比。②通過CH4分析儀分析的CH4含量，自動控制氧煤比。③通過汽包小區(qū)蒸汽產(chǎn)量，自動控制氧煤比。④自動設(shè)定氧煤比。⑤手動調(diào)節(jié)氧煤比。

控制方式①和②根據(jù)氣化爐內(nèi)的反應(yīng)原理，通過對反應(yīng)生產(chǎn)的氣體含量及其相對應(yīng)的曲線對氧煤比進(jìn)行設(shè)定。控制方式③通過氣化爐水冷壁產(chǎn)生的蒸汽量，間接測出氣化爐爐膛溫度，蒸汽流量和氣化爐溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。通過蒸汽流量對應(yīng)的氣化爐溫度，對氧煤比進(jìn)行設(shè)定?？刂品绞舰茉陂_車期間，其合成氣氣體組分不穩(wěn)定、無蒸汽產(chǎn)量或流量不穩(wěn)定，因此不能作為氧煤比控制的依據(jù)。此時，將氧煤比的值作為開車過程總負(fù)荷的函數(shù)，并將計算結(jié)果輸入到控制器中?？刂品绞舰菔窃谏鲜?種控制方式無法投用、系統(tǒng)出現(xiàn)波動、或更換煤種時，由操作人員通過手動輸入氧煤比。

1.1.2 氧煤比控制原理

SHELL殼牌爐氣化裝置煤粉進(jìn)料方式為煤粉加壓氣力輸送，流動特性不規(guī)律，煤粉流量受輸送介質(zhì)的壓力、溫度、介質(zhì)特性、管道中固氣比等因素影響較大。這給煤粉流量測量的準(zhǔn)確性帶來了較大的影響。不論是德國SWR，還是美國熱電的固體顆粒流量計，都很難對煤粉流量進(jìn)行準(zhǔn)確測量。在開車前，需要對煤粉流量計進(jìn)行較長時間的標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定結(jié)果摸索出修正函數(shù)，在DCS組態(tài)中對煤粉流量進(jìn)行補償和修正。SHELL殼牌爐煤粉進(jìn)料流量計選用的是德國SWR公司的固體顆流量計。

對于殼牌氣化爐，通常所說的負(fù)荷實際上指的是氧氣負(fù)荷[2]。氧氣流量測量相對較為準(zhǔn)確，在一定的負(fù)荷下，氧氣流量保持不變，通過氧煤比的調(diào)整來串級控制煤粉的流量，也就是常說的“以氧定煤”。操作員在負(fù)荷控制器中輸入氧流量設(shè)定值。該設(shè)定值通過諧波發(fā)生器以一定速率變化。變化后的氧氣流量被限幅器限制在系統(tǒng)允許的最大值和最小值之間。經(jīng)過限制的氧流量與實際煤流量分別與氧煤比相乘，所計算出的氧氣量中，較小值即為氧氣回路的設(shè)定值。對比氧氣流量設(shè)定值和實際氧氣流量值，取其中較大值除以氧煤比，得到煤粉回路的設(shè)定值。氧煤比控制回路的設(shè)計中，同時加入手/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、選擇開關(guān)、修正系數(shù)等，經(jīng)過修正、限位、取反、補償，控制整個氣化爐的氧煤比[3]。

SHELL殼牌氣化爐氧煤比控制策略中，在控制氧量方面有著較為嚴(yán)格的限制?？刂苹芈分?，對氧量的選擇始終為低選、對煤量的選擇始終為高選，且多處使用限幅器，以防止超氧。同時，在氧煤比控制邏輯中，多處加入手動或自動選擇開關(guān)。針對不同工況，可以分層、分級地實現(xiàn)氧氣和煤粉流量的手動和自動控制。

SHELL殼牌氣化爐控制技術(shù)先進(jìn)，理念超前，多種控制手段涵蓋開車工況、正常工況、特殊工況。但是在實際運行過程中也存在一些問題：沒有直接檢測氣化爐膛溫度的儀表；合成氣成分控制、蒸汽產(chǎn)量控制、預(yù)設(shè)曲線控制都是通過控制氧煤比來間接控制氣化爐爐膛溫度，控制不夠直觀、精確；煤粉為氣固兩相流，測量不夠穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

1.2 延長石油循環(huán)流化床氣化爐控制策略

延長石油循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)料采用干煤粉加壓氣力輸送，與SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐的進(jìn)料方式較為相似。SHELL殼牌氣化爐通過調(diào)節(jié)閥來控制煤粉流量；而延長石油循環(huán)流化床氣化爐通過控制輸送氣量及輸送氣量的分配，實現(xiàn)煤粉流量的控制。同時，為減少進(jìn)煤系統(tǒng)壓力波動對煤粉進(jìn)料的影響，在進(jìn)料系統(tǒng)中加入了壓力解耦裝置，有效減小了壓力波動，提高了煤粉輸送的平穩(wěn)性。同樣，因為煤粉為氣力輸送，所以該策略的測量精確度不高。延長石油循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)料煤粉流量計選用的是美國熱電公司產(chǎn)品。

對于延長石油循環(huán)流化床裝置輸送床氣化爐，通常所說的負(fù)荷是指投煤量。煤粉由輸送氣氣力輸送至氣化爐，輸煤管線無調(diào)節(jié)閥，煤粉流量的大小通過調(diào)節(jié)給料斗壓力和壓力解耦裝置的輸送氣量實現(xiàn)。

延長石油循環(huán)流化床氣化爐氧煤比控制邏輯是以煤粉的流量通過氧煤比的設(shè)定串級控制氧氣的流量，即常說的“以煤定氧”。該控制邏輯的核心是氧煤比的設(shè)定值。當(dāng)煤粉流量相對較穩(wěn)定時，以氧氣流量的測量值與煤粉流量的測量值的比值作為軟測量值，參與氧煤的控制。氧煤比控制邏輯為：操作員手動輸入氧煤比，作為控制回路的設(shè)定值，并以實際氧氣流量與實際煤粉流量或煤粉流量設(shè)定值的比值作為控制回路的測量值。為防止氧煤比控制失效造成的氣化爐超溫，同時提高控制的安全性，在氧煤比控制回路輸出端設(shè)置自動選擇器。當(dāng)氣化爐溫度超過設(shè)定值后，氧氣流量不再受氧煤比控制，程序自動切換至經(jīng)多點高選的氣化爐最高點溫度來實現(xiàn)控制。

為提高控制的精確性，在氧氣分配回路中加入了手動偏差函數(shù)，以微調(diào)多回路氧氣流量的分配；同時，在氣化爐各氧氣噴嘴上方取一溫度信號，以單回路PID控制的方式修正氧煤比控制回路。

延長石油循環(huán)流化床氣化爐氧煤比控制邏輯，僅在提高負(fù)荷和氣化爐平穩(wěn)運行時投用，降負(fù)荷時不投用，以防止超氧超溫，造成安全事故。

1.3 德士古氣化爐控制策略

德士古氣化工藝為水煤漿加壓氣化，與SHELL殼牌氣化爐、HT-L航天爐和延長石油循環(huán)流化床氣化爐在進(jìn)煤流程上存在較大差異。水煤漿流量的調(diào)節(jié)不采用調(diào)節(jié)閥或輸送氣量調(diào)節(jié)，而是采用變頻高壓煤漿泵的速度調(diào)節(jié)；同時，泵的轉(zhuǎn)速信號也轉(zhuǎn)變成煤漿流量[4]。另外，在煤漿流量方面，采用兩臺非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的電磁流量計實時測量煤漿流量。對比三個煤漿流量值，取其中值參與到氧煤比控制[5]。

氧氣流量的測量與干煤粉氣化工藝基本一致，采用三臺串聯(lián)的流量計。三個流量信號經(jīng)溫壓補償后，選中值參與到氧煤比控制中。

德士古氣化爐氧煤比控制方案的顯著特點是不存在“以氧定煤”或“以煤定氧”的邏輯。其核心參數(shù)為氧煤比的設(shè)定值。對比氧氣流量和氧煤比通過計算得到的煤流量與通過交叉限幅器[6-7]設(shè)定負(fù)荷煤流量，取二者的高選數(shù)值控制煤漿泵的轉(zhuǎn)速，從而控制水煤漿流量。對于測量的煤漿流量和通過交叉限幅器設(shè)定負(fù)荷的煤流量，取二者的低選數(shù)值，與氧煤比通過計算得到氧氣流量的設(shè)定值，從而控制氧氣流量。對煤的控制始終是高選，對氧的控制始終是低選。該控制邏輯在加、減負(fù)荷時，能自動實現(xiàn)加負(fù)荷時先提煤漿量后提氧量、減負(fù)荷時先降氧量再降煤漿量[8]，有效地控制了氣化爐的溫度和合成氣的組分。

2 幾種氧煤比控制策略的優(yōu)缺點

2.1 SHELL殼牌氣化爐

SHELL殼牌氣化爐氧煤比控制策略的優(yōu)點在于：氧煤比控制理念超前，思路靈活，手段多元化，適應(yīng)多種工況。

其不足之處如下。

①沒有直接測量氣化爐爐膛溫度的儀表[6]，控制邏輯中未加入溫度對氧煤比的修正及超弛。雖然氧氣流量是通過低選手段控制，但系統(tǒng)一旦出現(xiàn)擾動，會造成超氧情況。該控制方案無抑制手段。

②以合成氣中CO2的含量作為氧煤比的控制器誤差較大。為減少合成器中無效氣體組分，干煤粉加壓氣力輸送所選的輸送氣一般采用CO2，這會導(dǎo)致氣化爐出口合成氣中CO2分析數(shù)值變化較大，因此投用率較低。

③以合成氣中CH4含量作為氧煤比的控制器難度較大。SHELL殼牌氣化爐爐膛溫度較高，合成氣中CH4含量較低，在線分析儀表測量難度較大，又相對較為滯后，因此投用率較低。

2.2 延長石油循環(huán)流化床氣化爐

延長石油循環(huán)流化床氣化爐的優(yōu)點在于：在氧煤比控制策略中加入溫度超弛和溫度修正，從控制角度來看，其控制更為精確。

其不足之處如下。

①煤粉流量測量誤差較大，“以煤定氧”的控制邏輯在煤粉輸送量波動較大時，容易造成超氧。因此，該氣化爐對煤粉氣力輸送的平穩(wěn)性和煤粉流量計測量的準(zhǔn)確性要求較高。

②煤粉流量的控制未加入到控制邏輯中，控制的精準(zhǔn)度和自動化程度有待提高。

③氧煤比控制策略只能在加負(fù)荷或平穩(wěn)運行時候投用，不能實現(xiàn)自動減負(fù)荷操作。

2.3 德士古氣化爐

德士古氣化爐的優(yōu)點在于：負(fù)荷控制與交叉限幅選擇控制耦合，以氧煤比值為設(shè)定值，通過高、低選擇器同時控制氧氣和煤粉流量，以達(dá)到所設(shè)定的氧煤比值。

其不足之處在于：氧煤比控制邏輯中未加入溫度或其他工藝參數(shù)對氧煤比的修正。

3 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)主流煤氣化氧煤比控制策略的研究，闡述了不同工藝路線氧煤比控制思路及其優(yōu)缺點。針對不同的工藝路線、不同的煤粉進(jìn)料方式和氣化爐爐型，應(yīng)設(shè)計與之相適應(yīng)的氧煤比控制策略。同時，應(yīng)根據(jù)不同煤種、不同工藝條件，不斷地摸索氣化工況，建立優(yōu)化函數(shù)，并結(jié)合實際操作經(jīng)驗對氧煤比控制策略加以修正。該研究有助于優(yōu)秀操作員經(jīng)驗的數(shù)據(jù)化、程序化，從而能更精準(zhǔn)地實現(xiàn)氧煤比控制，促進(jìn)裝置的穩(wěn)定、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行。

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