水煤漿提濃對氣化裝置運行經(jīng)濟性影響的分析

李 智

（兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東滕州 277527）

目前，如文獻 ［1］這類關(guān)于水煤漿提濃對氣化裝置中設(shè)備運行情況分析的相關(guān)研究較為普遍，如文獻 ［2］這類關(guān)于生產(chǎn)過程優(yōu)化的文獻較多，如文獻 ［3］、文獻 ［4］這類對于水煤漿提濃的可行性研究也較多，本文重點探討水煤漿提濃對氣化裝置運行經(jīng)濟性的影響。

兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化榮信化工有限公司（以下簡稱榮信化工）1800kt／a甲醇裝置配套2500t／d級多噴嘴對置式水煤漿氣化爐3臺，單臺氣化爐設(shè)計投煤量為2088t／d，水煤漿濃度為58%，有效氣 （CO+H2）產(chǎn)量為140000 m3／h。生產(chǎn)過程中實際所用原料煤種變更后，混煤的成漿性較差，水煤漿濃度提升將帶來添加劑用量的增加；正常生產(chǎn)中榮信化工氣化爐所用水煤漿濃度維持在54%～56%，水煤漿粘度維持在400～800Pa·s，氣化爐運行穩(wěn)定。

“九五”期間，兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司 （以下簡稱研究中心）與華東理工大學(xué)共同開發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，研究中心用于完善多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的水煤漿添加劑復(fù)配、成漿性研究實驗室研究成果已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)多套水煤漿氣化裝置。為進一步提升榮信化工氣化裝置運行的經(jīng)濟性，挖潛增效，研究中心開展了有針性的研究。

1 煤種數(shù)據(jù)及運行數(shù)據(jù)

1.1 氣化煤種的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

榮信化工氣化裝置采用的是混煤，其中，轉(zhuǎn)龍灣煤來自伊金霍洛旗布爾臺格鄉(xiāng)高家塔村境內(nèi)，賽蒙特煤來自鄂爾多斯賽蒙特爾礦井位于納林陶亥小煤礦整合改造區(qū)內(nèi)，其混配質(zhì)量比為轉(zhuǎn)龍灣煤∶賽蒙特煤＝8∶2，即混煤中轉(zhuǎn)龍灣煤質(zhì)量為賽蒙特煤質(zhì)量的4倍，該混煤難以成漿，實驗室研究表明其最高成漿濃度不超過60% （實驗室采用不同的添加劑對該混煤的成漿性進行研究，水煤漿濃度最高可達59.5%，但一般經(jīng)驗表明，實驗室制得的水煤漿濃度要比實際生產(chǎn)中低1.0%～1.5%；同時，也不能排除現(xiàn)階段有部分添加劑廠家擁有更好的添加劑配方可使水煤漿濃度提升至60%）。所用煤種的元素分析數(shù)據(jù)見表1，工業(yè)分析數(shù)據(jù)及灰熔點數(shù)據(jù)見表2。

生產(chǎn)過程中，榮信化工氣化裝置所用混煤磨煤級配分析數(shù)據(jù)為：＜40目的為99.89%、＜80目的為96.61%、＜200目的為72.02%、＜325目的為52.98%，該數(shù)據(jù)與常見的水煤漿級配數(shù)據(jù) （＜200目的為45%～55%）有一定差異。

表1 氣化煤種的元素分析數(shù)據(jù) %

表2 氣化煤種的工業(yè)分析數(shù)據(jù)及灰熔點數(shù)據(jù)

1.2 氣化裝置的運行數(shù)據(jù)

由于氣化煤種變更及空分、甲醇等工段的影響，榮信化工氣化裝置的實際運行數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)有一定差異 （見表3）?？紤]到煤種數(shù)據(jù)變化不大，氣化裝置投煤量波動范圍在100%±10%、水煤漿濃度波動范圍在58%±2% （文中核算是以56%～60%作為計算基準(zhǔn)，但對于煤氣化過程而言，同一種爐型，其原料水煤漿濃度變化范圍在±3%對計算結(jié)果的影響基本可以忽略），碳轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定，認(rèn)為榮信化工氣化裝置水煤漿濃度在有限范圍內(nèi)的提升對氣化流場的影響應(yīng)該是較小的。燃燒、煤的高溫燃燒、殘?zhí)哭D(zhuǎn)移、激冷等過程，并進行熱量平衡計算。圖1中，COAL1～COAL3代表煤以及煤熱解之后的多種組分物流；O2代表用于燃燒的氧氣；WATER代表一次水；GAS1～GAS4代表燃燒過程中的氣相混合物；C1～C4代表水系統(tǒng)中的物料，如沖洗密封液、激冷水、渣鎖斗沖洗水、黑水；Q1～Q2代表能量的傳遞過程；R1～R5分別代表熱解反應(yīng)過程、固定碳及揮發(fā)分燃燒過程、激冷過程、變換反應(yīng)過程、甲烷化反應(yīng)過程。

表3 氣化裝置設(shè)計數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)的對比

圖1 氣化裝置反應(yīng)模型簡圖

通常情況下，氣化界區(qū)水洗塔頂部含水汽合成氣數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確計量，一般采用甲醇裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為有效氣產(chǎn)量的判據(jù)。據(jù)甲醇車間生產(chǎn)運行時的相關(guān)記錄表得出氣化裝置的平均有效氣（CO+H2）產(chǎn)量為6842513m3／d，甲醇產(chǎn)量為3044t／d，即噸甲醇合成氣消耗為2247.9m3。

2 氣化爐模型

2.1 基礎(chǔ)模型

據(jù)榮信化工氣化裝置的特點建立如圖1所示的反應(yīng)模型。模型主要模擬煤的熱解、煤的低溫

2.2 數(shù)據(jù)對比

通過AspenPlus軟件的模擬計算，得出榮信化工氣化爐 （單爐）的相關(guān)數(shù)據(jù)，其與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比見表4。

表4 氣化爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)的對比

由表4可以看出，模型的準(zhǔn)確性在允許誤差范圍內(nèi)。于是據(jù)該模型對水煤漿濃度提升至57%、58%、59%、60%時氣化爐運行的經(jīng)濟性進行分析。

3 經(jīng)濟性分析

水煤漿濃度提升對氣化裝置的影響以2個方案進行分析：一個方案是氣化爐投煤量 （干基）不變，在這種條件下，水煤漿提濃實際上是進入氣化爐的水煤漿總量降低，主要是水量降低，簡稱為 “降耗方案”；另一個方案是進入氣化爐的水煤漿總量不變，在這種條件下，實際上是氣化爐投煤量 （干基）增加而水量降低，簡稱為“增產(chǎn)方案”。

3.1 物料價格數(shù)據(jù)

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

物料單價是經(jīng)濟性核算的基礎(chǔ)，由于生產(chǎn)管控及經(jīng)營保密等方面的需要，部分實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)省略，以同類型化工廠設(shè)計數(shù)據(jù)予以替代，具體如下。

（1）轉(zhuǎn)龍灣煤煤價370元／t、運費69元／t，賽蒙特煤煤價366元／t、運費74元／t，按照8∶4的質(zhì)量配比折算，混煤價格為439.2元／t。

（2）公用工程物料中，蒸汽價格120.46元／t、一次水價格6099.13元／kt［榮信化工地處內(nèi)蒙古達拉特旗，當(dāng)?shù)貒?yán)重缺水，工業(yè)用水只能采集地表水 （黃河水為主），因此其價格要高于多數(shù)工廠］、循環(huán)水價格686.79元／kt、脫鹽水價格12.58元／t、氧氣價格0.33元／m3、動力電價格0.6元／（kW·h）。

3.1.2 經(jīng)濟性核算方式

兗礦集團旗下化工生產(chǎn)單位均擁有統(tǒng)一的內(nèi)部市場化結(jié)算方式，對氣化裝置而言，有效氣的制造成本計算公式為：制造成本＝原材料 （含氣化原料煤、蒸汽、一次水、循環(huán)水、脫鹽水、氧氣、添加劑、其他） +動力電+職工薪酬+制造費用 （含可控費用、低值易耗品、其他）-副產(chǎn)品 （含蒸汽、硫磺、二氧化碳、其他）產(chǎn)值。對比水煤漿提濃前后的經(jīng)濟效益時，提濃前后不發(fā)生較大變化的項目不納入考量范圍，即水煤漿提濃后動力電、職工薪酬、制造費用、副產(chǎn)品產(chǎn)值均不在考量范圍內(nèi)，主要對原材料成本進行考量。

3.1.3 添加劑成本計算

添加劑的噸漿價格采用研究中心研發(fā)的其中一種配方的對應(yīng)價格 （見圖2），并經(jīng)過實驗室驗證及經(jīng)濟性核算，用于參考計算。

圖2 噸漿添加劑價格曲線圖

3.2 水煤漿濃度提升的經(jīng)濟性計算

3.2.1 降耗方案

據(jù)榮信化工現(xiàn)有裝置運行中存在的問題，包括下游甲醇系統(tǒng)負(fù)荷接近滿負(fù)荷、空分裝置制氧量受限、高壓水煤漿泵運行受制約等，目前不具備增產(chǎn)條件，提高水煤漿濃度的主要目的是優(yōu)化裝置運行。

在維持氣化爐投煤量 （干基）不變的前提下，將水煤漿濃度逐步由56.20%提升至60.00%，同時對氧氣加入量等進行相應(yīng)的調(diào)整（其中，氧氣加入量的調(diào)整需考慮爐溫、有效氣成分、總發(fā)氣量等因素），以盡可能地產(chǎn)出更多的有效氣，提高氣化爐運行的經(jīng)濟性。此種條件下AspenPlus軟件模擬計算結(jié)果如表5所示。

表5 降耗方案 （不同水煤漿濃度）下的模擬計算結(jié)果

以2018年3月下旬同地區(qū)同行業(yè)甲醇價格2500元／t（含稅）、甲醇制造成本1604元／t（含稅）、利潤862元／t為基準(zhǔn)，據(jù)增產(chǎn)的甲醇量核算水煤漿濃度提升后的年增效益，結(jié)果如圖3所示。

圖3 降耗方案水煤漿提濃與年增效益的關(guān)系圖

3.2.2 增產(chǎn)方案

增產(chǎn)方案主要是考慮榮信化工二期項目建成投產(chǎn)后對合成氣的需求量會增加，在這種未來需求下氣化爐的實際運行負(fù)荷需要提升。

在維持氣化爐進料水煤漿總量不變的前提下，將水煤漿濃度逐步由56.2%提升至60.0%，同時對氧氣加入量等進行相應(yīng)的調(diào)整，以盡可能地提升氣化爐的運行負(fù)荷，提高氣化爐運行的經(jīng)濟性。此種條件下AspenPlus軟件模擬計算結(jié)果如表6所示。

表6 增產(chǎn)方案 （不同水煤漿濃度）下的模擬計算結(jié)果

同樣，以2018年3月下旬同地區(qū)同行業(yè)甲醇價格2500元／t（含稅）、甲醇制造成本1604元／t（含稅）、利潤862元／t為基準(zhǔn)，據(jù)增產(chǎn)的甲醇量核算水煤漿濃度提升后的年增效益，結(jié)果如圖4所示。

圖4 增產(chǎn)方案水煤漿提濃與年增效益的關(guān)系圖

3.3 添加劑成本在增效額中的占比

伴隨著水煤漿濃度的提升，添加劑成本快速上升，添加劑成本在增效額中的占比越來越高（見圖5）；當(dāng)水煤漿濃度達到60.0%時，添加劑的成本將占到增效額的78%～90%。

圖5 添加劑成本在增效額中的占比

3.4 小 結(jié)

由以上2種水煤漿提濃方案對氣化爐運行經(jīng)濟性的分析結(jié)果來看，榮信化工氣化裝置水煤漿濃度的提升，可以在不同的運行方式下獲得不錯的經(jīng)濟效益，具體見圖6。第一階段，研究中心將與榮信化工合作，將水煤漿濃度提升至58.0%，預(yù)計增產(chǎn)方案與降耗方案獲得的年增效益分別為1668.7萬元和624.5萬元。

圖6 2種方案下水煤漿提濃的經(jīng)濟效益對比

4 結(jié) 語

（1）水煤漿濃度的提升可以使氣化裝置獲得不錯的經(jīng)濟效益，但實際生產(chǎn)中，由于氣化爐的爐型已經(jīng)確定以及受原料煤源的限制，因此水煤漿濃度提升只能在有限的范圍內(nèi)進行。

（2）添加劑成本對氣化裝置運行經(jīng)濟性的影響較大，伴隨著水煤漿濃度的提升，添加劑成本在增效額中占比逐漸增大；當(dāng)水煤漿濃度超過60.0%時，榮信化工提升水煤漿濃度已不僅僅是需要解決技術(shù)方面的問題，更需要對氣化裝置運行的經(jīng)濟性重新進行考量。

（3）榮信化工水煤漿濃度提升的2種方案中，增產(chǎn)方案 （提高干基投煤量）所帶來的經(jīng)濟效益遠(yuǎn)高于降耗方案 （維持干基投煤量，僅降低水量）產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。