運(yùn)用系統(tǒng)思維解決煤化工企業(yè)實(shí)際難題的研究

孫 剛,石文峰,王星星,王晉亮

(晉能集團(tuán)華昱能源化工有限責(zé)任公司， 山西晉城 048000)

“系統(tǒng)思維”也叫整體思維，是一種宏觀、多樣化思考和解決問(wèn)題的方式。在煤化工企業(yè)中，可以利用系統(tǒng)思維整體倒映局部，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)資源重新搭配以實(shí)現(xiàn)“整體大于部分的簡(jiǎn)單總和”效應(yīng)，提高生產(chǎn)裝置運(yùn)行水平[1]。

1 難以發(fā)現(xiàn)并鎖定工藝氣放空閥泄漏問(wèn)題

1.1 查漏困難和解決方案

煤化工企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)，裝置中安全閥、放空閥數(shù)量多，一旦這些閥門發(fā)生泄漏，會(huì)導(dǎo)致大量有效氣體進(jìn)入火炬燃燒，造成成本浪費(fèi)。傳統(tǒng)檢漏方法是操作人員利用測(cè)溫槍檢測(cè)放空閥后溫度，如高于環(huán)境溫度則判斷閥門泄漏。但是，該方法無(wú)法檢測(cè)常溫氣體的放空閥是否內(nèi)漏，同時(shí)由于放空閥或安全閥數(shù)量眾多，生產(chǎn)企業(yè)做不到每天檢測(cè)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要逐個(gè)閥門測(cè)量溫度，工作量大、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，增加了人力成本[2-3]。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐探索和總結(jié)，運(yùn)用系統(tǒng)思維創(chuàng)立了一種快速發(fā)現(xiàn)并鎖定泄漏閥門的方法，即通過(guò)建立火炬總管的排放監(jiān)控機(jī)制，就能快速鎖定內(nèi)漏部位。監(jiān)控機(jī)制為：將所有至火炬的排放口氣體組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并建表，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行一次泄漏普查，確認(rèn)各排口無(wú)非正常排放；在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)火炬末端總管進(jìn)行取樣分析，將無(wú)泄漏時(shí)的火炬氣體組分作為背景氣；定期對(duì)火炬末端總管的氣體進(jìn)行取樣分析，當(dāng)某些氣體組分發(fā)生大幅度變化時(shí)，很快就能鎖定火炬沿線中存在泄漏的具體裝置。

1.2 零成本的創(chuàng)新產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益

2019年，晉能集團(tuán)華昱能源化工有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱華昱公司)通過(guò)定期的火炬氣體組分全分析，發(fā)現(xiàn)其中CO2體積分?jǐn)?shù)由正常的14%上漲至27%，CO、H2含量小幅度上漲，其它氣體組分未明顯變化。根據(jù)該情況，立即判斷為變換爐后的煤氣系統(tǒng)存在內(nèi)漏。經(jīng)過(guò)取樣分析火炬氣體組分，與放空背景氣對(duì)比，鎖定為變換出口安全閥泄漏。隨即對(duì)安全閥進(jìn)行離線調(diào)校，最終解決泄漏問(wèn)題。經(jīng)核算，當(dāng)時(shí)該安全閥泄漏工藝氣體積流量達(dá)到了3 200 m3/h，處理后，甲醇產(chǎn)量提升了1 t/h，僅此一項(xiàng)放空的控制，全年就能創(chuàng)造近1 500萬(wàn)元的效益。

上述事例表明該火炬系統(tǒng)排放監(jiān)控機(jī)制能迅速排查系統(tǒng)存在的泄漏。在不增加任何投資的情況下，僅通過(guò)管理模式的創(chuàng)新，就杜絕了火炬系統(tǒng)長(zhǎng)期內(nèi)漏且無(wú)法得到有效監(jiān)控的問(wèn)題，為大型化工項(xiàng)目的高效運(yùn)行提供保障。

2 航天爐節(jié)能降耗問(wèn)題

2.1 從追求更多有效氣到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)行

在氣流床氣化爐的操作中，由于物料停留時(shí)間短，氧煤比是直接反應(yīng)爐溫、粗合成氣有效氣含量的關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，由于使用高硫無(wú)煙煤，氧煤比還關(guān)系到排渣是否順暢等諸多問(wèn)題。在項(xiàng)目運(yùn)行初期，氧煤比的控制基本只參考爐膛溫度，經(jīng)常由于氧煤比過(guò)低造成粗合成氣有效氣成分升高、煤耗大幅度上升的情況；或者由于氧煤比過(guò)高造成粗合成氣有效氣成分大幅度降低的情況[4]。

在分析大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上改變思維方式，建立最經(jīng)濟(jì)氧煤比控制的數(shù)學(xué)模型。在數(shù)據(jù)庫(kù)中需引入煤氣產(chǎn)量(干基)、煤氣有效氣組分、入爐煤消耗量、氧氣消耗量、有效氣產(chǎn)量、入爐煤固定碳含量、入爐煤灰熔點(diǎn)流動(dòng)溫度等諸多參數(shù)。對(duì)運(yùn)行1 a來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，引入煤炭?jī)r(jià)格，核算有效氣單價(jià)最低情況下的氧煤比，計(jì)算出合適的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。數(shù)學(xué)模型建立后，只需輸入每天入爐煤的固定碳含量，就能得出最佳的氧煤比控制參數(shù)。同時(shí)，考慮到氣化爐的安全，還在模型中引入渣口壓差的閥值，當(dāng)核算出其值大于40 kPa時(shí)，適當(dāng)調(diào)整氧煤比。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

該運(yùn)行優(yōu)化思路創(chuàng)新性引入了“最經(jīng)濟(jì)氧煤比”的運(yùn)行控制概念，大幅提升了氣化裝置的經(jīng)濟(jì)效益。目前，單位有效氣的煤耗大幅度下降，比煤耗(千方凈化氣耗煤量)由最初的685 kg/km3以上降至604 kg/km3左右。

3 航天爐細(xì)渣的綜合利用問(wèn)題

3.1 航天爐系統(tǒng)產(chǎn)量大、處理費(fèi)用高

華昱公司全年航天爐產(chǎn)生細(xì)渣(干基)總計(jì)為13.5萬(wàn)t以上。原本采用真空帶濾系統(tǒng)對(duì)航天爐沉降槽內(nèi)的煤泥水進(jìn)行脫水處理。經(jīng)真空帶濾系統(tǒng)脫水后的煤泥，其含水率和殘?zhí)悸示鶠?0%～50%(與煤質(zhì)有關(guān))。因?yàn)槊耗嗪幸欢嶂?12 558 kJ左右)，部分公司對(duì)外銷售。在缺煤地區(qū)銷售價(jià)格為10～50元/t，但在富煤地區(qū)基本無(wú)法對(duì)外銷售，處于需要付錢處理的尷尬境地。

華昱公司顛覆傳統(tǒng)航天爐細(xì)渣處理方式，采用離心機(jī)+煤泥回用裝置，重新優(yōu)化組合化工行業(yè)較為成熟的工藝，同時(shí)解決了不同工藝路線間的銜接配套問(wèn)題。離心機(jī)為單系列設(shè)備，煤泥脫水過(guò)程中無(wú)需輔助設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定性高，其運(yùn)行成本僅為真空帶濾系統(tǒng)的25%。利用離心機(jī)，脫水后的煤泥含水率維持在40%～50%，并且還富含大量的表面水，完全具備直接進(jìn)入煤泥回用系統(tǒng)的條件。同時(shí)，對(duì)煤泥熱值利用率不高的情況進(jìn)行研討論證，改變煤泥回用的方式，通過(guò)采用在鍋爐中部密相區(qū)(較入煤點(diǎn)高800 mm的位置)進(jìn)煤泥，保障了煤泥的充分燃燒，大幅度降低了鍋爐煤耗，將細(xì)渣的熱值利用最大化。由于在密相區(qū)進(jìn)煤泥，還有效控制了爐膛溫度，特別采用無(wú)煙煤做燃料的循環(huán)流化床鍋爐，將爐膛溫度控制在900 ℃左右，真正實(shí)現(xiàn)了鍋爐的低氮燃燒，同時(shí)脫硝氨水用量大幅度下降。

對(duì)比目前各類細(xì)渣回收利用技術(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 細(xì)渣回收利用技術(shù)對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以華昱公司為例，每年消耗180萬(wàn)t原料煤，產(chǎn)生不低于13.5萬(wàn)t的航天爐細(xì)渣(干基)。煤泥項(xiàng)目投運(yùn)后，蒸汽燃料煤耗下降至少10 kg/t，全年節(jié)省燃料煤質(zhì)量為2.7萬(wàn)t，僅此一項(xiàng)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為1 471萬(wàn)元。13.5萬(wàn)t航天爐細(xì)渣實(shí)際需要倒運(yùn)的質(zhì)量近22萬(wàn)t，經(jīng)改造細(xì)渣不再需要短倒，每年可節(jié)省330萬(wàn)元。另外，投用煤泥后鍋爐爐溫降低明顯，實(shí)現(xiàn)了鍋爐在燒無(wú)煙煤時(shí)的低碳燃燒，全年可節(jié)省脫硝氨水近 4 000 t，節(jié)省費(fèi)用120萬(wàn)元。因此，細(xì)渣綜合利用項(xiàng)目投運(yùn)后，每年創(chuàng)造近2 000萬(wàn)元的綜合收益。

3.3 環(huán)境友好

由于煤泥含水量大，短倒過(guò)程中煤泥水流至地面，造成廠區(qū)環(huán)境污染。由于煤泥均堆放在廠外渣場(chǎng)，煤泥顆粒非常細(xì)，風(fēng)干后在極端天氣下易造成揚(yáng)塵，影響周邊環(huán)境。同時(shí)，廠外渣場(chǎng)容量有限，渣場(chǎng)不斷擴(kuò)容也對(duì)周邊環(huán)境造成很大安全隱患。該項(xiàng)目投運(yùn)后，航天爐細(xì)渣全部回用至鍋爐，煤泥不再落地和短倒，廠區(qū)及周邊環(huán)境得到極大改善。

4 循環(huán)水系統(tǒng)管理優(yōu)化問(wèn)題

華昱公司一體化循環(huán)水設(shè)計(jì)循環(huán)體積流量為55 000 m3/h，原本滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要開4臺(tái)循環(huán)水泵(13 585 m3/h，2 500 kW)才能滿足要求。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一體化循環(huán)水上水和回水間的溫差較低，只有6 K左右。通過(guò)系統(tǒng)思維，在滿足系統(tǒng)換熱要求的情況下，通過(guò)關(guān)小部分換熱器出口閥和提高水冷器循環(huán)水進(jìn)出口溫差等方式，充分挖掘水冷器的換熱能力，使一體化循環(huán)水上水和回水間溫差達(dá)到10 K，此時(shí)一體化循環(huán)水循環(huán)量大幅下降，系統(tǒng)滿負(fù)荷工況下僅需3臺(tái)一體化循環(huán)水泵運(yùn)行。通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)管理優(yōu)化，全年節(jié)約用電2 040萬(wàn)kW·h，降低運(yùn)行成本達(dá)1 020萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在煤化工企業(yè)中運(yùn)用系統(tǒng)思維，不拘泥一城一池的得失，可以解決很多局部難題，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。