基于統(tǒng)計過程控制的干粉氣化爐新煤種試燒效果分析

嚴(yán) 巍，王 瀟，王軍委，劉 臻，彭寶仔，

(1.國能銷售集團(tuán)華東能源有限公司，上海 200025；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

氣流床干粉加壓氣化技術(shù)具有熱效率高、碳轉(zhuǎn)化率高、氣化煤要求低等優(yōu)點[1-3]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制合成氨等煤化工相關(guān)領(lǐng)域[4，5]。由于氣化原煤煤質(zhì)本身的不均勻性，干粉氣化爐運行過程中不可避免地存在波動，對氣化爐運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6-8]。為解決氣流床干粉氣化的“煤-爐”不匹配問題，國能銷售集團(tuán)公司開發(fā)了一種氣化煤新牌號—神優(yōu)3煤，旨在以神優(yōu)3煤作為干粉氣化的主要煤種，可單獨作為氣化煤或與其他煤種靈活摻配使用，提升煤種與氣化爐的適應(yīng)性，以確保干粉氣化爐長周期穩(wěn)定運行。然而，作為一個干粉氣化新牌號煤種，在大規(guī)模應(yīng)用前開展工業(yè)試燒是必不可少的步驟[9-11]，因此，神優(yōu)3煤在氣化過程中的穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步考察和驗證。

統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control，簡稱SPC)是指采用統(tǒng)計分析技術(shù)手段，對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析和控制的一種方法，通過對生產(chǎn)過程穩(wěn)定性分析，幫助系統(tǒng)維持在穩(wěn)定的受控狀態(tài)[12，13]。近年來，SPC方法已取得長足的進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用到石油化工、煤化工、食品加工、制藥和機(jī)械加工等眾多領(lǐng)域[14-16]。趙用明等[17]采用SPC方法對100 t/a規(guī)模費托合成中試應(yīng)用場景研究表明，物料平衡、新鮮氣氫碳比、反應(yīng)壓力和反應(yīng)溫度等參數(shù)達(dá)到受控狀態(tài)時，過程指標(biāo)和能力得到顯著提高，SPC方法對過程中波動的消除和穩(wěn)定控制具有指導(dǎo)作用。劉磊等[18]對SPC方法在連續(xù)過程中的應(yīng)用分析表明，該方法可實現(xiàn)較為理想的工業(yè)過程監(jiān)視和分析。高新江等[19]采用SPC方法對復(fù)雜多變的石化裝置操作過程，分別進(jìn)行了質(zhì)量分析、偏離點分析、異常診斷和過程穩(wěn)定性等參數(shù)操作分析，較好地解決了石化行業(yè)操作過程難以評估的問題。以上研究表明，SPC分析方法對于提高依靠計算機(jī)數(shù)字化信息采集的生產(chǎn)過程質(zhì)量和安全性，具有重要意義[20，21]。

本研究針對神優(yōu)3煤在四臺干粉氣化爐的氣化試燒過程，選擇影響氣化爐運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如粉煤流量、氧煤比、氣化爐壓力、激冷室液位、氣化爐渣口壓差、甲烷含量、有效氣含量以及蒸汽產(chǎn)量等進(jìn)行SPC分析，以便定量評估神優(yōu)3煤在干粉氣化爐氣化過程中的運行穩(wěn)定性。

1 統(tǒng)計過程控制方法

1.1 受控率

受控率(f)是指過程數(shù)據(jù)在受控范圍的數(shù)量占全部過程數(shù)據(jù)數(shù)量的百分比，是表達(dá)過程數(shù)據(jù)在受控范圍內(nèi)的程度。受控范圍以過程數(shù)據(jù)的平均值為分布中心，以上下3倍標(biāo)準(zhǔn)差(σ)為過程數(shù)據(jù)受控范圍的上下限值。

1.2 過程能力指數(shù)

T=USL-LSL

(5)

式中，ε為偏移量；M為設(shè)計值；USL為設(shè)計控制范圍上限；T為控制范圍。

過程能力指數(shù)Cpk表示過程數(shù)據(jù)平均值與控制范圍發(fā)生偏移的大小，其中Cpk值越大表示過程能力越優(yōu)，Cpk值的評級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 過程能力指數(shù)Cpk的評級標(biāo)準(zhǔn)

1.3 分析方法

神優(yōu)3煤在干粉氣化爐中運行的穩(wěn)定性主要采用上述提及的受控率和過程能力指數(shù)來評價。考慮到氣化過程不穩(wěn)定多數(shù)是由煤灰熔渣排渣不暢造成的，從影響排渣及預(yù)估的灰渣量來分析，明確了本次神優(yōu)3煤氣化試燒時間為120 h。此外，根據(jù)該廠氣化裝置報警一覽表和氣化崗位操作的設(shè)計值和控制范圍分析，評價過程涉及的主要參數(shù)及其設(shè)計值和控制范圍上下限見表2。

表2 氣化過程穩(wěn)定性評價主要參數(shù)的設(shè)計值和控制范圍

2 試燒結(jié)果分析

2.1 氣化原煤分析

該廠配置4臺干粉氣化爐(分別命名為1#、2#、3#和4#氣化爐)，單爐日處理原煤均為2000 t，工業(yè)試驗過程采用神優(yōu)3煤作為主要煤種，其元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表3。

表3 神優(yōu)3煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果 %

開展工業(yè)試驗前，開展了神優(yōu)3煤對CO2的反應(yīng)性分析，結(jié)果見表4。當(dāng)氣化溫度低于900 ℃時，神優(yōu)3煤的二氧化碳反應(yīng)性較低，小于48.7%；當(dāng)氣化溫度升至1050 ℃以上時，該煤樣的CO2反應(yīng)活性達(dá)到90%以上。

2.2 主要過程參數(shù)的統(tǒng)計過程控制分析

氣化過程主要參數(shù)的運行數(shù)據(jù)由DCS采集，數(shù)據(jù)采集周期為每2 min一次。經(jīng)分析，獲得的1#、2#、3#和4#氣化爐運行的主要參數(shù)受控率和過程能力指數(shù)分別如圖1和圖2所示。對各主要參數(shù)進(jìn)行了逐一分析，以評價其穩(wěn)定性和出現(xiàn)波動的原因。

圖1 干粉氣化爐氣化過程主要參數(shù)的受控率

圖2 干粉氣化爐氣化過程能力參數(shù)

2.2.1 粉煤流量

2.2.2 氧煤比

從氧煤比的統(tǒng)計結(jié)果可知，4臺氣化爐氧煤比的受控率均大于98%，該結(jié)果表明氣化過程中氧煤比運行處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，氧氣輸送和粉煤輸送系統(tǒng)運行較穩(wěn)定。由于氧煤比主要用于調(diào)節(jié)氣化爐溫度的作用，故由此也說明氣化爐內(nèi)的溫度也處于穩(wěn)定狀態(tài)。但從過程能力指數(shù)來看，1#、2#和3#氣化爐氧煤比的過程能力指數(shù)均小于0.67，而4#氣化爐的氧煤比過程能力指數(shù)也僅為0.90，表明這4臺氣化爐的氧煤比過程能力指數(shù)較差。經(jīng)分析，氧氣流量計經(jīng)校準(zhǔn)誤差極小，故造成氧煤比過程能力指數(shù)太差的原因，可能與輸煤管線的粉煤流量計的計量誤差有關(guān)。

2.2.3 氣化爐壓力

從氣化爐的氣化壓力統(tǒng)計結(jié)果可以看出，試驗中4臺氣化爐的氣化壓力平均值分別為3.82、3.75、3.77和3.82 MPa，且受控率均大于99%，其中4#氣化爐壓力受控率達(dá)到100%，由此表明氣化爐壓力處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，而其過程能力指數(shù)顯示均大于2，表明氣化爐壓力的過程能力特優(yōu)。從表2中氣化爐壓力的控制上下限范圍可知，氣化爐壓力設(shè)計控制范圍為0～4.3 MPa，但實際運行過程中氣化爐壓力波動范圍在3.6～4.0 MPa，波動上下限均較大地偏離設(shè)計控制范圍，這可能是氣化爐壓力過程能力特優(yōu)的主要原因。因此，為更好地提升氣化運行過程能力，建議調(diào)整氣化爐壓力設(shè)計控制范圍。

2.2.4 激冷室液位

從各氣化爐的激冷室液位統(tǒng)計結(jié)果可知，4#氣化爐的激冷室液位受控率為97.33%，其余3臺氣化爐的激冷室液位受控率大于99%，由此表明氣化爐激冷室液位基本處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。但4臺氣化爐激冷室液位的過程能力指數(shù)均小于0.67，且其中1#氣化爐和3#氣化爐激冷室液位的過程能力指數(shù)小于0，由此表明氣化爐激冷室液位過程能力太差。經(jīng)分析，實際運行氣化爐激冷室液位平均為23.53%，低于設(shè)計控制下限28%，這可能與氣化爐結(jié)構(gòu)有關(guān)，合成氣流速過快將氣化爐激冷室的水帶走，造成激冷室液位偏低。

2.2.5 渣口壓差

從各氣化爐的渣口壓差統(tǒng)計結(jié)果可知，4臺氣化爐的渣口壓差受控率均大于98%，該結(jié)果表明各氣化爐渣口壓差均處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。但1#、2#和4#氣化爐渣口壓差過程能力指數(shù)分別為-0.26、0.66和0.68，表明該三臺氣化爐的渣口壓差過程能力太差，而3#氣化爐的渣口壓差過程能力指數(shù)為1.60，表明其渣口壓差過程能力良。

2.2.6 蒸汽產(chǎn)量

從各氣化爐的蒸汽產(chǎn)量統(tǒng)計結(jié)果可知，4臺氣化爐的蒸汽產(chǎn)量運行數(shù)據(jù)受控率都大于99%。由于蒸汽產(chǎn)量通常也反映氣化爐的氣化溫度，由此說明氣化溫度處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。另外，1#、2#和4#氣化爐的蒸汽產(chǎn)量過程能力指數(shù)分別為0.87、0.99和0.97，說明這三臺氣化爐的蒸汽產(chǎn)量過程能力差，而3#氣化爐的蒸汽產(chǎn)量過程能力指數(shù)為1.26，表明其過程能力狀態(tài)一般。

2.2.7 合成氣甲烷含量

1#氣化爐氣化過程中合成氣的甲烷含量變化如圖3所示，由圖3的甲烷含量波動情況可知，1#氣化爐合成氣中的甲烷含量基本圍繞平均值在上下限內(nèi)波動，而從圖1中各氣化爐甲烷含量統(tǒng)計結(jié)果也可知，其受控率均在97%以上，而從圖2展示的各氣化爐合成氣的甲烷含量過程能力指數(shù)都小于0.67。由此表明氣化爐產(chǎn)生的合成氣中甲烷含量過程能力控制也較差，甲烷含量與其控制范圍發(fā)生嚴(yán)重偏移。經(jīng)分析，造成這個問題的原因可能與甲烷含量的測量精度有關(guān)。

圖3 氣化過程中甲烷含量變化

2.2.8 合成氣的有效氣含量

從各氣化爐的有效氣含量統(tǒng)計結(jié)果可知，4臺氣化爐的有效氣含量受控率都大于99%，均處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，其有效氣含量的均值約為89%，且2#、3#和4#氣化爐的有效氣含量過程能力指數(shù)都大于1，其中4#氣化爐有效氣含量過程能力指數(shù)大于2，這表明4#氣化爐有效氣含量過程能力特優(yōu)。但1#氣化爐有效氣含量過程能力指數(shù)只有0.69，可能是由于氣體分析儀故障，造成CO和H2結(jié)果突然出現(xiàn)顯示為0的異常值，而后迅速恢復(fù)正常顯示，如圖4所示。

圖4 氣化過程中有效氣體含量均值

3 結(jié) 論

1)采用統(tǒng)計過程分析方法評價了神優(yōu)3煤在氣化過程中的穩(wěn)定性，結(jié)果展示氣化過程各主要工藝參數(shù)的受控率均在95%以上，該結(jié)果表明神優(yōu)3煤用于氣流床干粉氣化爐具有較好的運行穩(wěn)定性，與干粉氣化爐具有良好的“煤-爐”匹配性和適應(yīng)性。

2)為進(jìn)一步提升氣化過程控制質(zhì)量，對評價過程中過程能力指數(shù)偏小的參數(shù)指標(biāo)，如煤粉流量、氣化爐激冷室液位和甲烷含量等進(jìn)行原因分析，建議提升粉煤流量和甲烷含量的測量儀的準(zhǔn)確性，優(yōu)化氣化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小合成氣對液體的夾帶；而對過程能力指數(shù)偏大的參數(shù)指標(biāo)，如氣化爐壓力和合成氣中有效氣含量，因其設(shè)定的控制范圍遠(yuǎn)超實際運行區(qū)間，建議縮小控制范圍上下限。