沈文臻,劉 璐,吳劍英,李兵科

(1.上海華誼集團(tuán)安全環(huán)保中心， 上海 201108； 2.北京航天動(dòng)力研究所， 北京 100076；3.上海焦化有限公司， 上海 201100)

水煤漿氣化技術(shù)是典型的新型煤氣化技術(shù)，在我國(guó)煤制甲醇、尿素、油品等煤化工領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用[1-2]。水煤漿氣化爐是水煤漿氣化技術(shù)的核心裝置，其運(yùn)行條件嚴(yán)苛(高壓2.8 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa，高溫1 200～1 450 ℃，氧氣純度>99.5%等)[2]。水煤漿氣化裝置不僅對(duì)工藝原料、系統(tǒng)組成設(shè)備的性能要求高，而且對(duì)設(shè)備操作管理水平要求也很高。

隨著水煤漿氣化技術(shù)在我國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用，水煤漿氣化裝置操作隊(duì)伍技術(shù)水平日益提高。水煤漿氣化裝置開(kāi)車(chē)運(yùn)行越來(lái)越平穩(wěn)，現(xiàn)在水煤漿氣化裝置開(kāi)車(chē)周期絕大多都在60 d左右，達(dá)到80～90 d的很少[3-5]。企業(yè)為達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，對(duì)水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需求越來(lái)越強(qiáng)。裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，不僅要求裝置操作隊(duì)伍的技術(shù)水平達(dá)標(biāo)，也離不開(kāi)裝置中制約運(yùn)行時(shí)間的關(guān)鍵設(shè)備達(dá)標(biāo)。

目前，水煤漿氣化裝置中，工藝燒嘴是制約裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。上海焦化有限公司以長(zhǎng)壽命工藝燒嘴為基礎(chǔ)，結(jié)合多項(xiàng)水煤漿氣化裝置設(shè)備，使4.0 MPa水煤漿氣化爐在2006年、2010年分別實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行95 d、130 d的業(yè)績(jī)。

基于上海焦化有限公司的水煤漿氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行業(yè)績(jī)，氣化裝置運(yùn)行周期由60 d優(yōu)化為90 d、120 d具備了充分的實(shí)施基礎(chǔ)和條件?，F(xiàn)在，對(duì)水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行做節(jié)能減排分析，為其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益評(píng)估提供參考。

1 影響水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要素

影響水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行有煤種等工藝原料適用穩(wěn)定性、人員操作水平、系統(tǒng)組成設(shè)備穩(wěn)定性[3]3個(gè)方面。經(jīng)過(guò)多年水煤漿氣化爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，在煤種等工藝原料適用穩(wěn)定性和人員操作水平上已達(dá)到先進(jìn)水平?，F(xiàn)階段在系統(tǒng)組成設(shè)備穩(wěn)定性上，主要存在工藝燒嘴壽命短、氣化爐磚及內(nèi)件壽命短等問(wèn)題。

水煤漿氣化技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與進(jìn)步，氣化爐磚及內(nèi)件壽命從原來(lái)的半年提升到1 a以上，而工藝燒嘴壽命因燒嘴工況惡劣、材料進(jìn)步緩慢、燒嘴結(jié)構(gòu)創(chuàng)新困難等原因受制約。整個(gè)水煤漿氣化行業(yè)，工藝燒嘴壽命周期絕大多都在60 d左右[3-5]。

綜上分析，現(xiàn)階段工藝燒嘴壽命是制約水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。許多科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行攻關(guān)，努力提高工藝燒嘴壽命[6-9]。上海華誼集團(tuán)(上海焦化)聯(lián)合北京航天動(dòng)力研究所，針對(duì)水煤漿氣化工藝燒嘴做了多項(xiàng)提高壽命的創(chuàng)新探索，4.0 MPa氣化爐已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)單周期連續(xù)運(yùn)行95 d、130 d的業(yè)績(jī)，為水煤漿氣化裝置實(shí)現(xiàn)90 d、120 d開(kāi)車(chē)周期積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2 水煤漿氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行對(duì)比分析

眾多水煤漿氣化技術(shù)由TEXACO技術(shù)發(fā)展而來(lái)[1-2]。最初,TEXACO技術(shù)為防止氣化爐停車(chē)設(shè)置備用爐(2開(kāi)1備或3開(kāi)1備)，并將備用爐設(shè)計(jì)在700～800 ℃熱態(tài)備用。目前，國(guó)內(nèi)水煤漿氣化工藝仍然設(shè)置備用爐，并進(jìn)行科學(xué)的停爐倒?fàn)t，但已將備用爐由熱態(tài)改為冷態(tài)備用，節(jié)約了大量的燃料消耗。

水煤漿氣化爐運(yùn)行周期由60 d優(yōu)化為90 d、120 d后，對(duì)比分析裝置節(jié)能減排的數(shù)據(jù)，研究其意義。

2.1 氣化裝置節(jié)能降耗對(duì)比

(1) 燃料與人力成本費(fèi)用

氣化爐在單個(gè)運(yùn)行周期后按計(jì)劃停車(chē)，在停爐前需對(duì)備用爐進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)備用爐進(jìn)入工作狀態(tài)后，再切換生產(chǎn)線。在停爐倒?fàn)t時(shí)，備用爐烘爐達(dá)到投料溫度800 ℃后，水煤漿氣化爐半負(fù)荷投料，所產(chǎn)合成氣放空燃燒，達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力與負(fù)荷狀態(tài)后，將合成氣快速切換為生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)原料。從備用爐投料到切換，會(huì)有大量的合成氣被放空燃燒,造成浪費(fèi)。

本文以天然氣作為氣化爐烘爐燃料，分析研究水煤漿氣化烘爐情況。根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，列出氣化爐不同運(yùn)行周期的燃料與人工費(fèi)用(見(jiàn)表1)。其中,氣化爐每次烘爐燃料費(fèi)包括每臺(tái)氣化爐烘爐燃料氣、開(kāi)車(chē)后放空合成氣等產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用。

表1 單臺(tái)氣化爐不同運(yùn)行周期的燃料與人力費(fèi)用

由表1可見(jiàn)：水煤漿氣化爐實(shí)現(xiàn)90 d、120 d運(yùn)行周期后，相比原60 d運(yùn)行周期，單臺(tái)氣化爐停爐倒?fàn)t費(fèi)用將分別節(jié)省40%、60%。

(2) 工藝燒嘴維修成本費(fèi)用

氣化爐在一個(gè)運(yùn)行周期按計(jì)劃停車(chē)后，對(duì)氣化爐整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，并對(duì)工藝燒嘴進(jìn)行維修。氣化爐不同運(yùn)行周期的相關(guān)檢查維修費(fèi)用見(jiàn)表2所示。

表2 單臺(tái)氣化爐不同運(yùn)行周期的檢查維修費(fèi)用

由表2可見(jiàn):水煤漿氣化爐實(shí)現(xiàn)90 d、120 d運(yùn)行周期后，相比原60 d運(yùn)行周期，單臺(tái)氣化爐檢查維修費(fèi)用將分別節(jié)省29.09%、52.73%。

2.2 氣化裝置運(yùn)行效率對(duì)比

目前，水煤漿氣化技術(shù)裝置的氣化爐大多為3開(kāi)1備，有的用戶(hù)為5開(kāi)2備。氣化爐運(yùn)行時(shí)間、開(kāi)車(chē)與備用數(shù)量決定了水煤漿氣化技術(shù)裝置的運(yùn)行效率。

對(duì)配備多臺(tái)水煤漿氣化爐的用戶(hù)，氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行，3～4月進(jìn)行一次停爐倒?fàn)t，將使裝置運(yùn)行方案更加靈活，有效提升使用效率。

對(duì)于氣化爐(3開(kāi)1備)，為了保證裝置的連續(xù)運(yùn)行，設(shè)置4臺(tái)氣化爐開(kāi)停車(chē)的先后順序，一般將停車(chē)氣化爐的檢修、備用周期設(shè)置為20 d。實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行后，氣化爐檢修、備用周期可以延長(zhǎng)到30 d。表3列出氣化爐(3開(kāi)1備)不同運(yùn)行周期的裝置運(yùn)行效率對(duì)比數(shù)據(jù),其中1 a按360 d計(jì)算。

表3 氣化爐(3開(kāi)1備)運(yùn)行效率對(duì)比

由表3可見(jiàn):氣化爐實(shí)現(xiàn)90 d、120 d運(yùn)行周期后，相比原60 d運(yùn)行周期，氣化爐(3開(kāi)1備)整體運(yùn)行效率將分別提升5.56%、11.11%。

對(duì)于氣化爐(5開(kāi)2備)的裝置，實(shí)現(xiàn)90 d或120 d長(zhǎng)周期運(yùn)行后，可以實(shí)現(xiàn)6開(kāi)1備。以運(yùn)行數(shù)量計(jì)量，氣化裝置(6開(kāi)1備)運(yùn)行效率為85.71%，相比氣化裝置(5開(kāi)2備)，運(yùn)行效率提高14.28%。

2.3 氣化裝置的CO2減排對(duì)比

水煤漿氣化爐實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行后，每臺(tái)氣化爐減少停車(chē)次數(shù)，不僅節(jié)省烘爐燃料，還節(jié)省每次倒?fàn)t前放空、燃燒排放的氣化爐合成氣，即減少水煤漿氣化裝置CO2的排放，對(duì)企業(yè)的碳減排具有重大意義。

對(duì)于各種燃料，二氧化碳排放量公式[10-12]為:

MCO2=α×Mf

(1)

式(1)中，MCO2為CO2排放量，t；Mf為燃料燃燒用量，t；α為碳排放系數(shù)，天然氣碳排放系數(shù)為0.448 3，氣化爐合成氣參考其他煤氣排放系數(shù)為0.354 8[11]。

水煤漿氣化爐粗合成氣為CO、H2與CO2等組成的混合氣體，典型成分見(jiàn)表4?；旌蠚怏w的平均分子量由式(2)計(jì)算[13]。

表4 4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐粗合成氣典型成分

m=m1ω1+m2ω2+m3ω3+ … +mnωn

(2)

式(2)中，m1、m2、…、mn為第1種、第2種、…第n種氣體的分子質(zhì)量，ω1，ω2、…、ωn為第1種、第2種、…第n種氣體所占的體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，粗合成氣產(chǎn)量為43 200 m3/h。烘爐達(dá)到投料溫度800 ℃后，氣化爐半負(fù)荷投料，所產(chǎn)合成氣放空燃燒，按計(jì)劃運(yùn)行1 h后,切換到生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)合成氣原料。由式(1)、式(2)進(jìn)行CO2排放量核算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 4.0 MPa水煤漿500 t/d氣化爐CO2排放

根據(jù)表5，分別對(duì)3開(kāi)1備、5開(kāi)2備氣化爐90 d、120 d運(yùn)行周期后的氣化爐烘爐倒?fàn)tCO2減排量核算，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同數(shù)量氣化爐烘爐CO2減排對(duì)比

由表6可見(jiàn)：水煤漿氣化爐實(shí)現(xiàn)90 d、120 d運(yùn)行周期后，相比原60 d運(yùn)行周期，對(duì)用戶(hù)的氣化爐系統(tǒng)CO2減排率分別可達(dá)40%和60%，碳減排效果非常顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

提高水煤漿氣化爐運(yùn)行周期，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，開(kāi)車(chē)周期由60 d優(yōu)化為90 d、120 d，停爐倒?fàn)t費(fèi)節(jié)省40%、60%，檢查維修費(fèi)節(jié)省29.09%、52.73%，對(duì)氣化爐(3開(kāi)1備)整體運(yùn)行效率可提升5.56%、11.11%，對(duì)于氣化爐(5開(kāi)2備)整體運(yùn)行效率可提升14.27%。

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行后，開(kāi)車(chē)周期由60 d優(yōu)化為90 d、120 d，氣化爐系統(tǒng)CO2減排率分別為40%和60%，碳減排效果非常顯著，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。