氧煤比对壳牌干粉煤气化技术经济运行影响分析

壳牌干粉煤气化技术是一项受到广泛认可的煤炭清洁转化技术，数年来，科研工作者在煤种适应性、设备结构、操作优化等方面开展了大量研究，同时利用ASPEN PLUS、PRO Ⅱ等化工模拟软件中丰富的物性数据和严格的热力学估算模型对气化过程的物料平衡和热力学平衡进行了广泛研究，取得了丰硕的研究成果，但多数模拟研究基于Gibbs自由能最小化原理，虽然通过调整热损失、物性方法、提供合理假设得出与实际生产近似的模拟结果，但并不能完全反映生产情况，特别是对N2工况下的模拟结果偏离生产较大[1-4]。

企业为掌握行业竞争优势，必须致力于降低产品成本，相关经济学者对企业的成本涉及到的局部环节和产品生命周期的成本控制方法均进行了广泛而深入的研究[5]，然而专门针对化工企业工艺管理对制造成本控制影响的研究相对匮乏。本文以永利化工煤气化运行实际数据为基础，通过理论结合实际，得出气化炉较佳运行数据，为同行业生产提供参考。

多角度写——既从参与者（自己）的角度来写所见、所闻、所感，也从旁观者（他人）的角度来写；既从面上来写集体的表现，也从点上来写有特点的个体表现。

1　天津渤化永利壳牌煤气化技术

天津渤化永利化工现有2套壳牌干粉煤气化装置，单套气化炉装置的设计产气量为140 000 Nm3/h(CO+H2)，煤气化车间主要包括磨煤、气化和净化工序，且尤以气化工序物耗较高。以该公司2017年预算计，在有效气可控成本中，煤耗、氧耗和中压蒸汽单产所对应单项成本之和占到总成本的64.74%，可见，控制煤耗、氧耗和中压蒸汽单产对煤气化装置经济运行至关重要。

绍兴市燃气产业集团有限公司成立时间较短，下属各企业在材料管理方面还存在一些不足，需要作进一步的改进和努力.

壳牌气化炉内共分为三个反应区，分别是一次反应区、二次反应区和一、二次反应共存区，其中，一次反应区主要发生挥发分的燃烧和碳的部分燃烧反应，二次反应区内主要是未反应完的碳继续气化及一次反应区的产物进一步发生反应[6]。即炉内主要发生的反应有煤粉的裂解和挥发分的燃烧、固定碳与氧气的反应、固定碳与气化产物的反应以及炉内各气体之间的反应。总之，气化过程中包含复杂的化学反应，难以通过单一的动力学或者热力学公式来描述。

2　气化炉内反应

在气化工艺流程中，高压氮气或高压CO2将煤粉输送到气化炉中，与氧气进行气化反应，生产出的粗煤气进一步降温后进行除灰、湿洗，得到合格粗煤气。同时，锅炉给水经气化炉水冷壁、输气管、冷却器换热后变成水汽混合物，并在汽包中实现分离，产生的中压蒸汽经过热器加热后成为过热中压蒸汽，部分自用，部分送入中压蒸汽管网。此外，气化炉的液态渣经激冷后最终被送至渣池。

3　气化炉操作控制

（1）基础能力：城乡规划中空间发展与数据依据之间关系的分析是基础能力。以往的定性分析，以及美学为基础的评判标准，已经不符合存量规划中，以问题为导向，以解决经济、社会、生态等多方面效率优化为目标，就不得不借助数据分析工具进行评判，这也使得城乡规划专业借助数据分析判断，成为基础的设计能力。

4　氧煤比对经济运行的影响

案例一：装置氧负荷为93%，采用的配煤方案为(同煤一45%∶蒙煤55%)∶(同煤二40%∶蒙煤60%)=1∶1，在氧煤比0.898～0.910范围内，粗煤气干气中有效气(CO+H2)、CO、H2和CO2随氧煤比变化情况如图1所示，对应氧煤比下煤耗、氧耗和中压蒸汽单产以及此三项的单项成本之和(下文图表标题简称三项成本)见图2和图3。

天津渤化永利化工两套装置氧煤比控制分别为0.9左右和0.8左右，本文以1#炉两种配煤方案为基础，在各自氧负荷、煤种、中压蒸汽管网压力、CO2载气等要素相同的情况下，分别采用实际生产数据对气化炉运行情况进行说明。

图1　案例一氧煤比对粗煤气成分影响

图2　案例一氧煤比对煤耗、氧耗和中压蒸汽单产的影响

图3　案例一氧煤比对三项成本的影响

由上图可知，在该氧煤比区间内，随着氧煤比的升高，粗煤气中有效气、氢气和一氧化碳含量变化一致，均呈现先升高后降低趋势，二氧化碳含量则呈现先降低后升高的趋势，氧煤比为0.902时，有效气含量最高。此外，煤耗、氧耗和中压蒸汽单产随着氧煤比的升高均呈现先降低后升高趋势。这可能是由于氧煤比升高加剧气化反应，有助于碳转化率升高，同时有利于碳和H2O(g)的蒸汽转化反应发生，使得CO和H2含量上升，而高温也造成变换反应平衡点左移，使得CO2和H2含量降低，CO含量升高，综合结果是有效气随着氧煤比的增加而增加，但随着氧煤比的进一步升高，系统中CO、H2进一步发生氧化反应，CO2含量上升，CO和H2含量降低，导致有效气含量呈现下降趋势，出现有效气含量最高点。尽管氧耗、煤耗和中压蒸汽单产与有效气含量呈现反向一致变化趋势，且分别在氧煤比为0.909、0.904、0.898时出现煤耗、氧耗最低点和中压蒸汽单产最高点，但由于随着炉温的升高，不仅气化反应发生变化，而且煤渣所带走的潜热和显热亦发生变化，导致锅炉给水吸收的热量相对发生变化，出现煤、氧气和中压蒸汽的单项成本之和并未与消耗一致变化的情况。

壳牌气化炉内的流场分布和气化产物不仅与烧嘴安装水平度、气化炉温度、压力、反应时间有关，还与进料组分的浓度、温度及理化性质有较大关联。由于气化炉用煤指标严格，很难长期采用单一煤种或者同一种配煤方案，多数企业需要长期更换气化用煤，这就导致企业必须不断调整气化参数，同时也增加了操作调控的多样化。天津渤化永利化工理论结合实际，考虑到气化炉压力对煤气化反应没有显著影响，气化工序操作时，主要是根据煤的特性及设备运行情况来调节氧煤比，进而稳定生产。随着氧煤比的增加，系统温度升高，相同停留时间下碳转化率升高，但对气化炉挂渣、排渣的影响逐渐增大，通常需根据气化炉水冷壁副产蒸汽量、中压蒸汽管网压力和粗煤气中CO2、CH4等含量来监测炉温，防止氧煤比过高。

案例二：装置氧负荷为94%，所用配煤方案为贫瘦煤：同煤∶蒙煤=15%∶30%∶55%，在氧煤比0.9063～0.9107范围内，粗煤气干气中有效气(CO+H2)、CO、H2和CO2随氧煤比变化的情况如图4所示，图5和图6为对应的煤耗、氧耗和中压蒸汽单产以及此三项的单项成本之和。

图4　案例二氧煤比对粗煤气成分影响

图5　案例二氧煤比对煤耗、氧耗和中压蒸汽单产的影响

图6　案例二氧煤比对三项成本影响

由图4～6可知，在该氧煤比区间内，随着氧煤比的升高，粗煤气中气体成分变化不明显，氧煤比为0.9096时，有效气含量最高，煤耗和氧耗小幅降低后上升，副产蒸汽量显著下降后上升，均在氧煤比为0.910时达到最低，此外，煤、氧气和中压蒸气的单项成本之和最低点所对应氧煤比亦为0.910。由上可知，方案二各项数据变化幅度较方案一小，结论基本相似，但此方案下，煤耗、氧耗和三项成本均在氧煤比为0.910时达到最低值，中压蒸汽单产在氧煤比为0.910时达到最高值。可见，生产条件及原料的变化或导致煤耗、氧耗和三项成本最低值出现在同一氧煤比。

5　结　论

气化炉内存在复杂的物理和化学反应，氧煤比变化将造成粗煤气干气有效气含量、煤耗、氧耗和中压蒸汽单产发生较大波动，而煤、氧气和副产中压蒸汽单项成本之和占壳牌干粉煤气化产有效气成本较大比例。随着氧煤比的升高，煤耗、氧耗和中压蒸汽单产呈现较一致的变化趋势，存在最优氧煤比使得有效气成本最低，本文案例一和案例二对应的使有效气三项成本最低的氧煤比分别为0.909和0.910，但该氧煤比未必对应最高有效气含量或者最低煤耗、氧耗，且不同负荷、不同煤质、不同壳牌气化炉对应的最优氧煤比也有所差异。各单位在生产运行中，应丰富理论知识，积累生产经验，不断分析生产数据，逐步优化不同生产条件下氧煤比，通过加强工艺技术管理来细化生产控制，实现生产经济运行。

（1）小语种人才失衡：对于一些热门语种出现很多考生积极报考，而一些冷门语种，如蒙古语、老挝语等则很少有人报考，造成了小语种人才分布的不均衡。

参考文献

[1]　卢丹，黄振宇，许建华，等. 基于系统分类的配煤灰熔融特性研究[J]. 中国电机工程学报，2010，30(8)：20-26

[2]　张宗飞，汤连英，吕庆元，等. 基于Aspen Plus的粉煤气化模拟[J]. 化肥设计，2008，46(3)：14-26

[3]　单贤根，任相坤，步学朋，等. Shell干粉煤气化过程模拟研究[J]. 神华科技，2010，8(5)：71-93

[4]　牟刚林，杨岱. 降低壳牌气化炉煤耗的措施探讨[J]. 大氮肥，2017，40(1)：1-3

[5]　谢东明，王平. 生态经济发展模式下我国企业环境成本的战略控制研究[J]. 会计研究，2013， (3)：88-96

[6]　王同章. 煤炭气化原理与设备[M]. 北京：机械工业出版社，2001