水煤浆气化装置长周期运行的节能减排分析

沈文臻,刘 璐,吴剑英,李兵科

(1.上海华谊集团安全环保中心， 上海 201108； 2.北京航天动力研究所， 北京 100076；3.上海焦化有限公司， 上海 201100)

水煤浆气化技术是典型的新型煤气化技术，在我国煤制甲醇、尿素、油品等煤化工领域中已广泛应用[1-2]。水煤浆气化炉是水煤浆气化技术的核心装置，其运行条件严苛(高压2.8 MPa、4.0 MPa、6.5 MPa、8.7 MPa，高温1 200～1 450 ℃，氧气纯度>99.5%等)[2]。水煤浆气化装置不仅对工艺原料、系统组成设备的性能要求高，而且对设备操作管理水平要求也很高。

随着水煤浆气化技术在我国的大规模应用，水煤浆气化装置操作队伍技术水平日益提高。水煤浆气化装置开车运行越来越平稳，现在水煤浆气化装置开车周期绝大多都在60 d左右，达到80～90 d的很少[3-5]。企业为达到节能降耗的目标，对水煤浆气化装置长周期运行的需求越来越强。装置的长周期运行，不仅要求装置操作队伍的技术水平达标，也离不开装置中制约运行时间的关键设备达标。

目前，水煤浆气化装置中，工艺烧嘴是制约装置长周期运行的关键设备之一。上海焦化有限公司以长寿命工艺烧嘴为基础，结合多项水煤浆气化装置设备，使4.0 MPa水煤浆气化炉在2006年、2010年分别实现连续运行95 d、130 d的业绩。

基于上海焦化有限公司的水煤浆气化炉长周期运行业绩，气化装置运行周期由60 d优化为90 d、120 d具备了充分的实施基础和条件。现在，对水煤浆气化装置长周期运行做节能减排分析，为其经济效益和社会效益评估提供参考。

1 影响水煤浆气化装置长周期运行的要素

影响水煤浆气化装置长周期运行有煤种等工艺原料适用稳定性、人员操作水平、系统组成设备稳定性[3]3个方面。经过多年水煤浆气化炉运行经验的积累，在煤种等工艺原料适用稳定性和人员操作水平上已达到先进水平。现阶段在系统组成设备稳定性上，主要存在工艺烧嘴寿命短、气化炉砖及内件寿命短等问题。

水煤浆气化技术经过多年的发展与进步，气化炉砖及内件寿命从原来的半年提升到1 a以上，而工艺烧嘴寿命因烧嘴工况恶劣、材料进步缓慢、烧嘴结构创新困难等原因受制约。整个水煤浆气化行业，工艺烧嘴寿命周期绝大多都在60 d左右[3-5]。

综上分析，现阶段工艺烧嘴寿命是制约水煤浆气化装置长周期运行的关键因素。许多科研机构进行攻关，努力提高工艺烧嘴寿命[6-9]。上海华谊集团(上海焦化)联合北京航天动力研究所，针对水煤浆气化工艺烧嘴做了多项提高寿命的创新探索，4.0 MPa气化炉已陆续实现单周期连续运行95 d、130 d的业绩，为水煤浆气化装置实现90 d、120 d开车周期积累了丰富的运行经验。

2 水煤浆气化装置长周期运行对比分析

众多水煤浆气化技术由TEXACO技术发展而来[1-2]。最初,TEXACO技术为防止气化炉停车设置备用炉(2开1备或3开1备)，并将备用炉设计在700～800 ℃热态备用。目前，国内水煤浆气化工艺仍然设置备用炉，并进行科学的停炉倒炉，但已将备用炉由热态改为冷态备用，节约了大量的燃料消耗。

水煤浆气化炉运行周期由60 d优化为90 d、120 d后，对比分析装置节能减排的数据，研究其意义。

2.1 气化装置节能降耗对比

(1) 燃料与人力成本费用

气化炉在单个运行周期后按计划停车，在停炉前需对备用炉进行预热。当备用炉进入工作状态后，再切换生产线。在停炉倒炉时，备用炉烘炉达到投料温度800 ℃后，水煤浆气化炉半负荷投料，所产合成气放空燃烧，达到设计运行压力与负荷状态后，将合成气快速切换为生产系统供应原料。从备用炉投料到切换，会有大量的合成气被放空燃烧,造成浪费。

本文以天然气作为气化炉烘炉燃料，分析研究水煤浆气化烘炉情况。根据多年的生产实际经验，列出气化炉不同运行周期的燃料与人工费用(见表1)。其中,气化炉每次烘炉燃料费包括每台气化炉烘炉燃料气、开车后放空合成气等产生的相关费用。

表1 单台气化炉不同运行周期的燃料与人力费用

由表1可见：水煤浆气化炉实现90 d、120 d运行周期后，相比原60 d运行周期，单台气化炉停炉倒炉费用将分别节省40%、60%。

(2) 工艺烧嘴维修成本费用

气化炉在一个运行周期按计划停车后，对气化炉整个系统设备进行检查维护，并对工艺烧嘴进行维修。气化炉不同运行周期的相关检查维修费用见表2所示。

表2 单台气化炉不同运行周期的检查维修费用

由表2可见:水煤浆气化炉实现90 d、120 d运行周期后，相比原60 d运行周期，单台气化炉检查维修费用将分别节省29.09%、52.73%。

2.2 气化装置运行效率对比

目前，水煤浆气化技术装置的气化炉大多为3开1备，有的用户为5开2备。气化炉运行时间、开车与备用数量决定了水煤浆气化技术装置的运行效率。

对配备多台水煤浆气化炉的用户，气化炉长周期运行，3～4月进行一次停炉倒炉，将使装置运行方案更加灵活，有效提升使用效率。

对于气化炉(3开1备)，为了保证装置的连续运行，设置4台气化炉开停车的先后顺序，一般将停车气化炉的检修、备用周期设置为20 d。实现长周期运行后，气化炉检修、备用周期可以延长到30 d。表3列出气化炉(3开1备)不同运行周期的装置运行效率对比数据,其中1 a按360 d计算。

表3 气化炉(3开1备)运行效率对比

由表3可见:气化炉实现90 d、120 d运行周期后，相比原60 d运行周期，气化炉(3开1备)整体运行效率将分别提升5.56%、11.11%。

对于气化炉(5开2备)的装置，实现90 d或120 d长周期运行后，可以实现6开1备。以运行数量计量，气化装置(6开1备)运行效率为85.71%，相比气化装置(5开2备)，运行效率提高14.28%。

2.3 气化装置的CO2减排对比

水煤浆气化炉实现长周期运行后，每台气化炉减少停车次数，不仅节省烘炉燃料，还节省每次倒炉前放空、燃烧排放的气化炉合成气，即减少水煤浆气化装置CO2的排放，对企业的碳减排具有重大意义。

对于各种燃料，二氧化碳排放量公式[10-12]为:

MCO2=α×Mf

(1)

式(1)中，MCO2为CO2排放量，t；Mf为燃料燃烧用量，t；α为碳排放系数，天然气碳排放系数为0.448 3，气化炉合成气参考其他煤气排放系数为0.354 8[11]。

水煤浆气化炉粗合成气为CO、H2与CO2等组成的混合气体，典型成分见表4。混合气体的平均分子量由式(2)计算[13]。

表4 4.0 MPa水煤浆500 t/d气化炉粗合成气典型成分

m=m1ω1+m2ω2+m3ω3+ … +mnωn

(2)

式(2)中，m1、m2、…、mn为第1种、第2种、…第n种气体的分子质量，ω1，ω2、…、ωn为第1种、第2种、…第n种气体所占的体积分数。

根据4.0 MPa水煤浆500 t/d气化炉生产经验，粗合成气产量为43 200 m3/h。烘炉达到投料温度800 ℃后，气化炉半负荷投料，所产合成气放空燃烧，按计划运行1 h后,切换到生产系统供应合成气原料。由式(1)、式(2)进行CO2排放量核算，结果见表5。

表5 4.0 MPa水煤浆500 t/d气化炉CO2排放

根据表5，分别对3开1备、5开2备气化炉90 d、120 d运行周期后的气化炉烘炉倒炉CO2减排量核算，结果见表6。

表6 不同数量气化炉烘炉CO2减排对比

由表6可见：水煤浆气化炉实现90 d、120 d运行周期后，相比原60 d运行周期，对用户的气化炉系统CO2减排率分别可达40%和60%，碳减排效果非常显著。

3 结语

提高水煤浆气化炉运行周期，实现长周期运行，开车周期由60 d优化为90 d、120 d，停炉倒炉费节省40%、60%，检查维修费节省29.09%、52.73%，对气化炉(3开1备)整体运行效率可提升5.56%、11.11%，对于气化炉(5开2备)整体运行效率可提升14.27%。

实现长周期运行后，开车周期由60 d优化为90 d、120 d，气化炉系统CO2减排率分别为40%和60%，碳减排效果非常显著，为实现“碳达峰碳中和”目标作出贡献。