馮亮杰

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

煉油廠(chǎng)重油加工從脫碳向加氫的轉(zhuǎn)變，使氫耗大幅增加，石油焦尤其是高硫石油焦產(chǎn)品附加值提升有限，成為煉油廠(chǎng)生存、發(fā)展和結(jié)構(gòu)調(diào)整的痛點(diǎn)。SE水煤(焦)漿氣化成套技術(shù)，由中國(guó)石化、華東理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在中國(guó)石化煤(焦)制氫項(xiàng)目中首次工業(yè)化應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)比煤耗、比氧耗低，長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在滿(mǎn)足煉油廠(chǎng)低成本煤制氫需求的同時(shí)，為依托煤氣化裝置實(shí)現(xiàn)煉油廠(chǎng)劣質(zhì)石油焦、含油污泥和含油污水經(jīng)濟(jì)、無(wú)害化處理，實(shí)現(xiàn)煉油廠(chǎng)含碳廢物的資源化利用，減少煉油廠(chǎng)污染物排放，探索一條經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、可行的技術(shù)路線(xiàn)。

煤氣化裝置屬高危裝置，采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)裝置關(guān)鍵部位進(jìn)行控制及聯(lián)鎖保護(hù)等，既是氣化裝置本身高危險(xiǎn)性的需求，也是保障裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的需求，更是企業(yè)實(shí)現(xiàn)效益最大化的有力保障[1-3]。針對(duì)SE水煤漿氣化裝置工藝控制過(guò)程中的安全聯(lián)鎖控制以及對(duì)主要工藝控制方面的優(yōu)化和改進(jìn)，便于后續(xù)生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定及安全運(yùn)行[4]。

1 SE水煤漿氣化技術(shù)特點(diǎn)及系統(tǒng)組成

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

SE水煤漿技術(shù)采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐火襯里氣流床氣化爐，在原有水煤漿氣化技術(shù)基礎(chǔ)上優(yōu)化了氣化室高徑比，進(jìn)一步強(qiáng)化了混合和熱質(zhì)傳遞過(guò)程，形成爐內(nèi)單噴嘴射流合理的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有平推流流場(chǎng)特征，從而達(dá)到良好的工藝與工程效果，具有有效氣含量高、碳轉(zhuǎn)化率高、耐火磚壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。單臺(tái)SE水煤漿氣化爐配置1臺(tái)水煤漿燒嘴，位于氣化爐頂部，工藝燒嘴采用四通道，兩路煤漿進(jìn)料、兩路氧氣進(jìn)料，外側(cè)煤漿通道可以單獨(dú)處理不易與煤共成漿的廢水、油泥、廢漿等物質(zhì)。

氣化爐采用激冷流程，爐內(nèi)粗合成氣的洗滌及激冷采用噴淋床與鼓泡床組合的復(fù)合床式洗滌冷卻設(shè)備，具有良好的抑制粗合成氣帶水、帶灰功能。粗合成氣的初步凈化系統(tǒng)由混合器、旋風(fēng)分離器、水洗塔等設(shè)備組成，具有高效分離與節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)?；宜幚韱卧獌?nèi)采用蒸發(fā)熱水塔，閃蒸氣與灰水直接接觸式換熱，具有節(jié)能、不易結(jié)垢的特點(diǎn)，可確保裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)組成及氣化流程簡(jiǎn)述

SE水煤漿氣化技術(shù)由煤漿制備單元、氣化(煤漿進(jìn)料系統(tǒng)、氧氣進(jìn)料系統(tǒng)、氣化爐、燒嘴冷卻水系統(tǒng)、氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、鎖斗)、初步凈化和渣水處理系統(tǒng)組成，還包括配套的工藝控制系統(tǒng)、公用工程及輔助設(shè)施等。SE水煤(焦)漿氣化技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 SE水煤(焦)漿氣化技術(shù)工藝流程示意

1)煤(焦)漿制備。來(lái)自原料煤輸送系統(tǒng)的碎煤或石油焦送入原料煤儲(chǔ)斗或焦儲(chǔ)斗后，經(jīng)由原料煤稱(chēng)量給料機(jī)計(jì)量進(jìn)入磨煤機(jī)，與工藝水、煤漿添加劑按比例混合磨制成一定粒度分布的水煤漿。煤漿自流至磨煤機(jī)出料槽，再通過(guò)磨煤機(jī)出料槽泵送至煤漿槽。

2)氣化及初步凈化。給料泵加壓后，煤漿分兩路進(jìn)入工藝燒嘴內(nèi)側(cè)和外側(cè)煤漿通道，氧氣分成兩路分別進(jìn)入工藝燒嘴的中心通道和外通道。水煤漿和氧氣通過(guò)布置在氣化爐頂部的多通道工藝燒嘴同軸射流進(jìn)入氣化爐內(nèi)。煤在氣化室中與氧氣、蒸汽發(fā)生高溫非催化部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)條件為表壓6.5 MPa，約1 300 ℃，反應(yīng)產(chǎn)物為H2，CO及水蒸氣為主的粗合成氣。煤灰及少量未轉(zhuǎn)化的殘?zhí)啃纬筛邷厝墼S粗合成氣穿過(guò)洗滌冷卻水分布環(huán)進(jìn)入洗滌冷卻室的水浴中，熔渣冷卻后沉入洗滌冷卻室底部，通過(guò)鎖斗定期排渣。粗合成氣經(jīng)多層橫向分隔器破泡洗滌后流出洗滌冷卻室進(jìn)入混合器，與高溫?zé)崴盟蛠?lái)的灰水混合，合成氣夾帶的固體顆粒經(jīng)過(guò)潤(rùn)濕后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，氣相中的大部分細(xì)灰得以分離進(jìn)入液相，連續(xù)排入渣水處理單元。離開(kāi)旋風(fēng)分離器的合成氣進(jìn)入水洗塔進(jìn)一步洗滌除塵，將合成氣含塵質(zhì)量濃度降至1 mg/m3以下。

3)渣水處理。氣化爐洗滌冷卻室、旋風(fēng)分離器以及水洗塔排出的黑水進(jìn)入到渣水處理單元的蒸發(fā)熱水塔進(jìn)行一級(jí)閃蒸，閃蒸氣經(jīng)與灰水逆流直接接觸、傳質(zhì)傳熱，實(shí)現(xiàn)黑水熱量的高效回收利用。閃蒸后的黑水再依次經(jīng)過(guò)低壓閃蒸和真空閃蒸，最大程度回收熱量后排放至澄清槽進(jìn)行處理。閃蒸出的酸性氣進(jìn)入硫回收或火炬系統(tǒng)處理[5]。

2 SE水煤漿氣化關(guān)鍵控制方案

水煤漿氣化裝置工藝過(guò)程復(fù)雜，聯(lián)鎖控制關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，為了裝置更可靠平穩(wěn)地運(yùn)行，常規(guī)控制系統(tǒng)需配置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來(lái)保證裝置和整個(gè)流程的安全平穩(wěn)運(yùn)行[6-7]。氣化爐開(kāi)車(chē)系統(tǒng)、氣化爐停車(chē)系統(tǒng)、氧氣泄壓系統(tǒng)、氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)、互鎖系統(tǒng)是整個(gè)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制重點(diǎn)。

1)氣化爐開(kāi)車(chē)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)順序控制邏輯系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)氣化爐的狀態(tài)進(jìn)行初始化，建立氧氣放空和煤漿回流，并達(dá)到開(kāi)車(chē)需要的開(kāi)車(chē)流量，再按照一定的順序?qū)⒚簼{和氧氣導(dǎo)入氣化爐，并使氣化爐達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

2)氣化爐停車(chē)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)順序控制邏輯系統(tǒng)，由停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)，程序被觸發(fā)后將切斷氧氣、水煤漿的進(jìn)料和合成氣的輸出，進(jìn)行氮?dú)獯祾吆蜌饣癄t泄壓，并將氣化爐與其他系統(tǒng)隔離開(kāi)。

3)氧氣泄壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)順序控制邏輯系統(tǒng)，在停車(chē)程序完成以后，對(duì)氧氣管線(xiàn)進(jìn)行泄壓，以確保將氣化爐和氧氣總管安全地隔離開(kāi)。

4)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)順序控制邏輯系統(tǒng)，氧氣泄壓程序執(zhí)行完畢后，允許操作員對(duì)氣化爐進(jìn)行額外的氮?dú)獯祾摺?/p>

5)停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)。所有相關(guān)的工藝變量，如溫度、壓力、流量、液位以及閥位，都由停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的工藝變量進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否處于允許的范圍內(nèi)。當(dāng)偏差超過(guò)該系統(tǒng)的限制范圍時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)終止開(kāi)車(chē)程序或正常運(yùn)行，并自動(dòng)觸發(fā)停車(chē)程序。該系統(tǒng)能自動(dòng)地適應(yīng)于裝置運(yùn)行的各個(gè)不同狀態(tài)，自動(dòng)地投用或旁路相關(guān)的停車(chē)聯(lián)鎖，在停車(chē)程序觸發(fā)以后將不再運(yùn)行。

6)互鎖系統(tǒng)?；ユi系統(tǒng)能在開(kāi)車(chē)、正常操作、停車(chē)、氧氣泄壓、氮?dú)獯祾叩恼麄€(gè)過(guò)程中監(jiān)視相關(guān)的狀態(tài)，并采取相關(guān)的聯(lián)鎖動(dòng)作確保氣化爐的安全?；ユi系統(tǒng)的功能要求比其他聯(lián)鎖系統(tǒng)擁有更高的優(yōu)先級(jí)?；ユi系統(tǒng)還負(fù)責(zé)監(jiān)視鎖斗排渣控制系統(tǒng)中各閥門(mén)的動(dòng)作，避免出現(xiàn)閥門(mén)誤動(dòng)作。

將以上6個(gè)系統(tǒng)與鎖斗排渣控制系統(tǒng)進(jìn)行了高度集成，形成了一套完整氣化爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一鍵投料開(kāi)車(chē)。既達(dá)到了高度自動(dòng)化，又允許操作員適度介入，還避免了操作員的誤操作。

3 SE水煤漿氣化工藝控制系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 煤漿進(jìn)料控制系統(tǒng)優(yōu)化

煤漿流量的控制是采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)煤漿給料泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SE水煤漿氣化氧煤比控制邏輯如圖2所示。為了增加煤漿流量測(cè)量的可靠性，對(duì)煤漿流量設(shè)計(jì)了中值選擇回路，3臺(tái)電磁流量計(jì)的測(cè)量值取中間值作為煤漿流量的最終值，煤漿流量通過(guò)圖2中FC103參與氧煤比控制。

圖2 SE水煤漿氣化氧煤比控制邏輯示意

設(shè)置了氧氣流量的溫度、壓力補(bǔ)償，經(jīng)計(jì)算得出補(bǔ)償后的氧氣流量，然后根據(jù)手動(dòng)輸入的氧氣純度值進(jìn)行校正，校正后的氧氣流量通過(guò)流量控制閥控制實(shí)際氧氣流量，氧氣流量通過(guò)圖2中FC109參與氧煤比控制。氧氣流量和煤漿流量通過(guò)圖2中FFY4換算成實(shí)際氧煤比，與氧煤比設(shè)定值進(jìn)行比較后，可反向?qū)ρ鯕夂兔簼{的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

現(xiàn)有水煤漿氣化工藝的氧/煤比控制通常采用“交叉限幅”控制方法，理論上該方法可以有效地將氧氣和煤漿控制在要求的比例范圍內(nèi)，方便提升或降低操作負(fù)荷。實(shí)際運(yùn)行中，氧氣流量單回路控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，而部分裝置的煤漿流量存在一定波動(dòng)，如投用交叉限幅控制，氧氣流量也會(huì)跟隨波動(dòng)。因此，在運(yùn)裝置的氧/煤比控制投自動(dòng)的比例并不高。

SE水煤漿氣化工藝中，采用“負(fù)荷控制+以氧定煤+低煤限氧”的方案進(jìn)行氧/煤比控制。氧氣流量較為穩(wěn)定，當(dāng)煤漿流量波動(dòng)較小時(shí)，氧/煤比控制處于“負(fù)荷控制+以氧定煤”運(yùn)行模式，確保按照設(shè)定比例進(jìn)料并維持流量穩(wěn)定。如煤漿流量波動(dòng)較大時(shí)，氧/煤比控制自動(dòng)切入“低煤限氧”運(yùn)行模式，避免氧氣過(guò)量，消除安全隱患。

3.2 氣化噴嘴運(yùn)行應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)

SE水煤漿氣化技術(shù)最核心的創(chuàng)新點(diǎn)為燒嘴采用雙氧氣-雙煤漿四通道進(jìn)料，煤漿經(jīng)切斷閥進(jìn)入燒嘴內(nèi)側(cè)和外側(cè)煤漿通道，兩個(gè)通道分別設(shè)置高壓氮?dú)獯祾吖芫€(xiàn)。采用分支流和節(jié)流部件組合的煤漿多通道平衡分配技術(shù)。當(dāng)外側(cè)煤漿通道流量過(guò)低，如果氣化爐繼續(xù)運(yùn)行，則失去冷介質(zhì)保護(hù)的燒嘴將在較短時(shí)間內(nèi)因承受較強(qiáng)的熱作用而損壞，當(dāng)外側(cè)煤漿通道煤漿流量一旦降低到安全限值時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖停車(chē)。

為進(jìn)一步提升裝置供氫的可靠性，當(dāng)外側(cè)煤漿流量過(guò)低或出現(xiàn)通道堵塞現(xiàn)象后，不立即停車(chē)，為生產(chǎn)調(diào)整留出緩沖時(shí)間。在煤漿外側(cè)通道上增加小流量保護(hù)氮?dú)馀月罚O(shè)置切斷閥、孔板和氮?dú)饬髁坑?jì)。當(dāng)外側(cè)煤漿流量低于安全限值時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)觸發(fā)打開(kāi)外側(cè)煤漿通道的小流量保護(hù)氮?dú)獯祾唛y，利用高壓氮?dú)鈱?duì)燒嘴進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)小流量保護(hù)氮?dú)獯祾唛y打開(kāi)后，關(guān)閉外側(cè)通道煤漿切斷閥。當(dāng)保護(hù)氮?dú)馔ㄈ牒螅A(yù)留外側(cè)煤漿通道連投功能，此時(shí)關(guān)閉氮?dú)饬髁勘Ｗo(hù)閥，并同時(shí)打開(kāi)外側(cè)煤漿下游切斷閥，以實(shí)現(xiàn)外側(cè)煤漿連投功能。

3.3 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)優(yōu)化

氧氣管線(xiàn)設(shè)置了氮?dú)饩鶋汗芫€(xiàn)、氮塞管線(xiàn)、氮?dú)獯祾吖芫€(xiàn)；煤漿管線(xiàn)設(shè)置了內(nèi)外側(cè)煤漿通道吹掃管線(xiàn)、外側(cè)煤漿氮?dú)獗Ｗo(hù)管線(xiàn)。

氧氣管線(xiàn)采用氮?dú)饩鶋?，以打開(kāi)氧氣界區(qū)切斷閥；在建立氧氣放空流量之前，氮塞閥打開(kāi)，在氧氣2臺(tái)切斷閥之間形成氮塞；停車(chē)時(shí)，在氧氣下游切斷閥之前先關(guān)閉上游切斷閥，氮塞閥打開(kāi)，以便提供高壓、高流量氮?dú)獯祾哌M(jìn)入氣化爐，并在氧氣切斷閥之間建立氮塞。隨后，氮?dú)獯祾唛y打開(kāi)，提供高壓、低流量氮?dú)獯祾哌M(jìn)入氣化爐。停車(chē)期間，氮?dú)獯祾叩囊笫谴祾?臺(tái)氧氣切斷閥之間的空腔，并吹掃從上游切斷閥到工藝燒嘴的整個(gè)氧氣管線(xiàn)。停車(chē)時(shí)，內(nèi)外側(cè)煤漿通道氮?dú)獯祾唛y打開(kāi)，吹掃煤漿下游切斷閥至燒嘴管道；設(shè)置外側(cè)煤漿通道氮?dú)獗Ｗo(hù)措施，以應(yīng)對(duì)外側(cè)煤漿低時(shí)外側(cè)通道燒嘴保護(hù)。

針對(duì)煤漿和氧氣系統(tǒng)吹掃，設(shè)置2臺(tái)高壓氮?dú)鈨?chǔ)罐，實(shí)現(xiàn)吹掃煤漿及吹掃氧氣的獨(dú)立性；SE水煤漿氣化相比GE水煤漿氣化的一大特征是燒嘴存在外側(cè)煤漿通道，針對(duì)外側(cè)煤漿通道，設(shè)置有外側(cè)煤漿低流量時(shí)保護(hù)氮?dú)獯祾摺?/p>

3.4 洗滌冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

從水洗塔底部排出的黑水經(jīng)黑水循環(huán)泵加壓后經(jīng)黑水過(guò)濾器后送入氣化爐洗滌冷卻水分布環(huán)，在洗滌冷卻水管線(xiàn)上設(shè)置有事故洗滌冷卻水管線(xiàn)。

現(xiàn)有水煤漿氣化裝置洗滌冷卻水流量采用控制閥控制，黑水循環(huán)泵采用定頻泵，由于洗滌冷卻水含固的特性，導(dǎo)致洗滌冷卻水控制閥后期出現(xiàn)卡澀，堵塞的情況。SE水煤漿技術(shù)黑水循環(huán)泵采用變頻泵，通過(guò)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)洗滌冷卻水量的目的，取消洗滌冷卻水控制閥。洗滌冷卻水系統(tǒng)設(shè)置了如下的聯(lián)鎖： 當(dāng)洗滌冷卻水流量低(L)時(shí)，報(bào)警；當(dāng)洗滌冷卻水流量低低(LL)時(shí)，聯(lián)鎖啟備泵；當(dāng)洗滌冷卻水流量低低低(LLL)時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉高壓灰水去水洗塔流量控制閥，同時(shí)打開(kāi)事故洗滌冷卻水閥門(mén)，閥門(mén)要求開(kāi)啟時(shí)間5 s；當(dāng)洗滌冷卻水流量低低低低(LLLL)時(shí)，聯(lián)鎖停車(chē)。

在氣化爐開(kāi)車(chē)時(shí)，由于氣化爐壓力的突然上升，洗滌冷卻水流量出現(xiàn)下降，下降至氣化爐聯(lián)鎖停車(chē)流量，引起氣化爐聯(lián)鎖停車(chē)，導(dǎo)致開(kāi)車(chē)失敗。對(duì)于大流量氣化爐洗滌冷卻水，通常采用黑水循環(huán)泵并聯(lián)提供所需的洗滌冷卻水量。在開(kāi)車(chē)的過(guò)程中，洗滌冷卻水循環(huán)量比正常流量適當(dāng)增大，1臺(tái)黑水循環(huán)泵采用工頻運(yùn)行，1臺(tái)黑水循環(huán)泵采用變頻運(yùn)行。在氣化爐開(kāi)車(chē)升壓的過(guò)程中，由于洗滌冷卻水循環(huán)量比正常流量大，因而其流量不會(huì)降低至聯(lián)鎖停車(chē)流量。在氣化爐開(kāi)車(chē)升壓過(guò)程中，洗滌冷卻水循環(huán)量下降過(guò)大，則引入事故洗滌冷卻水，確保其流量高于停車(chē)流量，保證氣化爐不聯(lián)鎖停車(chē)。

4 結(jié)束語(yǔ)

闡述了SE水煤漿氣化以及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)、工藝流程和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，針對(duì)SE水煤漿氣化工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，對(duì)SE水煤漿增加的外側(cè)煤漿通道，通過(guò)外側(cè)煤漿保護(hù)氮?dú)饪刂萍奥?lián)鎖，實(shí)現(xiàn)外側(cè)煤漿流量低后氮?dú)獗Ｗo(hù)措施及外側(cè)煤漿連投，增加了氣化裝置的運(yùn)行穩(wěn)定可靠性；通過(guò)外側(cè)煤漿通道可處理不易與煤共制漿的廢水、油泥、廢漿等物質(zhì)；開(kāi)發(fā)了本質(zhì)安全的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)；解決了水煤漿裝置洗滌冷卻水采用控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題。這些優(yōu)化改進(jìn)提高了SE水煤漿氣化裝置的工藝性能、運(yùn)行的穩(wěn)定性，為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保障。