SE水煤浆气化工艺控制策略和优化

冯亮杰

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

炼油厂重油加工从脱碳向加氢的转变，使氢耗大幅增加，石油焦尤其是高硫石油焦产品附加值提升有限，成为炼油厂生存、发展和结构调整的痛点。SE水煤(焦)浆气化成套技术，由中国石化、华东理工大学联合开发，在中国石化煤(焦)制氢项目中首次工业化应用，并实现比煤耗、比氧耗低，长周期安全稳定可靠运行。在满足炼油厂低成本煤制氢需求的同时，为依托煤气化装置实现炼油厂劣质石油焦、含油污泥和含油污水经济、无害化处理，实现炼油厂含碳废物的资源化利用，减少炼油厂污染物排放，探索一条经济、科学、可行的技术路线。

煤气化装置属高危装置，采用安全联锁系统对装置关键部位进行控制及联锁保护等，既是气化装置本身高危险性的需求，也是保障装置长周期稳定运行的需求，更是企业实现效益最大化的有力保障[1-3]。针对SE水煤浆气化装置工艺控制过程中的安全联锁控制以及对主要工艺控制方面的优化和改进，便于后续生产的持续稳定运行，以实现长周期稳定及安全运行[4]。

1 SE水煤浆气化技术特点及系统组成

1.1 技术特点

SE水煤浆技术采用自主知识产权的耐火衬里气流床气化炉，在原有水煤浆气化技术基础上优化了气化室高径比，进一步强化了混合和热质传递过程，形成炉内单喷嘴射流合理的流场结构，具有平推流流场特征，从而达到良好的工艺与工程效果，具有有效气含量高、碳转化率高、耐火砖寿命长的优势。单台SE水煤浆气化炉配置1台水煤浆烧嘴，位于气化炉顶部，工艺烧嘴采用四通道，两路煤浆进料、两路氧气进料，外侧煤浆通道可以单独处理不易与煤共成浆的废水、油泥、废浆等物质。

气化炉采用激冷流程，炉内粗合成气的洗涤及激冷采用喷淋床与鼓泡床组合的复合床式洗涤冷却设备，具有良好的抑制粗合成气带水、带灰功能。粗合成气的初步净化系统由混合器、旋风分离器、水洗塔等设备组成，具有高效分离与节能的优点。灰水处理单元内采用蒸发热水塔，闪蒸气与灰水直接接触式换热，具有节能、不易结垢的特点，可确保装置长周期运行。

1.2 系统组成及气化流程简述

SE水煤浆气化技术由煤浆制备单元、气化(煤浆进料系统、氧气进料系统、气化炉、烧嘴冷却水系统、氮气保护系统、锁斗)、初步净化和渣水处理系统组成，还包括配套的工艺控制系统、公用工程及辅助设施等。SE水煤(焦)浆气化技术工艺流程如图1所示。

图1 SE水煤(焦)浆气化技术工艺流程示意

1)煤(焦)浆制备。来自原料煤输送系统的碎煤或石油焦送入原料煤储斗或焦储斗后，经由原料煤称量给料机计量进入磨煤机，与工艺水、煤浆添加剂按比例混合磨制成一定粒度分布的水煤浆。煤浆自流至磨煤机出料槽，再通过磨煤机出料槽泵送至煤浆槽。

2)气化及初步净化。给料泵加压后，煤浆分两路进入工艺烧嘴内侧和外侧煤浆通道，氧气分成两路分别进入工艺烧嘴的中心通道和外通道。水煤浆和氧气通过布置在气化炉顶部的多通道工艺烧嘴同轴射流进入气化炉内。煤在气化室中与氧气、蒸汽发生高温非催化部分氧化反应，反应条件为表压6.5 MPa，约1 300 ℃，反应产物为H2，CO及水蒸气为主的粗合成气。煤灰及少量未转化的残炭形成高温熔渣，随粗合成气穿过洗涤冷却水分布环进入洗涤冷却室的水浴中，熔渣冷却后沉入洗涤冷却室底部，通过锁斗定期排渣。粗合成气经多层横向分隔器破泡洗涤后流出洗涤冷却室进入混合器，与高温热水泵送来的灰水混合，合成气夹带的固体颗粒经过润湿后进入旋风分离器，气相中的大部分细灰得以分离进入液相，连续排入渣水处理单元。离开旋风分离器的合成气进入水洗塔进一步洗涤除尘，将合成气含尘质量浓度降至1 mg/m3以下。

3)渣水处理。气化炉洗涤冷却室、旋风分离器以及水洗塔排出的黑水进入到渣水处理单元的蒸发热水塔进行一级闪蒸，闪蒸气经与灰水逆流直接接触、传质传热，实现黑水热量的高效回收利用。闪蒸后的黑水再依次经过低压闪蒸和真空闪蒸，最大程度回收热量后排放至澄清槽进行处理。闪蒸出的酸性气进入硫回收或火炬系统处理[5]。

2 SE水煤浆气化关键控制方案

水煤浆气化装置工艺过程复杂，联锁控制关联性强，为了装置更可靠平稳地运行，常规控制系统需配置安全联锁系统来保证装置和整个流程的安全平稳运行[6-7]。气化炉开车系统、气化炉停车系统、氧气泄压系统、氮气保护系统、停车监控系统、互锁系统是整个安全联锁系统的控制重点。

1)气化炉开车系统。该系统是一个自动顺序控制逻辑系统，负责对气化炉的状态进行初始化，建立氧气放空和煤浆回流，并达到开车需要的开车流量，再按照一定的顺序将煤浆和氧气导入气化炉，并使气化炉达到正常运行状态。

2)气化炉停车系统。该系统是一个自动顺序控制逻辑系统，由停车监控系统触发，程序被触发后将切断氧气、水煤浆的进料和合成气的输出，进行氮气吹扫和气化炉泄压，并将气化炉与其他系统隔离开。

3)氧气泄压系统。该系统是一个自动顺序控制逻辑系统，在停车程序完成以后，对氧气管线进行泄压，以确保将气化炉和氧气总管安全地隔离开。

4)氮气保护系统。该系统是一个自动顺序控制逻辑系统，氧气泄压程序执行完毕后，允许操作员对气化炉进行额外的氮气吹扫。

5)停车监控系统。所有相关的工艺变量，如温度、压力、流量、液位以及阀位，都由停车监控系统进行监控。该系统对相关的工艺变量进行检查，确认是否处于允许的范围内。当偏差超过该系统的限制范围时，该系统就会终止开车程序或正常运行，并自动触发停车程序。该系统能自动地适应于装置运行的各个不同状态，自动地投用或旁路相关的停车联锁，在停车程序触发以后将不再运行。

6)互锁系统。互锁系统能在开车、正常操作、停车、氧气泄压、氮气吹扫的整个过程中监视相关的状态，并采取相关的联锁动作确保气化炉的安全。互锁系统的功能要求比其他联锁系统拥有更高的优先级。互锁系统还负责监视锁斗排渣控制系统中各阀门的动作，避免出现阀门误动作。

将以上6个系统与锁斗排渣控制系统进行了高度集成，形成了一套完整气化炉安全联锁系统，实现了一键投料开车。既达到了高度自动化，又允许操作员适度介入，还避免了操作员的误操作。

3 SE水煤浆气化工艺控制系统的优化与改进

3.1 煤浆进料控制系统优化

煤浆流量的控制是采用变频电机调节煤浆给料泵转速来实现的。SE水煤浆气化氧煤比控制逻辑如图2所示。为了增加煤浆流量测量的可靠性，对煤浆流量设计了中值选择回路，3台电磁流量计的测量值取中间值作为煤浆流量的最终值，煤浆流量通过图2中FC103参与氧煤比控制。

图2 SE水煤浆气化氧煤比控制逻辑示意

设置了氧气流量的温度、压力补偿，经计算得出补偿后的氧气流量，然后根据手动输入的氧气纯度值进行校正，校正后的氧气流量通过流量控制阀控制实际氧气流量，氧气流量通过图2中FC109参与氧煤比控制。氧气流量和煤浆流量通过图2中FFY4换算成实际氧煤比，与氧煤比设定值进行比较后，可反向对氧气和煤浆的流量进行调节。

现有水煤浆气化工艺的氧/煤比控制通常采用“交叉限幅”控制方法，理论上该方法可以有效地将氧气和煤浆控制在要求的比例范围内，方便提升或降低操作负荷。实际运行中，氧气流量单回路控制时可实现稳定控制，而部分装置的煤浆流量存在一定波动，如投用交叉限幅控制，氧气流量也会跟随波动。因此，在运装置的氧/煤比控制投自动的比例并不高。

SE水煤浆气化工艺中，采用“负荷控制+以氧定煤+低煤限氧”的方案进行氧/煤比控制。氧气流量较为稳定，当煤浆流量波动较小时，氧/煤比控制处于“负荷控制+以氧定煤”运行模式，确保按照设定比例进料并维持流量稳定。如煤浆流量波动较大时，氧/煤比控制自动切入“低煤限氧”运行模式，避免氧气过量，消除安全隐患。

3.2 气化喷嘴运行应急保护系统改进

SE水煤浆气化技术最核心的创新点为烧嘴采用双氧气-双煤浆四通道进料，煤浆经切断阀进入烧嘴内侧和外侧煤浆通道，两个通道分别设置高压氮气吹扫管线。采用分支流和节流部件组合的煤浆多通道平衡分配技术。当外侧煤浆通道流量过低，如果气化炉继续运行，则失去冷介质保护的烧嘴将在较短时间内因承受较强的热作用而损坏，当外侧煤浆通道煤浆流量一旦降低到安全限值时触发联锁停车。

为进一步提升装置供氢的可靠性，当外侧煤浆流量过低或出现通道堵塞现象后，不立即停车，为生产调整留出缓冲时间。在煤浆外侧通道上增加小流量保护氮气旁路，设置切断阀、孔板和氮气流量计。当外侧煤浆流量低于安全限值时，安全联锁系统触发打开外侧煤浆通道的小流量保护氮气吹扫阀，利用高压氮气对烧嘴进行保护。当小流量保护氮气吹扫阀打开后，关闭外侧通道煤浆切断阀。当保护氮气通入后，预留外侧煤浆通道连投功能，此时关闭氮气流量保护阀，并同时打开外侧煤浆下游切断阀，以实现外侧煤浆连投功能。

3.3 氮气保护系统优化

氧气管线设置了氮气均压管线、氮塞管线、氮气吹扫管线；煤浆管线设置了内外侧煤浆通道吹扫管线、外侧煤浆氮气保护管线。

氧气管线采用氮气均压，以打开氧气界区切断阀；在建立氧气放空流量之前，氮塞阀打开，在氧气2台切断阀之间形成氮塞；停车时，在氧气下游切断阀之前先关闭上游切断阀，氮塞阀打开，以便提供高压、高流量氮气吹扫进入气化炉，并在氧气切断阀之间建立氮塞。随后，氮气吹扫阀打开，提供高压、低流量氮气吹扫进入气化炉。停车期间，氮气吹扫的要求是吹扫2台氧气切断阀之间的空腔，并吹扫从上游切断阀到工艺烧嘴的整个氧气管线。停车时，内外侧煤浆通道氮气吹扫阀打开，吹扫煤浆下游切断阀至烧嘴管道；设置外侧煤浆通道氮气保护措施，以应对外侧煤浆低时外侧通道烧嘴保护。

针对煤浆和氧气系统吹扫，设置2台高压氮气储罐，实现吹扫煤浆及吹扫氧气的独立性；SE水煤浆气化相比GE水煤浆气化的一大特征是烧嘴存在外侧煤浆通道，针对外侧煤浆通道，设置有外侧煤浆低流量时保护氮气吹扫。

3.4 洗涤冷却水系统优化改进

从水洗塔底部排出的黑水经黑水循环泵加压后经黑水过滤器后送入气化炉洗涤冷却水分布环，在洗涤冷却水管线上设置有事故洗涤冷却水管线。

现有水煤浆气化装置洗涤冷却水流量采用控制阀控制，黑水循环泵采用定频泵，由于洗涤冷却水含固的特性，导致洗涤冷却水控制阀后期出现卡涩，堵塞的情况。SE水煤浆技术黑水循环泵采用变频泵，通过调整泵的转速达到调节洗涤冷却水量的目的，取消洗涤冷却水控制阀。洗涤冷却水系统设置了如下的联锁： 当洗涤冷却水流量低(L)时，报警；当洗涤冷却水流量低低(LL)时，联锁启备泵；当洗涤冷却水流量低低低(LLL)时，联锁关闭高压灰水去水洗塔流量控制阀，同时打开事故洗涤冷却水阀门，阀门要求开启时间5 s；当洗涤冷却水流量低低低低(LLLL)时，联锁停车。

在气化炉开车时，由于气化炉压力的突然上升，洗涤冷却水流量出现下降，下降至气化炉联锁停车流量，引起气化炉联锁停车，导致开车失败。对于大流量气化炉洗涤冷却水，通常采用黑水循环泵并联提供所需的洗涤冷却水量。在开车的过程中，洗涤冷却水循环量比正常流量适当增大，1台黑水循环泵采用工频运行，1台黑水循环泵采用变频运行。在气化炉开车升压的过程中，由于洗涤冷却水循环量比正常流量大，因而其流量不会降低至联锁停车流量。在气化炉开车升压过程中，洗涤冷却水循环量下降过大，则引入事故洗涤冷却水，确保其流量高于停车流量，保证气化炉不联锁停车。

4 结束语

阐述了SE水煤浆气化以及相关技术特点、工艺流程和安全联锁系统，针对SE水煤浆气化工艺控制系统进行了优化和改进，对SE水煤浆增加的外侧煤浆通道，通过外侧煤浆保护氮气控制及联锁，实现外侧煤浆流量低后氮气保护措施及外侧煤浆连投，增加了气化装置的运行稳定可靠性；通过外侧煤浆通道可处理不易与煤共制浆的废水、油泥、废浆等物质；开发了本质安全的氮气保护系统；解决了水煤浆装置洗涤冷却水采用控制阀进行调节存在的问题。这些优化改进提高了SE水煤浆气化装置的工艺性能、运行的稳定性，为装置的长周期运行提供了保障。