基于统计过程控制的干粉气化炉新煤种试烧效果分析

严 巍，王 潇，王军委，刘 臻，彭宝仔，

(1.国能销售集团华东能源有限公司，上海 200025；2.北京低碳清洁能源研究院，北京 102211)

气流床干粉加压气化技术具有热效率高、碳转化率高、气化煤要求低等优点[1-3]，已经被广泛应用到煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制合成氨等煤化工相关领域[4，5]。由于气化原煤煤质本身的不均匀性，干粉气化炉运行过程中不可避免地存在波动，对气化炉运行的稳定性产生影响[6-8]。为解决气流床干粉气化的“煤-炉”不匹配问题，国能销售集团公司开发了一种气化煤新牌号—神优3煤，旨在以神优3煤作为干粉气化的主要煤种，可单独作为气化煤或与其他煤种灵活掺配使用，提升煤种与气化炉的适应性，以确保干粉气化炉长周期稳定运行。然而，作为一个干粉气化新牌号煤种，在大规模应用前开展工业试烧是必不可少的步骤[9-11]，因此，神优3煤在气化过程中的稳定性尚需进一步考察和验证。

统计过程控制(Statistical Process Control，简称SPC)是指采用统计分析技术手段，对生产过程进行分析和控制的一种方法，通过对生产过程稳定性分析，帮助系统维持在稳定的受控状态[12，13]。近年来，SPC方法已取得长足的进步，并被广泛应用到石油化工、煤化工、食品加工、制药和机械加工等众多领域[14-16]。赵用明等[17]采用SPC方法对100 t/a规模费托合成中试应用场景研究表明，物料平衡、新鲜气氢碳比、反应压力和反应温度等参数达到受控状态时，过程指标和能力得到显著提高，SPC方法对过程中波动的消除和稳定控制具有指导作用。刘磊等[18]对SPC方法在连续过程中的应用分析表明，该方法可实现较为理想的工业过程监视和分析。高新江等[19]采用SPC方法对复杂多变的石化装置操作过程，分别进行了质量分析、偏离点分析、异常诊断和过程稳定性等参数操作分析，较好地解决了石化行业操作过程难以评估的问题。以上研究表明，SPC分析方法对于提高依靠计算机数字化信息采集的生产过程质量和安全性，具有重要意义[20，21]。

本研究针对神优3煤在四台干粉气化炉的气化试烧过程，选择影响气化炉运行稳定性的关键技术指标，如粉煤流量、氧煤比、气化炉压力、激冷室液位、气化炉渣口压差、甲烷含量、有效气含量以及蒸汽产量等进行SPC分析，以便定量评估神优3煤在干粉气化炉气化过程中的运行稳定性。

1 统计过程控制方法

1.1 受控率

受控率(f)是指过程数据在受控范围的数量占全部过程数据数量的百分比，是表达过程数据在受控范围内的程度。受控范围以过程数据的平均值为分布中心，以上下3倍标准差(σ)为过程数据受控范围的上下限值。

1.2 过程能力指数

T=USL-LSL

(5)

式中，ε为偏移量；M为设计值；USL为设计控制范围上限；T为控制范围。

过程能力指数Cpk表示过程数据平均值与控制范围发生偏移的大小，其中Cpk值越大表示过程能力越优，Cpk值的评级标准见表1。

表1 过程能力指数Cpk的评级标准

1.3 分析方法

神优3煤在干粉气化炉中运行的稳定性主要采用上述提及的受控率和过程能力指数来评价。考虑到气化过程不稳定多数是由煤灰熔渣排渣不畅造成的，从影响排渣及预估的灰渣量来分析，明确了本次神优3煤气化试烧时间为120 h。此外，根据该厂气化装置报警一览表和气化岗位操作的设计值和控制范围分析，评价过程涉及的主要参数及其设计值和控制范围上下限见表2。

表2 气化过程稳定性评价主要参数的设计值和控制范围

2 试烧结果分析

2.1 气化原煤分析

该厂配置4台干粉气化炉(分别命名为1#、2#、3#和4#气化炉)，单炉日处理原煤均为2000 t，工业试验过程采用神优3煤作为主要煤种，其元素分析和工业分析结果见表3。

表3 神优3煤的工业分析和元素分析结果 %

开展工业试验前，开展了神优3煤对CO2的反应性分析，结果见表4。当气化温度低于900 ℃时，神优3煤的二氧化碳反应性较低，小于48.7%；当气化温度升至1050 ℃以上时，该煤样的CO2反应活性达到90%以上。

2.2 主要过程参数的统计过程控制分析

气化过程主要参数的运行数据由DCS采集，数据采集周期为每2 min一次。经分析，获得的1#、2#、3#和4#气化炉运行的主要参数受控率和过程能力指数分别如图1和图2所示。对各主要参数进行了逐一分析，以评价其稳定性和出现波动的原因。

图1 干粉气化炉气化过程主要参数的受控率

图2 干粉气化炉气化过程能力参数

2.2.1 粉煤流量

2.2.2 氧煤比

从氧煤比的统计结果可知，4台气化炉氧煤比的受控率均大于98%，该结果表明气化过程中氧煤比运行处于稳定受控状态，氧气输送和粉煤输送系统运行较稳定。由于氧煤比主要用于调节气化炉温度的作用，故由此也说明气化炉内的温度也处于稳定状态。但从过程能力指数来看，1#、2#和3#气化炉氧煤比的过程能力指数均小于0.67，而4#气化炉的氧煤比过程能力指数也仅为0.90，表明这4台气化炉的氧煤比过程能力指数较差。经分析，氧气流量计经校准误差极小，故造成氧煤比过程能力指数太差的原因，可能与输煤管线的粉煤流量计的计量误差有关。

2.2.3 气化炉压力

从气化炉的气化压力统计结果可以看出，试验中4台气化炉的气化压力平均值分别为3.82、3.75、3.77和3.82 MPa，且受控率均大于99%，其中4#气化炉压力受控率达到100%，由此表明气化炉压力处于稳定受控状态，而其过程能力指数显示均大于2，表明气化炉压力的过程能力特优。从表2中气化炉压力的控制上下限范围可知，气化炉压力设计控制范围为0～4.3 MPa，但实际运行过程中气化炉压力波动范围在3.6～4.0 MPa，波动上下限均较大地偏离设计控制范围，这可能是气化炉压力过程能力特优的主要原因。因此，为更好地提升气化运行过程能力，建议调整气化炉压力设计控制范围。

2.2.4 激冷室液位

从各气化炉的激冷室液位统计结果可知，4#气化炉的激冷室液位受控率为97.33%，其余3台气化炉的激冷室液位受控率大于99%，由此表明气化炉激冷室液位基本处于稳定受控状态。但4台气化炉激冷室液位的过程能力指数均小于0.67，且其中1#气化炉和3#气化炉激冷室液位的过程能力指数小于0，由此表明气化炉激冷室液位过程能力太差。经分析，实际运行气化炉激冷室液位平均为23.53%，低于设计控制下限28%，这可能与气化炉结构有关，合成气流速过快将气化炉激冷室的水带走，造成激冷室液位偏低。

2.2.5 渣口压差

从各气化炉的渣口压差统计结果可知，4台气化炉的渣口压差受控率均大于98%，该结果表明各气化炉渣口压差均处于稳定受控状态。但1#、2#和4#气化炉渣口压差过程能力指数分别为-0.26、0.66和0.68，表明该三台气化炉的渣口压差过程能力太差，而3#气化炉的渣口压差过程能力指数为1.60，表明其渣口压差过程能力良。

2.2.6 蒸汽产量

从各气化炉的蒸汽产量统计结果可知，4台气化炉的蒸汽产量运行数据受控率都大于99%。由于蒸汽产量通常也反映气化炉的气化温度，由此说明气化温度处于稳定受控状态。另外，1#、2#和4#气化炉的蒸汽产量过程能力指数分别为0.87、0.99和0.97，说明这三台气化炉的蒸汽产量过程能力差，而3#气化炉的蒸汽产量过程能力指数为1.26，表明其过程能力状态一般。

2.2.7 合成气甲烷含量

1#气化炉气化过程中合成气的甲烷含量变化如图3所示，由图3的甲烷含量波动情况可知，1#气化炉合成气中的甲烷含量基本围绕平均值在上下限内波动，而从图1中各气化炉甲烷含量统计结果也可知，其受控率均在97%以上，而从图2展示的各气化炉合成气的甲烷含量过程能力指数都小于0.67。由此表明气化炉产生的合成气中甲烷含量过程能力控制也较差，甲烷含量与其控制范围发生严重偏移。经分析，造成这个问题的原因可能与甲烷含量的测量精度有关。

图3 气化过程中甲烷含量变化

2.2.8 合成气的有效气含量

从各气化炉的有效气含量统计结果可知，4台气化炉的有效气含量受控率都大于99%，均处于稳定受控状态，其有效气含量的均值约为89%，且2#、3#和4#气化炉的有效气含量过程能力指数都大于1，其中4#气化炉有效气含量过程能力指数大于2，这表明4#气化炉有效气含量过程能力特优。但1#气化炉有效气含量过程能力指数只有0.69，可能是由于气体分析仪故障，造成CO和H2结果突然出现显示为0的异常值，而后迅速恢复正常显示，如图4所示。

图4 气化过程中有效气体含量均值

3 结 论

1)采用统计过程分析方法评价了神优3煤在气化过程中的稳定性，结果展示气化过程各主要工艺参数的受控率均在95%以上，该结果表明神优3煤用于气流床干粉气化炉具有较好的运行稳定性，与干粉气化炉具有良好的“煤-炉”匹配性和适应性。

2)为进一步提升气化过程控制质量，对评价过程中过程能力指数偏小的参数指标，如煤粉流量、气化炉激冷室液位和甲烷含量等进行原因分析，建议提升粉煤流量和甲烷含量的测量仪的准确性，优化气化炉内部结构，减小合成气对液体的夹带；而对过程能力指数偏大的参数指标，如气化炉压力和合成气中有效气含量，因其设定的控制范围远超实际运行区间，建议缩小控制范围上下限。