煤气化装置氧煤比控制策略浅析

董清锋，陈 菲

(陕西延长石油(集团)有限公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075)

0 引言

目前，国内的煤气化工艺主要分为两种。一种为干法气化，以SHELL壳牌气化炉、HT-L航天炉以及延长石油循环流化床气化炉为代表；另一种为水煤浆加压气化，以德士古气化炉为代表。煤气化的反应原理为煤、O2、水或蒸汽在加压条件下完成物理和化学反应，主要气化产物是以H2和CO为主的合成气。

通过煤气化总的反应方程可知，生成CO和H2的反应均为吸热反应，其所需热量由煤和O2反应生成CO2所放出的热量提供。

CO和H2是煤气化过程产出合成气的有效成分，是主要的控制指标。CO和H2含量的高低通过控制O2和煤的比例来实现。氧煤比过高，气化炉炉膛温度高，容易造成气化炉结渣堵塞、烧坏耐火衬里等，形成安全隐患；氧煤比过低，气化炉炉膛温度降低，碳转化率降低，灰渣中残炭量高，造成原料浪费，经济性差。因此，氧煤比的控制至关重要。

1 氧煤比控制策略

1.1 SHELL壳牌气化炉控制策略

SHELL壳牌气化炉和HT-L航天炉为气流床气化工工艺，二者在氧煤比控制策略上基本一致。以下以SHELL壳牌气化炉为例，对其氧煤比控制策略进行阐述。

1.1.1 氧煤比值

SHELL壳牌炉气化装置氧煤比的控制方式有以下5种[1]。①通过CO2分析仪分析的CO2含量，自动控制氧煤比。②通过CH4分析仪分析的CH4含量，自动控制氧煤比。③通过汽包小区蒸汽产量，自动控制氧煤比。④自动设定氧煤比。⑤手动调节氧煤比。

控制方式①和②根据气化炉内的反应原理，通过对反应生产的气体含量及其相对应的曲线对氧煤比进行设定。控制方式③通过气化炉水冷壁产生的蒸汽量，间接测出气化炉炉膛温度，蒸汽流量和气化炉温度有一定的对应关系。通过蒸汽流量对应的气化炉温度，对氧煤比进行设定。控制方式④在开车期间，其合成气气体组分不稳定、无蒸汽产量或流量不稳定，因此不能作为氧煤比控制的依据。此时，将氧煤比的值作为开车过程总负荷的函数，并将计算结果输入到控制器中。控制方式⑤是在上述4种控制方式无法投用、系统出现波动、或更换煤种时，由操作人员通过手动输入氧煤比。

1.1.2 氧煤比控制原理

SHELL壳牌炉气化装置煤粉进料方式为煤粉加压气力输送，流动特性不规律，煤粉流量受输送介质的压力、温度、介质特性、管道中固气比等因素影响较大。这给煤粉流量测量的准确性带来了较大的影响。不论是德国SWR，还是美国热电的固体颗粒流量计，都很难对煤粉流量进行准确测量。在开车前，需要对煤粉流量计进行较长时间的标定，并根据标定结果摸索出修正函数，在DCS组态中对煤粉流量进行补偿和修正。SHELL壳牌炉煤粉进料流量计选用的是德国SWR公司的固体颗流量计。

对于壳牌气化炉，通常所说的负荷实际上指的是氧气负荷[2]。氧气流量测量相对较为准确，在一定的负荷下，氧气流量保持不变，通过氧煤比的调整来串级控制煤粉的流量，也就是常说的“以氧定煤”。操作员在负荷控制器中输入氧流量设定值。该设定值通过谐波发生器以一定速率变化。变化后的氧气流量被限幅器限制在系统允许的最大值和最小值之间。经过限制的氧流量与实际煤流量分别与氧煤比相乘，所计算出的氧气量中，较小值即为氧气回路的设定值。对比氧气流量设定值和实际氧气流量值，取其中较大值除以氧煤比，得到煤粉回路的设定值。氧煤比控制回路的设计中，同时加入手/自动转换开关、选择开关、修正系数等，经过修正、限位、取反、补偿，控制整个气化炉的氧煤比[3]。

SHELL壳牌气化炉氧煤比控制策略中，在控制氧量方面有着较为严格的限制。控制回路中，对氧量的选择始终为低选、对煤量的选择始终为高选，且多处使用限幅器，以防止超氧。同时，在氧煤比控制逻辑中，多处加入手动或自动选择开关。针对不同工况，可以分层、分级地实现氧气和煤粉流量的手动和自动控制。

SHELL壳牌气化炉控制技术先进，理念超前，多种控制手段涵盖开车工况、正常工况、特殊工况。但是在实际运行过程中也存在一些问题：没有直接检测气化炉膛温度的仪表；合成气成分控制、蒸汽产量控制、预设曲线控制都是通过控制氧煤比来间接控制气化炉炉膛温度，控制不够直观、精确；煤粉为气固两相流，测量不够稳定和准确。

1.2 延长石油循环流化床气化炉控制策略

延长石油循环流化床气化炉进料采用干煤粉加压气力输送，与SHELL壳牌气化炉、HT-L航天炉的进料方式较为相似。SHELL壳牌气化炉通过调节阀来控制煤粉流量；而延长石油循环流化床气化炉通过控制输送气量及输送气量的分配，实现煤粉流量的控制。同时，为减少进煤系统压力波动对煤粉进料的影响，在进料系统中加入了压力解耦装置，有效减小了压力波动，提高了煤粉输送的平稳性。同样，因为煤粉为气力输送，所以该策略的测量精确度不高。延长石油循环流化床气化炉进料煤粉流量计选用的是美国热电公司产品。

对于延长石油循环流化床装置输送床气化炉，通常所说的负荷是指投煤量。煤粉由输送气气力输送至气化炉，输煤管线无调节阀，煤粉流量的大小通过调节给料斗压力和压力解耦装置的输送气量实现。

延长石油循环流化床气化炉氧煤比控制逻辑是以煤粉的流量通过氧煤比的设定串级控制氧气的流量，即常说的“以煤定氧”。该控制逻辑的核心是氧煤比的设定值。当煤粉流量相对较稳定时，以氧气流量的测量值与煤粉流量的测量值的比值作为软测量值，参与氧煤的控制。氧煤比控制逻辑为：操作员手动输入氧煤比，作为控制回路的设定值，并以实际氧气流量与实际煤粉流量或煤粉流量设定值的比值作为控制回路的测量值。为防止氧煤比控制失效造成的气化炉超温，同时提高控制的安全性，在氧煤比控制回路输出端设置自动选择器。当气化炉温度超过设定值后，氧气流量不再受氧煤比控制，程序自动切换至经多点高选的气化炉最高点温度来实现控制。

为提高控制的精确性，在氧气分配回路中加入了手动偏差函数，以微调多回路氧气流量的分配；同时，在气化炉各氧气喷嘴上方取一温度信号，以单回路PID控制的方式修正氧煤比控制回路。

延长石油循环流化床气化炉氧煤比控制逻辑，仅在提高负荷和气化炉平稳运行时投用，降负荷时不投用，以防止超氧超温，造成安全事故。

1.3 德士古气化炉控制策略

德士古气化工艺为水煤浆加压气化，与SHELL壳牌气化炉、HT-L航天炉和延长石油循环流化床气化炉在进煤流程上存在较大差异。水煤浆流量的调节不采用调节阀或输送气量调节，而是采用变频高压煤浆泵的速度调节；同时，泵的转速信号也转变成煤浆流量[4]。另外，在煤浆流量方面，采用两台非标准设计的电磁流量计实时测量煤浆流量。对比三个煤浆流量值，取其中值参与到氧煤比控制[5]。

氧气流量的测量与干煤粉气化工艺基本一致，采用三台串联的流量计。三个流量信号经温压补偿后，选中值参与到氧煤比控制中。

德士古气化炉氧煤比控制方案的显著特点是不存在“以氧定煤”或“以煤定氧”的逻辑。其核心参数为氧煤比的设定值。对比氧气流量和氧煤比通过计算得到的煤流量与通过交叉限幅器[6-7]设定负荷煤流量，取二者的高选数值控制煤浆泵的转速，从而控制水煤浆流量。对于测量的煤浆流量和通过交叉限幅器设定负荷的煤流量，取二者的低选数值，与氧煤比通过计算得到氧气流量的设定值，从而控制氧气流量。对煤的控制始终是高选，对氧的控制始终是低选。该控制逻辑在加、减负荷时，能自动实现加负荷时先提煤浆量后提氧量、减负荷时先降氧量再降煤浆量[8]，有效地控制了气化炉的温度和合成气的组分。

2 几种氧煤比控制策略的优缺点

2.1 SHELL壳牌气化炉

SHELL壳牌气化炉氧煤比控制策略的优点在于：氧煤比控制理念超前，思路灵活，手段多元化，适应多种工况。

其不足之处如下。

①没有直接测量气化炉炉膛温度的仪表[6]，控制逻辑中未加入温度对氧煤比的修正及超弛。虽然氧气流量是通过低选手段控制，但系统一旦出现扰动，会造成超氧情况。该控制方案无抑制手段。

②以合成气中CO2的含量作为氧煤比的控制器误差较大。为减少合成器中无效气体组分，干煤粉加压气力输送所选的输送气一般采用CO2，这会导致气化炉出口合成气中CO2分析数值变化较大，因此投用率较低。

③以合成气中CH4含量作为氧煤比的控制器难度较大。SHELL壳牌气化炉炉膛温度较高，合成气中CH4含量较低，在线分析仪表测量难度较大，又相对较为滞后，因此投用率较低。

2.2 延长石油循环流化床气化炉

延长石油循环流化床气化炉的优点在于：在氧煤比控制策略中加入温度超弛和温度修正，从控制角度来看，其控制更为精确。

其不足之处如下。

①煤粉流量测量误差较大，“以煤定氧”的控制逻辑在煤粉输送量波动较大时，容易造成超氧。因此，该气化炉对煤粉气力输送的平稳性和煤粉流量计测量的准确性要求较高。

②煤粉流量的控制未加入到控制逻辑中，控制的精准度和自动化程度有待提高。

③氧煤比控制策略只能在加负荷或平稳运行时候投用，不能实现自动减负荷操作。

2.3 德士古气化炉

德士古气化炉的优点在于：负荷控制与交叉限幅选择控制耦合，以氧煤比值为设定值，通过高、低选择器同时控制氧气和煤粉流量，以达到所设定的氧煤比值。

其不足之处在于：氧煤比控制逻辑中未加入温度或其他工艺参数对氧煤比的修正。

3 结束语

本文通过对国内主流煤气化氧煤比控制策略的研究，阐述了不同工艺路线氧煤比控制思路及其优缺点。针对不同的工艺路线、不同的煤粉进料方式和气化炉炉型，应设计与之相适应的氧煤比控制策略。同时，应根据不同煤种、不同工艺条件，不断地摸索气化工况，建立优化函数，并结合实际操作经验对氧煤比控制策略加以修正。该研究有助于优秀操作员经验的数据化、程序化，从而能更精准地实现氧煤比控制，促进装置的稳定、安全、可靠、经济运行。

参考文献:

[1] 李国胜.大型煤制烯烃项目之壳牌煤气化装置氧煤比控制措施研究[J].化肥设计,2013,51(2):35-37.

[2] 张振基.HT-L航天炉的负荷控制 [J].甘肃科技.2015,31(21):49-51.

[3] 李国胜,葛鸿昌.SHELL煤气化装置氧煤比控制措施[J].自动化应用，2013(4):11-13.

[4] 王延年,杨鹏燕,杨珍.煤气化系统中的氧煤比控制 [J].西安工程大学学报,2009,23(6):104-108.

[5] 练建华.煤浆自动跟踪系统在氧煤比调节中的应用 [J].化学工业与工程技术,2013,34(5):35-38.

[6] 刘欢.煤气化的氧煤比控制[J].广州化工,2014,42(19):160-162.

[7] 徐其伦.渭河化肥厂气化炉氧煤比控制 [J].石油化工自动化,1997(6):3-8.

[8] 陶明春,杜敏,郝英立.氧煤比对气流床煤气化过程的影响[J].热科学与技术,2010,9(2):176-181.