氣流床煤氣化粉煤輸送技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

于利紅

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司，山東 滕州 277527)

氣流床煤氣化技術(shù)按原料進(jìn)料方式不同，分為水煤漿氣化及粉煤氣化。水煤漿氣化技術(shù)氣化壓力高(可達(dá)8.5 MPa)，水煤漿在高壓下能夠穩(wěn)定輸送；粉煤氣化技術(shù)對(duì)煤種的適用性廣，能解決三高煤(高灰、高硫、高灰熔點(diǎn))的綜合利用問(wèn)題，氣化效率高。我國(guó)工業(yè)運(yùn)行粉煤氣化技術(shù)主要包括Shell、GSP、航天爐。粉煤氣化裝備一般包括粉煤制備與輸送單元、氣化單元、合成氣初步凈化及渣水處理單元，粉煤輸送的穩(wěn)定性影響整個(gè)氣化系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外研究者在粉煤穩(wěn)定輸送方面進(jìn)行了大量研究，包括不同載氣、密相輸送、不同補(bǔ)氣方式等。

1 粉煤輸送技術(shù)現(xiàn)狀

粉煤氣化原料輸送單元設(shè)備一般包括常壓粉煤儲(chǔ)倉(cāng)、粉煤鎖斗、加料罐(下料罐)等。其工藝流程為：來(lái)自粉煤制備系統(tǒng)的合格煤粉通過(guò)氣力輸送送入常壓煤粉儲(chǔ)倉(cāng)，通過(guò)粉煤鎖斗按照一定的順控程序?qū)⒊好悍蹆?chǔ)倉(cāng)內(nèi)粉煤送入加料罐，通過(guò)控制加料罐與氣化爐壓差將粉煤送入氣化爐中參與反應(yīng)。粉煤鎖斗順控一般包括加料、充壓、下料、卸壓等四個(gè)循環(huán)步驟，加料罐維持與氣化爐一定壓差，保持煤粉輸送流量的穩(wěn)定性[1-3]。

不同粉煤氣化技術(shù)，其粉煤輸送工藝整體均相似，不同點(diǎn)包括鎖斗數(shù)量、給料罐出料方式、粉煤管線補(bǔ)氣設(shè)備等。不同粉煤氣化技術(shù)粉煤鎖斗數(shù)量不同，其中Shell、航天爐為單粉煤鎖斗，四噴嘴粉煤氣化技術(shù)(兗礦集團(tuán)與華東理工)為雙粉煤鎖斗，科林為三粉煤鎖斗。不同鎖斗數(shù)量其鎖斗順控程序不同，鎖斗越多順控越復(fù)雜，需各鎖斗間配合運(yùn)行，但安全性較單鎖斗較高。粉煤加料罐出料方式不同，GSP為上出料，Shell、航天、東方爐為下出料，董衛(wèi)賓[4-5]研究了不同出料方式粉煤氣化技術(shù)，發(fā)現(xiàn)粉煤流率沒(méi)有明顯差別。

表1 典型氣流床煤粉氣化技術(shù)煤粉輸送單元構(gòu)成及專用設(shè)備

2 煤氣化粉煤輸送系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

杜仁杰[6]介紹了粉煤管線新型充氣器在航天粉煤氣化技術(shù)中的應(yīng)用，針對(duì)粉煤載氣含有O2及H2S雜質(zhì)反應(yīng)生成單質(zhì)硫并吸附和燒結(jié)金屬表面，造成燒結(jié)金屬濾孔堵塞的問(wèn)題，將燒結(jié)金屬換為開(kāi)有小孔的不銹鋼材質(zhì)。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，新型充氣器能夠滿足工藝所需流化氣的需求。

劉明亮[7]介紹了航天粉煤氣化技術(shù)粉煤鎖斗關(guān)鍵附屬設(shè)備結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，為保證粉煤充分流化，防止粉煤架橋堵塞，粉煤鎖斗下部設(shè)充氣錐。粉煤充氣器設(shè)于粉煤鎖斗與加料罐之間管道上，用于在粉煤鎖斗間歇向加料罐供料前充氣流化管線中的粉煤。充氣錐及管道充氣器均為內(nèi)外套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為燒結(jié)金屬。流化氣先進(jìn)入外管與內(nèi)部燒結(jié)金屬環(huán)隙，通過(guò)燒結(jié)金屬表面多孔結(jié)構(gòu)空隙形成一定流化風(fēng)，流化設(shè)備及管道中的煤粉(圖2)。

圖1 充氣錐結(jié)構(gòu)

圖2 管道充氣器結(jié)構(gòu)[7]

溫劍風(fēng)[8]介紹了粉煤三通閥的國(guó)產(chǎn)與應(yīng)用，粉煤三通閥抗沖刷能力強(qiáng)，不易卡死，閥門(mén)動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、到位。

光自鋒[9]介紹了國(guó)產(chǎn)盤(pán)閥在航天粉煤氣化技術(shù)中的應(yīng)用，盤(pán)閥通過(guò)滑動(dòng)圓盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的一種快開(kāi)、快關(guān)閥門(mén)，適用于帶有磨損、沖蝕性的物料。工業(yè)裝置運(yùn)行表明：國(guó)產(chǎn)盤(pán)閥能夠達(dá)到粉煤輸送裝置工藝要求，具有良好的耐沖刷、耐腐蝕性。

3 煤氣化粉煤輸送系統(tǒng)研究進(jìn)展

研究表明[5]，影響粉煤流化的主要因素為載氣的粘度；在相同煤粉濃度條件下，不同載氣種類條件下，管道壓降變化較?。籆O2與空氣作為載氣時(shí)，同等氣速下空氣輸送量較大且穩(wěn)定，較高固/氣比時(shí)，不同載氣輸送量差別較小。CO2與N2作為載氣，較低表觀氣速時(shí)輸送差異較小，當(dāng)表觀氣速增大時(shí)差異較大，N2輸送濃度及輸送量均大于CO2。

戴樂(lè)亭[10]分析了CO2代替N2作為粉煤輸送載氣對(duì)以航天爐為氣頭的甲醇裝置的影響，表明CO2作為載氣降低系統(tǒng)N2消耗，提高合成氣中CO含量，甲醇產(chǎn)量提高。

從星亮[11]研究了粉煤密相輸送穩(wěn)定性與輸送系統(tǒng)壓力的關(guān)系，建立了弗勞德數(shù)粉煤流動(dòng)穩(wěn)定判據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)r等于10為煤粉是否穩(wěn)定輸送的臨界值：當(dāng)Fr大于10，粉煤輸送系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)Fr小于10，粉煤輸送系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。作者據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了粉煤堵塞三種形式及臨界氣速預(yù)測(cè)模型。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.1 MPa時(shí)，以CO2為載氣的輸送量大于以N2為載氣；壓力大于0.15 MPa時(shí)，兩種載體輸送量相當(dāng)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，建立了關(guān)于粉煤氣力輸送經(jīng)濟(jì)氣速、直管壓降的計(jì)算模型，定義了水平管及豎直管中不同的流型。

劉凱[12]研究了高濃度粉煤流經(jīng)文丘里管的特征與規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，文丘里管應(yīng)用于粉煤輸送系統(tǒng)，能夠顯著提升系統(tǒng)壓力，降低煤粉流量，但能耗增加。文丘里管及調(diào)節(jié)閥占煤粉輸送系統(tǒng)總壓降分率達(dá)50%～90%。研究了不同文丘里喉管直徑對(duì)粉煤輸送量的影響。當(dāng)輸送過(guò)程中體積固/氣比、表觀氣速、氣體密度增加，文丘里管壓降相應(yīng)增加。

陸海峰[13]研究了通氣料倉(cāng)下料的影響因素(料倉(cāng)通氣方式見(jiàn)圖3)。研究表明，錐部通氣存在最佳充氣高度，線式通氣最佳通氣徑向半徑比r/r0為7.1，面式通氣最佳通氣徑向半徑比r/r0為4.7。在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證了通氣速率對(duì)粉煤下料流率的影響。以Geldart C類粉體為實(shí)驗(yàn)原料，研究了Neddeman下料流率的預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，其偏差在20%以內(nèi)。當(dāng)壓力在0～800 kPa范圍內(nèi)，粉煤下料流率隨著料倉(cāng)壓力增加而增加。

圖3 料倉(cāng)通氣方式[13]

4 粉煤輸送系統(tǒng)常見(jiàn)故障

文獻(xiàn)[14]報(bào)道GSP粉煤氣化技術(shù)運(yùn)行中出現(xiàn)粉煤輸送系統(tǒng)圓頂閥損壞的情形，事故原因?yàn)檩斔蜌鈿鈮翰蛔慵敖泳€錯(cuò)誤。

文獻(xiàn)[1]報(bào)道Shell氣化技術(shù)運(yùn)行中出現(xiàn)粉煤鎖斗架橋現(xiàn)象。解決措施為提高粉煤鎖斗伴熱溫度及嚴(yán)格控制煤粉含水量，防止粉煤水分過(guò)高造成粉煤鎖斗粉煤結(jié)塊架橋。

文獻(xiàn)[15]航天爐氣化技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)粉煤儲(chǔ)罐過(guò)濾器堵塞，原因?yàn)榈獨(dú)獯祾吖芫€吹掃氣流量較大、防雨罩結(jié)構(gòu)不合理、儲(chǔ)罐內(nèi)外溫差大導(dǎo)致儲(chǔ)罐過(guò)濾器錐部堵煤。經(jīng)提高進(jìn)入粉煤儲(chǔ)罐過(guò)濾器氮?dú)鉁囟取⒏淖兎趴展芨叨?、放空管添加伴熱等措施后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[16]報(bào)道航天爐臨泉示范工程針對(duì)粉煤輸送系統(tǒng)粉煤運(yùn)行后未及時(shí)清除造成粉煤設(shè)備架橋、管道堵塞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了回煤管線。系統(tǒng)停車時(shí)，粉煤在兩粉煤輸送裝置中流動(dòng)，避免了粉煤長(zhǎng)時(shí)間存放造成系統(tǒng)堵塞。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤氣化技術(shù)粉煤輸送單元運(yùn)行狀況影響煤氣化工業(yè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。為此，研究者們進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，包括載氣種類、補(bǔ)氣器及充氣錐等關(guān)鍵設(shè)備、鎖斗順控程序、不同出料方式、不同粉煤輸送臨界流速模型等，為煤氣化技術(shù)工藝改進(jìn)及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。對(duì)不同種類粉煤氣化技術(shù)工業(yè)裝置在運(yùn)行中針對(duì)不同的運(yùn)行故障，提出了具體的改進(jìn)措施，為粉煤氣化技術(shù)安全穩(wěn)定運(yùn)行積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。