干粉煤氣化粉煤制備Aspen輔助設計介紹

胡文佳，吳紅亮，杜曉丹

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

近十幾年來，我國煤氣化技術(shù)取得了長足的發(fā)展，以水煤漿及粉煤氣化為代表的氣流床氣化技術(shù)，具有單爐生產(chǎn)規(guī)模大、三廢排放少等特點，被廣泛應用于大型煤化工項目中。然而，隨著近十年煤化工的高速發(fā)展，煙煤、無煙煤等優(yōu)質(zhì)不可再生能源已被大量利用，低質(zhì)煤(如褐煤)、高灰含量煤、高灰熔點煤等由于受到成漿性、灰含量、灰熔點等條件的限制，不宜采用水煤漿氣化技術(shù)，而干煤粉加壓氣化技術(shù)幾乎不受煤種的限制，因而近年來得到廣泛應用。

對于干粉煤加壓氣化技術(shù)，粉煤制備是整個工藝系統(tǒng)中不可或缺的部分，該工段設計的好壞，對于整個干煤粉加壓氣化工藝至關(guān)重要。

1 干粉煤氣化粉煤制備流程及其特點

干粉煤氣化由于其進氣化爐原料煤采用高壓密相輸送，原料煤必須經(jīng)過粉煤制備過程將原料煤粒度和水含量控制在適當范圍，以保證粉煤輸送過程的穩(wěn)定性。一般而言，對于煙煤，入爐粉煤含水量控制在2%左右；對于褐煤，由于其較高的活性，入爐粉煤含水量控制在8%左右，粉煤主體粒度在20～100μm之間。

將原料煤制備成滿足粉煤輸送的典型流程見圖1。原煤倉的碎煤經(jīng)煤稱重給料機進入磨煤機制粉，原煤的磨細和干燥在磨煤機中同時進行，磨煤系統(tǒng)的循環(huán)惰性氣是從循環(huán)風機出口進入熱風爐，并與熱風爐燃燒產(chǎn)生的高溫氣體混合，形成合格的惰性干燥氣體。惰性干燥氣進入磨煤機后，把一定細度的煤粉帶到位于磨煤機上部的分離器進行分離。不符合要求的粗煤粉落回到磨盤上，被再次碾磨。細度合格的煤粉隨干燥氣經(jīng)輸送管進入袋收粉器進行氣固分離，分離出的粉煤進入袋式除塵器下部的灰斗后送入氣化工段。

經(jīng)粉煤袋式收粉器分離后的惰性氣體通過循環(huán)風機加壓后部分放空，以排掉粉煤干燥過程中產(chǎn)生的水分，剩余惰性循環(huán)氣經(jīng)稀釋風機補入氮氣/空氣，調(diào)節(jié)水蒸氣含量后，再次循環(huán)進入熱風爐，從而形成磨煤干燥循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 典型的粉煤制備工藝流程

粉煤制備由于每種項目原料煤性質(zhì)的不同，特別是含水量及煤的活性不同，造成粉煤制備過程中水分的干燥量及粉煤產(chǎn)品含水量要求均不相同。此外，由于原料煤活性不同，對于進磨煤機高溫惰性氣體中氧含量的要求也不同。一般而言，為防止磨煤機中煤粉的爆燃，煙煤由于其活性較低，考慮將進磨煤機高溫惰性氣中氧含量控制在8%以內(nèi)；而對于褐煤，由于其較高的活性，氧含量需要控制在5%以內(nèi)。因此，對于惰性循環(huán)氣體放空后的稀釋氣體，也需要根據(jù)原料煤的特點選擇氮氣或者空氣，抑或補入部分氮氣、空氣，以滿足高溫惰性氣體的氧含量要求。

對于任何一個煤化工項目，由于其原料煤性質(zhì)均不相同，而粉煤制備過程中設備的選型、公用工程消耗等均和煤質(zhì)相關(guān)，也就是說，在項目前期，如可行性研究、總體設計階段，在沒有工藝包的前期下，需要提出初步設計條件，粉煤制備工段的消耗需要根據(jù)煤質(zhì)進行模擬計算，才能提出相對合理的條件，由于以往項目資料煤質(zhì)數(shù)差別較大，參考意義不是很大。

另外，根據(jù)圖1中典型的粉煤制備工藝流程可以看出，粉煤制備工段除原料煤倉等少數(shù)非標設備外，幾乎全部為定型設備。在定型設備詢價過程中，必須提出準確的進出口條件，才能保證廠家的定型設備選型準確。然而由于一些專利商的工程經(jīng)驗不足，對粉煤制備工段設計的準確性較差，也需要工程設計人員在實際運行工程數(shù)據(jù)的基礎上，建立合適的模型，一方面對專利商提供的數(shù)據(jù)進行校核，另一方面確保在定型設備詢價過程中輸入條件的準確性。

2 粉煤制備Aspen模型流程的建立

2.1 模型組分和物性的定義

用Aspen軟件模擬計算時，一般將所涉及的組分分為三類物質(zhì)：常規(guī)物質(zhì)、常規(guī)惰性固體和非常規(guī)物質(zhì)。由于煤的物性和組成千差萬別，屬于非常規(guī)物質(zhì)，在模擬計算過程中需要選擇合適的物性模型使其與本身物料性質(zhì)相匹配。

Aspen采用HCOALGEN模型，根據(jù)煤的煤質(zhì)組成來計算煤的焓值，采用DCOALIGT來計算煤的密度。定義煤的組分和性質(zhì)見圖2和圖3。

圖2 Aspen設置非常規(guī)組分煤(WETCOAL)

圖3 Aspen非常規(guī)組分煤的模型參數(shù)設置

對于非常規(guī)組分性質(zhì)設置，HCOALGEN中Option codes均設置為1，此外還需輸入PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL三個參數(shù)，三個參數(shù)分別為煤的工業(yè)分析、元素分析及硫含量組成，在輸入物流過程中需要進行規(guī)定。

在定義模型流股類型中，由于存在粉煤流股，需要將流股類型選擇為MIXNCPSD。此外，由于粉煤制備流程操作壓力在近常壓(-6～7kPa(g))，因此流程模擬中大氣壓的設置尤為重要，務必將大氣壓設定為項目建設地點的大氣壓，否則模擬結(jié)果將會產(chǎn)生很大的偏差。具體設置見圖4。

圖4 Aspen流程模擬總體設置

2.2 模擬流程操作模塊的選擇

對于磨煤機而言，煤的碾磨與干燥是同時進行的，然而Aspen是一種用來模擬物料和熱量平衡的軟件，粒度的變化在此不考慮，僅考慮煤的干燥過程，采用RStoic反應器模塊進行模擬。

對于熱風爐而言，由于熱風爐所燃燒的燃料氣組成已知，采用微過量空氣完全燃燒產(chǎn)生熱量加熱循環(huán)惰性氣，也采用RStoic反應器模塊進行模擬。

循環(huán)風機、助燃風機、密封風機及稀釋風機均采用Compr模塊，袋式收粉器采用Flash2模塊。

2.3 粉煤制備流程模擬計算基礎及原理

Aspen默認所有的非常規(guī)物質(zhì)分子量為1，對于煤的干燥過程，相當于煤的一部分轉(zhuǎn)化成了水。由于煤的分子量為1，水的分子量為18，因此磨煤機RStoic反應器反應方程如下：

WETCOAL→0.0555084H2O

在煤的干燥過程中，煤的含水量將會發(fā)生變化，由于煤質(zhì)數(shù)據(jù)PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL等三個參數(shù)除水含量外，均為干基組成，因此煤干燥前后僅需將工業(yè)分析PROXANAL中水含量組成進行修改。

2.4 粉煤制備流程模擬及控制方案

基于2.2Aspen模塊的選擇及2.3中的計算基礎，粉煤制備Aspen模擬流程見圖5，為模擬工藝過程中系統(tǒng)的熱量損失，設置B6及B7換熱器。

圖5 粉煤制備工藝Aspen模擬流程

在模擬過程中，設置一些工藝控制回路，主要包含：①稀釋N2(或者空氣)流量DIL-N2控制磨煤機COALMILL出口惰性氣體的水含量；②助燃風機空氣流量RAC-AIR控制熱風爐B8燃燒時氧氣過量系數(shù)；③磨煤機出口流股MIX溫度控制熱風爐燃料氣FG流量，保證高于其露點溫度約20℃；④控制循環(huán)氣放空量使循環(huán)氣流量與原料煤量成正例。

此外，在磨煤機運行過程中，分別需要密封氮氣SEAL-N2及密封空氣SEAL-AIR，模擬過程中輸入的量為進入磨煤機的量，并非密封風機及密封氮氣的真實流量。

3 模擬計算結(jié)果分析

為了驗證粉煤制備模擬的可靠性，以某項目中采用的煤質(zhì)為依據(jù)，將模擬計算結(jié)果與某實際運行項目數(shù)據(jù)文件做比較，來驗證模擬計算的準確性。項目煤質(zhì)為榆家梁礦，煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

由上表可以看出，此煤質(zhì)為典型的煙煤，對于粉煤氣化而言，粉煤制備過程中將煙煤干燥到水分約占2%。此外，對于放空惰性氣中水含量的控制，過低時會造成較多的熱量損失，過高時放空過程中若環(huán)境溫度過低，會出現(xiàn)“凍雨”的現(xiàn)象，一般控制在32%以內(nèi)。

設置原煤處理量為92.253t/h(項目運行參數(shù)一致)，主要工藝參數(shù)模擬結(jié)果與項目運行結(jié)果對比見表2。

表2 模擬計算結(jié)果與某實際運行項目對比

由上表可以看出，Aspen模擬計算的粉煤制備工藝計算結(jié)果和項目實際運行數(shù)據(jù)基本一致。由于熱損失裕量考慮不同，熱風爐熱負荷結(jié)果稍有偏差。循環(huán)惰性氣體流量模擬計算值在考慮設計裕量后，也和項目實際運行的數(shù)值相符合。

綜上所述，建立的Aspen模擬流程能夠準確地模擬粉煤制備過程中各項工藝參數(shù)，具有指導工程設計的意義。

4 粉煤制備過程中的常見問題及解決方案

4.1 磨煤機震動

磨煤機磨盤上煤量過多或過少，都會導致磨煤機磨盤上煤層不均勻，應通過調(diào)節(jié)給煤量或循環(huán)風量的參數(shù)，使磨盤上煤層厚度趨向均一。此問題通常出現(xiàn)在開車或者磨煤機負荷調(diào)整過程中。

4.2 粉煤在磨煤機中閃爆

當磨煤循環(huán)氣系統(tǒng)中氧氣含量控制失效后，高溫循環(huán)氣在磨煤機中遇到細顆粒煤粉會導致煤粉在磨機中閃爆，進而導致安全事故。

此種工況應對磨煤系統(tǒng)的密閉性進行檢查，排查是否存在較大的泄漏點，使敞開系統(tǒng)中的空氣進入到了磨煤系統(tǒng)中。同時，在磨煤機入口處設置氧含量檢測，當氧含量超過限定值后，磨煤系統(tǒng)應進行緊急停車。

4.3 磨煤機出口溫度波動大

給煤機負荷變化過大、原料煤水質(zhì)變化較大，熱風爐燃料波動等均會影響磨煤機出口的溫度。給煤量變化的調(diào)整應與熱風爐溫度控制同步，避免調(diào)整幅度過大。此外，磨煤系統(tǒng)存在泄漏點也會導致以上問題，若出口溫度波動較大，也應進行系統(tǒng)泄漏點消除。

4.4 磨煤系統(tǒng)壓力異常

磨煤系統(tǒng)壓力異常的主要原因有磨煤機分離器堵塞、放空調(diào)節(jié)閥故障、循環(huán)風機故障等。在設計過程中設置磨煤機進出口壓差檢測，及時檢測磨煤機出入口的壓差，設置磨機出口壓力控制循環(huán)氣放空量，控制磨煤機系統(tǒng)壓力平衡。

5 結(jié)語

本文針對粉煤制備工藝的特點，建立了粉煤制備的Aspen全流程模擬，通過與實際運行項目數(shù)據(jù)的對比，驗證了流程模擬的準確性。此外，分析了粉煤制備過程中的常見問題，并給出相應解決方案。

隨著化工設計行業(yè)的發(fā)展，全流程模擬在工程設計中的作用也越來越重要，尤其對于新型工藝技術(shù)而言，通過流程模擬能夠幫助設計人員盡快掌握工藝技術(shù)難點，熟悉工藝流程，保證工程設計的順利進行。