粉煤氣化裝置中磨煤機與循環(huán)風(fēng)機利用氣化副產(chǎn)蒸汽聯(lián)合驅(qū)動方案

呂 品 楊振中 劉明亮 羅 濤 廣 翠

（航天長征化學(xué)工程股份有限公司）

2021 年5 月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于加強高耗能、高排放項目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見》，明確煤化工為“雙高”行業(yè)，要求嚴(yán)控行業(yè)耗能強度和總量；2021 年10 月21 日， 國家發(fā)改委等多部委聯(lián)合發(fā)布了發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2021〕1464 號文《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動重點領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》，要求對于“雙高”行業(yè)進行從高定標(biāo)、對標(biāo)改造， 引導(dǎo)行業(yè)平均能效向標(biāo)桿能效靠攏；對于煤化工企業(yè)而言，節(jié)能降耗不僅是降低能源消費的重要手段，也是實現(xiàn)低碳化，實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的關(guān)鍵措施。 對現(xiàn)有的煤化工企業(yè)進行節(jié)能改造，新建煤化工企業(yè)從嚴(yán)、從高制定排放標(biāo)準(zhǔn)再進行建設(shè)，將是煤化工企業(yè)發(fā)展的必由之路。 在煤化工企業(yè)中，需要采用更有效的節(jié)能技術(shù)，以實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

1 現(xiàn)狀

1.1 氣化裝置能耗突出

在煤化工企業(yè)中，大部分以煤氣化裝置為龍頭，先將原料煤轉(zhuǎn)化成以CO 和H2為主的粗合成氣，再到下游裝置合成產(chǎn)品。 由于能源轉(zhuǎn)化效率較高、排放清潔、運行可靠穩(wěn)定，粉煤加壓氣化成為大部分煤化工企業(yè)的主流選擇之一。 在煤制合成氨或煤制甲醇企業(yè)中，氣化裝置能耗約占全廠能耗的80%以上，氣化裝置的節(jié)能增效需求極其迫切，因此，帶熱回收的粉煤氣化爐將成為必然的選擇，未來新建的多數(shù)煤氣化裝置將具備副產(chǎn)中高壓蒸汽的能力，充分利用高溫合成氣的熱量副產(chǎn)蒸汽，從而大幅提高氣化裝置的能量利用效率。

1.2 磨煤機和循環(huán)風(fēng)機的能耗占比大

在粉煤氣化裝置中，磨煤干燥（CMD）是氣化工藝過程的第1 道工序，主要目的是將輸煤皮帶送來的10～30 mm 的帶水碎煤， 經(jīng)過磨煤機的研磨以及來自惰性氣體發(fā)生器的高溫惰性氣體的干燥，使煤粉達(dá)到氣化爐對粉煤粒徑和水分的要求；將干燥的粉煤輸送至粉煤袋式過濾器進行分離后送至粉煤貯罐，分離出的惰性氣體部分排放至大氣，剩余部分經(jīng)循環(huán)風(fēng)機進入惰性氣體發(fā)生器循環(huán)使用。

在磨煤干燥單元中， 磨煤機對原煤進行碾磨，循環(huán)風(fēng)機提供熱風(fēng)循環(huán)的動力，是氣化裝置中能耗較高的設(shè)備，二者用電負(fù)荷相當(dāng)于氣化裝置總用電負(fù)荷的60%左右，如使用較難磨的無煙煤、石油焦等，或者含水較高的褐煤作為原料時，由于需要更大的研磨出力和干燥氣量， 將導(dǎo)致磨煤機和循環(huán)風(fēng)機的消耗更高。 因此，粉煤氣化裝置的磨煤機和循環(huán)風(fēng)機具備較大的節(jié)能潛力。

1.3 傳統(tǒng)驅(qū)動型式

在傳統(tǒng)的磨煤干燥單元設(shè)計中，磨煤機和循環(huán)風(fēng)機一般分別采用電機驅(qū)動，以使用煙煤作為原料的某年產(chǎn)60 萬噸甲醇項目為例， 磨煤機主電機單機額定負(fù)荷為670 kW， 循環(huán)風(fēng)機電機單機額定負(fù)荷為800 kW， 同時運行兩個磨煤干燥系列，磨煤機主電機和循環(huán)風(fēng)機電機的運行負(fù)荷合計高達(dá)2 580 kW， 相當(dāng)于氣化總運行負(fù)荷的70%左右。

2 磨煤機和循環(huán)風(fēng)機聯(lián)合汽驅(qū)方案

2.1 聯(lián)合汽驅(qū)方案

2.1.1 聯(lián)合汽驅(qū)的基本條件

在氣化裝置中，磨煤機和循環(huán)風(fēng)機一般鄰近布置在氣化框架或磨煤島框架內(nèi)，而且通常情況下，兩設(shè)備均為中心布置，利于同軸設(shè)計，天然具備聯(lián)合驅(qū)動的布置條件；在帶余熱回收的氣化爐裝置中，氣化裝置具備副產(chǎn)中高壓等級蒸汽的能力 （一臺2 000 t 級的粉煤氣化爐副產(chǎn)蒸汽能力為40～60 t/h）， 如果采用汽輪機聯(lián)合驅(qū)動磨煤機和循環(huán)風(fēng)機，僅需消耗氣化裝置的副產(chǎn)蒸汽即可滿足要求。 這也符合余熱就近利用的原則，避免了蒸汽遠(yuǎn)距離輸送帶來的溫度壓力損失和凝水損失。

2.1.2 汽輪機選型

首先，從進汽參數(shù)看，氣化裝置副產(chǎn)蒸汽通常為4.0～9.8 MPa 的中高壓飽和蒸汽， 裝置內(nèi)一般不具備過熱條件，或過熱此部分副產(chǎn)蒸汽需要額外增加燃料消耗， 不符合節(jié)能環(huán)保的要求，故汽輪機首選飽和工業(yè)汽輪機組。 飽和機組的缺點是末級葉片濕度大，對末級葉片設(shè)計和材質(zhì)要求較高，需要對末級葉片進行特殊設(shè)計，也可以根據(jù)末級葉片濕度情況， 考慮在級間增設(shè)再熱器，提升末級蒸汽干度， 降低末級葉片的材料成本，提高葉片可靠性。 飽和機組的中間疏水量相對較大，需要增加中間排水設(shè)計；同時飽和汽輪機進汽需要保證一定的干度，可以在進汽管線上增加汽水分離設(shè)備［1］。

其次，汽輪機一般有凝汽式和背壓式機組兩種型式。 由于凝汽式機組凝汽損失較大，設(shè)備整體熱效率不高，且因配套空冷設(shè)備，使得總投資、占地面積均較大， 而背壓式機組整體熱效率高，無需空冷，投資、占地面積較低，故首選背壓式機組。 背壓式機組排氣帶有一定的壓力，乏汽帶水量較低，可以大幅降低末級葉片水蝕的風(fēng)險。 背壓式機組的優(yōu)點還有汽輪機排出乏汽仍帶有部分熱量，可以作為全廠加熱、伴熱、采暖等蒸汽使用，符合能量梯級利用的原則，同時配套設(shè)備較少，操作、維護較為簡單。

綜上，汽輪機推薦首選飽和背壓式機組。

仍以某年產(chǎn)60 萬噸甲醇項目為例， 磨煤干燥單元為三系列配置（2 開1 備），單系列磨煤機和循環(huán)風(fēng)機聯(lián)合驅(qū)動汽輪機組額定功率可按1 500 kW 考慮，正常運轉(zhuǎn)功率1 300 kW，負(fù)荷率86.7%。 機組參數(shù)如下：

進汽參數(shù) 6.0 MPa±0.3 MPa（飽和）

排汽參數(shù) 0.65 MPa±0.20 MPa（飽和）

進汽量 約40 t/h

排汽量 約35 t/h

疏水量 約5 t/h

設(shè)備投資估算 300 萬元

2.1.3 汽輪機組的綜合熱效率

背壓式機組可視為熱功聯(lián)產(chǎn)機組，參照熱電聯(lián)產(chǎn)計算方法，得到機組熱效率計算式如下：

其中，η 為機組綜合熱效率，W 為輸出功，Q2為排汽熱值，Q1為進汽熱值。

6.0 MPa 飽和蒸汽焓值為2 783 kJ/kg，0.65 MPa 飽和蒸汽焓值為2 766 kJ/kg， 代入上式， 計算得到背壓式機組的η=（1300×3600+35×1000×2766）÷（40×1000×2783）×100%=91.17%。

根據(jù)GB 35574—2017 《熱電聯(lián)產(chǎn)單位產(chǎn)品能源消耗限額》， 熱電聯(lián)產(chǎn)機組年均總熱效率應(yīng)大于45%， 本例計算熱效率遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求，節(jié)能效果明顯。

2.2 機組聯(lián)合布置方案

聯(lián)合驅(qū)動機組示意圖如圖1 所示， 其中磨煤機、汽輪機組、循環(huán)風(fēng)機為同軸布置，汽輪機組與磨煤機和循環(huán)風(fēng)機通過離合器或聯(lián)軸器相連。

圖1 聯(lián)合驅(qū)動機組示意圖

考慮到需要降低控制的復(fù)雜性和操作難度，汽輪機采用3 000 r/min 的固定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

3 節(jié)能分析

以某年產(chǎn)60 萬噸甲醇項目為例， 與傳統(tǒng)電驅(qū)方式相比，副產(chǎn)蒸汽聯(lián)合驅(qū)動機組每年可節(jié)電2 080 萬kW·h，根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2020 年全國供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為305.5 g/（kW·h），以此數(shù)據(jù)推算，聯(lián)合驅(qū)動機組每年可節(jié)約標(biāo)煤約6 354 t。 另據(jù)氮肥行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020 年我國煤制甲醇行業(yè)粉煤氣化路線產(chǎn)能約1 679 萬噸， 根據(jù)產(chǎn)能推算，全部采用文中的聯(lián)合驅(qū)動方案總計可節(jié)約標(biāo)煤約每年17.78 萬噸，具備較好的節(jié)能效果。實際上， 粉煤氣化爐不僅僅限于煤制甲醇行業(yè)，在煤制油氣、乙二醇、乙醇等現(xiàn)代煤化工行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，故推廣此方案的節(jié)能潛力較大。

4 經(jīng)濟性和可靠性分析

4.1 經(jīng)濟性比較

聯(lián)合驅(qū)動機組和傳統(tǒng)電機驅(qū)動的主要運行成本對比見表1。

表1 主要運行成本對比

據(jù)調(diào)研， 聯(lián)合驅(qū)動機組驅(qū)動端設(shè)備投資約300 萬元，傳統(tǒng)電驅(qū)方式的驅(qū)動端設(shè)備投資約100萬元； 結(jié)構(gòu)上聯(lián)合汽驅(qū)方案需增加一個10 m×18 m 的兩層框架，按100 萬元估算；估算總投資差額約300 萬元。 根據(jù)表1 的運行成本對比，按一年8 000 h 計算，聯(lián)合驅(qū)動機組年節(jié)約費用約56 萬元， 估計5.4 年后即可收回增加的投資。 可見，采用聯(lián)合驅(qū)動機組方案具備良好的節(jié)能收益。 同時，聯(lián)合驅(qū)動方案實施難度低，總投資額低，可廣泛適用于新建項目和老廠節(jié)能改造。

氣化裝置副產(chǎn)的飽和蒸汽通過長距離管道輸送會造成較大的熱能損失，尤其是在北方寒冷地區(qū)冬季運行時，輸汽管道中冷凝水增多，會造成疏水損失、水擊等一系列問題。 如果飽和蒸汽能就近利用，可以避免蒸汽在長距離輸送過程中造成的溫壓損失和疏水損失， 減少蒸汽管線、疏水閥的配置，簡化熱力管網(wǎng)，同時也極大限度地避免了飽和蒸汽管線水擊的問題，增加了公用工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相當(dāng)于取得額外的收益。

4.2 可靠性分析

正常生產(chǎn)時，磨煤機和循環(huán)風(fēng)機均處于較高負(fù)荷運行，汽輪機運行穩(wěn)定，整體效率較高；當(dāng)原料煤煤質(zhì)發(fā)生變化或者進煤量調(diào)節(jié)時，磨煤機通過液壓拉桿調(diào)節(jié)研磨出力，通過風(fēng)煤比控制調(diào)節(jié)進風(fēng)量，通過旋風(fēng)分離器變頻電機調(diào)節(jié)出口粉煤粒徑；循環(huán)風(fēng)機通過液力耦合器或風(fēng)門開度調(diào)節(jié)風(fēng)量，與常規(guī)操作相同。

停車操作時，有可能需要循環(huán)風(fēng)機維持一定時間的運轉(zhuǎn)，以保持系統(tǒng)的惰性環(huán)境，此時汽輪機可以采用雙缸設(shè)計，分別驅(qū)動磨煤機和循環(huán)風(fēng)機，并在磨煤機主軸一側(cè)增加離合器［2，3］，通過汽輪機進汽閥控制進汽量， 實現(xiàn)磨煤機自動脫轉(zhuǎn)；此設(shè)計可以保證循環(huán)風(fēng)機在磨煤機停機后仍保持一段時間的穩(wěn)定運行，維持系統(tǒng)風(fēng)量。 當(dāng)因事故突發(fā)停車時，由于氣化爐產(chǎn)汽汽包具備一定的緩沖能力，實際上可以維持運行一段時間，使磨煤系統(tǒng)的惰性環(huán)境得以保持，可保證磨煤系統(tǒng)的安全性和有序退出。

為保證磨煤干燥系統(tǒng)整體的可靠性，建議備用磨煤生產(chǎn)線的磨煤機和循環(huán)風(fēng)機仍采用電機驅(qū)動，正常生產(chǎn)時僅作為備用，不耗能；汽輪機發(fā)生事故時可以將備用磨煤生產(chǎn)線啟動，再進行汽輪機檢修。

5 結(jié)束語

我國煤化工企業(yè)多以氣化為源頭，通過氣化爐將煤制成合成氣后再根據(jù)不同的合成工藝生產(chǎn)氨、甲醇、乙二醇、烯烴及油氣等產(chǎn)品；從近年的發(fā)展來看， 由于粉煤氣化具備較高的碳轉(zhuǎn)化率、較低的單位消耗、較寬的原料適應(yīng)性，已成為現(xiàn)代煤化工氣化路線的主流選擇。 隨著國家對煤化工企業(yè)進行能耗“雙控”，以及疊加政府最近出臺的“碳達(dá)峰”“碳中和”要求，氣化裝置采用節(jié)能降耗技術(shù)將是煤化工企業(yè)的必然選擇。 氣化爐本身為提高能效一般選擇帶有余熱回收的氣化爐型，而粉煤氣化的大量能耗又集中在磨煤干燥過程，磨煤機和循環(huán)風(fēng)機的節(jié)能降耗需求迫切。 筆者設(shè)計的利用氣化裝置副產(chǎn)蒸汽聯(lián)合驅(qū)動磨煤機和循環(huán)風(fēng)機的方案，恰好可以搭建耗能大戶和副產(chǎn)飽和汽源之間的橋梁，既降低了氣化裝置磨煤單元的能耗，又實現(xiàn)了氣化裝置副產(chǎn)飽和蒸汽的就地利用和梯級利用，避免了外送飽和蒸汽的疏水損失、水擊等一系列問題，增加了全廠蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時極大地提高了氣化裝置的經(jīng)濟性，具備較大的推廣價值。

當(dāng)汽輪機功率越高時， 汽輪機的內(nèi)效率越高， 由此可以進一步提高機組整體的熱效率：對于大型化的煤化工裝置或無煙煤、褐煤等非常規(guī)氣化煤質(zhì)的項目， 磨煤機和循環(huán)風(fēng)機的耗功更高， 汽輪機聯(lián)合驅(qū)動單套功率有望超過2 000 kW， 機組熱效率比文中示例項目再提高2%～3%，節(jié)能降耗效果顯著。