原料氨裝置升級工程褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)設(shè)計

張勇杰，高亭亭，劉 棟，劉子勛，尤清華，張祖棟

(1.北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401；2.河北省廊坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 廊坊 065000 )

0 引言

我國是世界第一大煤炭生產(chǎn)國，煤炭年產(chǎn)量約40 億t，其中褐煤年產(chǎn)量約3 億t[1-2]。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國的主要產(chǎn)煤地，在我國已探明的褐煤儲量中，以內(nèi)蒙古東北部地區(qū)最多，約占全國褐煤保有儲量的75%[3]。褐煤具有含水量高、易燃易爆，難以運輸和儲存的缺點，制約了褐煤資源的利用[4-5]。對褐煤進(jìn)行干燥脫水提質(zhì)，可提高褐煤的能量密度，降低其運輸成本，減小下游設(shè)備規(guī)模。同時，由于某些后處理設(shè)備對下游原料水分有一定要求，而干燥脫水提質(zhì)可進(jìn)一步滿足此類設(shè)備入口處煤質(zhì)參數(shù)需求。

某新建原料氨裝置廠址選在靠近褐煤產(chǎn)地的內(nèi)蒙古某地級市，方便獲取氣化原料，該地區(qū)年平均最高氣溫25 ℃，夏季平均最高氣溫29.1 ℃，冬季平均最低氣溫-18.8 ℃，極端最低氣溫-32 ℃。附近原有另一原料氨制備工程(以下稱為“原工程”)，原工程原煤平均水分含量最高可達(dá)36%，后工序磨煤機(jī)最高可承受水分含量20%的入料。為保證其運行穩(wěn)定，預(yù)干燥系統(tǒng)考核指標(biāo)要求干煤含水量不超過15%。原工程采用滾筒式干燥機(jī)對褐煤進(jìn)行預(yù)干燥提質(zhì)處理，以高溫?zé)煔庾鳛楦稍锝橘|(zhì)，干燥效果不穩(wěn)定，干燥后褐煤水分在20%以上，難以滿足磨煤機(jī)進(jìn)料要求，達(dá)不到干煤考核指標(biāo)。原工程運行期間曾發(fā)生爆炸現(xiàn)象，爆炸時干燥機(jī)內(nèi)部氣壓驟然升高，煙氣返入熱風(fēng)爐，致熱風(fēng)爐被炸毀。且原預(yù)干燥系統(tǒng)未實現(xiàn)全自動控制，現(xiàn)場有操作人員穿行，原干燥系統(tǒng)煤粉泄露現(xiàn)象嚴(yán)重，易發(fā)生粉塵爆炸，嚴(yán)重威脅操作人員人身安全。新建原料氨裝置配煤條件與原工程相同，為避免再次出現(xiàn)上述問題，該新建原料氨裝置工程(以下稱為“升級工程”)重新設(shè)計了預(yù)干燥生產(chǎn)線。

1 問題分析

經(jīng)現(xiàn)場考察后，發(fā)現(xiàn)原工程褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)存在以下問題：

1)滾筒式干燥機(jī)采用高溫?zé)煔庾鳛楦稍锝橘|(zhì)，與蒸汽相比，沒有相變潛熱可利用，干燥時間長。同時該設(shè)備物料填充系數(shù)小、體積大、筒體長，褐煤在筒體內(nèi)停留時間較長且干燥程度不均勻。

2)褐煤機(jī)械強度低，運輸與干燥過程中易破碎粉化，粉化的褐煤在滾筒內(nèi)停留時間長，容易引發(fā)煤粉爆炸。除此之外，干煤輸送設(shè)備、除塵器等工作溫度較高或煤粉易積聚的設(shè)備同樣存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險。

3)滾筒式干燥機(jī)筒體在工作時是轉(zhuǎn)動的，而進(jìn)、出料裝置是靜置的，若接口部位設(shè)置不合理，很難做到良好密封，容易發(fā)生煤粉泄漏。泄露到環(huán)境中的煤粉聚集堆積或濃度過高，也存在爆炸的風(fēng)險。

2 升級方案

因升級工程其他生產(chǎn)線需用到低壓蒸汽，廠內(nèi)有充足蒸汽源可利用，蒸汽源壓力0.6 MPa、蒸汽溫度180 ～200 ℃。因此升級工程采用安全性能和干燥效果更好的蒸汽管式干燥機(jī)預(yù)干燥系統(tǒng)，干燥機(jī)入口蒸汽壓力0.5 MPa、蒸汽溫度152 ℃。

2.1 系統(tǒng)工藝流程

蒸汽管式干燥機(jī)預(yù)干燥系統(tǒng)采用蒸汽作為干燥介質(zhì)與褐煤進(jìn)行間接換熱，以廉價易得的空氣作為載濕氣體，褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)包括原煤輸送設(shè)備、干燥機(jī)、冷凝液回收裝置、干煤輸送設(shè)備、除塵設(shè)備等。預(yù)干燥系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。

圖1 蒸汽管式干燥機(jī)預(yù)干燥系統(tǒng)工藝流程圖

將原煤破碎后經(jīng)篩分去掉雜物，送至緩存?zhèn)}，經(jīng)稱重給煤機(jī)計量，進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)行干燥。外界空氣作為載濕氣體，在引風(fēng)機(jī)的作用下從干燥機(jī)進(jìn)料端進(jìn)入干燥管內(nèi)，管中原煤水分受熱蒸發(fā)，由空氣攜帶進(jìn)入布袋除塵器。

低壓蒸汽由管道進(jìn)入干燥機(jī)與原煤換熱，蒸汽放熱冷凝后進(jìn)入冷凝液罐，經(jīng)冷凝液泵送入工藝凝結(jié)水管網(wǎng)。干燥機(jī)排出的濕氣體(煤中水蒸汽和空氣混合物)經(jīng)除塵器過濾后通過引風(fēng)機(jī)排放至大氣。

2.2 干燥機(jī)選型方案

2.2.1 煤質(zhì)條件

項目現(xiàn)場原料煤由附近幾個煤礦配煤得到，各煤礦煤質(zhì)參數(shù)見表1 所列，干燥機(jī)進(jìn)口原煤水分在33%～36%之間，褐煤原料處理量65 t/h。

表1 現(xiàn)場配煤參數(shù)

2.2.2 干燥機(jī)熱平衡

熱平衡計算是確定干燥機(jī)換熱面積、進(jìn)行干燥機(jī)選型的基礎(chǔ)，也是除塵器、引風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備選型的重要依據(jù)。主要包括物料、空氣消耗量、干燥機(jī)換熱量的計算等，計算方法如下[6]。

1)物料計算

褐煤干燥后會殘存一部分水分，不會完全干燥到水分為0 的狀態(tài)。但在此過程中，絕對干褐煤(不含水分的褐煤)的量是不變的，通常以絕對干褐煤量作為計算基礎(chǔ)。

式中：Ms、M1、M2為絕對干褐煤、干燥前和干燥后的褐煤量，kg/s；w1、w2為干燥前和干燥后褐煤的含水率，%。

2)空氣消耗量

空氣作為載濕氣體，與待干燥物料相似，進(jìn)出干燥機(jī)的絕對干空氣量不變。

式中：Ma為絕對干空氣消耗量，kg/s；x1為干燥機(jī)入口空氣濕度，即環(huán)境空氣濕度，kg(水)/kg( 干空氣)；x2為干燥機(jī)出口空氣濕度，kg(水)/kg(干空氣)。

干空氣消耗量與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境有關(guān)，也與干燥機(jī)進(jìn)出口溫度有關(guān)，x1具體數(shù)值可查詢當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)得到。

3)換熱量

干燥過程換熱量確定后，便可進(jìn)行換熱面積計算，確定干燥機(jī)外形尺寸。其換熱面積計算方法與普通換熱器相同，本文不再進(jìn)行贅述，同時，水蒸汽消耗量也可由式(3)得出。內(nèi)蒙古當(dāng)?shù)貧夂蚝洌枳⒁?，?dāng)外界環(huán)境溫度小于0℃時，煤攜帶的水有可能結(jié)冰，計算時應(yīng)考慮冰相變時吸收的潛熱。

式中：Q為換熱量，kJ/s；h1、h2分別為干燥機(jī)進(jìn)出口空氣焓值，kJ/kg；Mcd為絕對干褐煤的比熱容，由煤的灰分、揮發(fā)分占比及其比熱容共同決定，kJ/(kg· ℃)；tm1、tm2分別為干燥前后褐煤的溫度，℃；Mw為原煤中水分含量，kg/s；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；Qn為漏氣、散熱等熱損失，kJ/s；Mg為水蒸汽消耗量，kg/s；hw1、hw2分別為干燥機(jī)進(jìn)出口水蒸氣焓值，kJ/kg。

2.2.3 干燥機(jī)選型結(jié)果

干燥機(jī)熱平衡計算結(jié)果見表2 所列。

表2 熱平衡計算結(jié)果

干燥主機(jī)選用ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機(jī)，干燥機(jī)筒體直徑5 m，長度8 m，干燥管總換熱面積4 200 m2。機(jī)體內(nèi)置多列干燥管，每根干燥管內(nèi)布置螺旋片，煤在干燥管內(nèi)流動，蒸汽在干燥管外與原煤進(jìn)行間接熱交換。

2.3 預(yù)干燥系統(tǒng)設(shè)備密封設(shè)計

除干燥機(jī)本體外，各類輸送設(shè)備、除塵器等有煤粉存在的設(shè)備也容易發(fā)生泄露。通過合理的干燥機(jī)本體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及輔助設(shè)備選擇，可保證從原煤倉到干煤輸送設(shè)備的整條生產(chǎn)線處于密封狀態(tài)，避免煤粉泄露，提高工藝系統(tǒng)安全性能。

2.3.1 干燥機(jī)本體密封

ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機(jī)中心軸在制造廠整體加工兩端軸頸，保證了兩端軸頸的同軸度。有利于降低機(jī)體上出料斗密封圓環(huán)相對轉(zhuǎn)動基準(zhǔn)的徑向跳動值，提升出料斗的密封性能。

此外，該干燥機(jī)采用新型全密封進(jìn)料裝置如圖2 所示，共分三步進(jìn)料：來自給煤機(jī)的物料先進(jìn)入圓形的落料調(diào)節(jié)裝置；再到有布料錐結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散器進(jìn)一步擴(kuò)散均勻；最后到布料器進(jìn)一步均勻分布到干燥機(jī)端面的換熱管。配合設(shè)計合理的輔助進(jìn)料裝置、上擋煤板組件、下?lián)趺喊褰M件、進(jìn)料擋板組件、組合迷宮環(huán)等結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)端部無泄漏進(jìn)料。

2.3.2 干燥機(jī)內(nèi)環(huán)境負(fù)壓控制

干燥機(jī)內(nèi)保持負(fù)壓環(huán)境有利于減少干燥機(jī)進(jìn)、出料端的粉塵泄露現(xiàn)象，同時有利于干燥機(jī)出汽管道排氣量和干燥管內(nèi)褐煤水分蒸發(fā)量保持平衡，加速干燥管內(nèi)水分排出。干燥機(jī)負(fù)壓控制回路由引風(fēng)機(jī)變頻器和除塵器載氣入口管道上的壓力變送器、分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)控制器進(jìn)行控制，通過靈活調(diào)節(jié)濕氣體管路流量，達(dá)到控制干燥機(jī)內(nèi)負(fù)壓的目的。

2.3.3 輔助設(shè)備選型要求

原煤輸送裝置采用電子稱重給煤機(jī)代替皮帶輸送機(jī)，比普通皮帶輸送機(jī)增加了全封閉耐壓式圓筒形殼體，干煤輸送系統(tǒng)螺旋輸送機(jī)和埋刮板輸送機(jī)均為全密封機(jī)構(gòu)，能有效防止煤粉泄露。同時，稱重設(shè)備選用電子皮帶秤，抗干擾強，能適應(yīng)周圍粉塵及強電磁場的環(huán)境。

2.4 控制系統(tǒng)方案

通過分析褐煤爆炸原因、干燥過程中的物料流向和溫度分布情況可知，除對干燥機(jī)本體進(jìn)行保護(hù)控制外，還需對干燥機(jī)后煤粉濃度或干煤溫度較高的布袋除塵器、干煤輸送設(shè)備等進(jìn)行重點監(jiān)測和保護(hù)?？刹扇】刂瞥龎m器出口氧含量、CO 濃度、煤粉及干煤溫度等措施，并設(shè)置相應(yīng)連鎖邏輯，保證褐煤干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。褐煤干燥系統(tǒng)中的報警聯(lián)鎖主要包括除塵器出口氧含量控制聯(lián)鎖、CO 濃度控制聯(lián)鎖、干煤溫度控制聯(lián)鎖、干燥機(jī)啟停時氧含量控制聯(lián)鎖等。

2.4.1 除塵器出口氧含量控制

安裝在布袋除塵器出口的氧含量分析儀、DCS 控制器、除塵器消防氮氣閥、消防蒸汽閥等共同組成了褐煤干燥系統(tǒng)氧含量控制回路如圖3 所示。氧含量控制回路通過氧含量分析儀檢測氧氣含量，當(dāng)氧含量超過12%時，由DCS控制器發(fā)出氧含量上限報警，并迅速打開除塵器消防氮氣閥，向布袋除塵器內(nèi)通入氮氣，啟動氮氣保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到降低除塵器中的氧含量的目的。當(dāng)氧含量上限報警后，若氮氣量不足或氮氣保護(hù)系統(tǒng)未正確啟動導(dǎo)致未能有效降低氧含量，氧含量繼續(xù)上升至超14%時，啟動消防蒸汽閥。

圖3 除塵器氧含量控制回路

2.4.2 CO含量控制

布袋除塵器倉內(nèi)CO 含量升高時，煤粉自燃的危險程度也隨之升高。將CO 含量控制在一定范圍內(nèi)，也是在控制煤粉著火燃燒的趨勢，褐煤干燥系統(tǒng)CO 含量控制回路由安裝在布袋除塵器出口的CO 分析儀、DCS 控制器、除塵器消防氮氣閥組成如圖4 所示。

圖4 除塵器CO含量控制回路

CO 含量控制回路通過CO 分析儀檢測含量，當(dāng)CO 含量超過150 ppm 時，DCS 控制器發(fā)出CO 含量上限報警，并迅速打開除塵器消防氮氣閥，向除塵器中通入氮氣。

2.4.3 系統(tǒng)啟停時的氧含量控制

在干燥系統(tǒng)停車或重新啟動時干燥機(jī)中煤蒸發(fā)的水分較少，濕氣體中氧含量占比大，容易超標(biāo)引發(fā)生自燃現(xiàn)象，此時應(yīng)向除塵器內(nèi)通入氮氣將氧含量控制在8%以內(nèi)。此外，干燥系統(tǒng)在停車時系統(tǒng)內(nèi)溫度仍較高，除塵器內(nèi)殘留的煤粉也有自燃爆炸的風(fēng)險，此時需關(guān)閉干燥機(jī)出口至除塵器進(jìn)口載氣管路上的氣動插板門以及除塵器后引風(fēng)機(jī)電動風(fēng)門，并向除塵器中通入氮氣，使除塵器中氧含量持續(xù)低于8%，直至除塵器內(nèi)溫度降至50 ℃以下。干燥機(jī)啟停時除塵器氧含量控制回路如圖5 所示。

圖5 干燥機(jī)啟停時除塵器氧含量控制回路

2.4.4 出料溫度控制

當(dāng)熱電阻檢測到干煤溫度超過90 ℃時，打開干煤輸送系統(tǒng)消防氮氣閥向干煤輸送系統(tǒng)內(nèi)通入氮氣。當(dāng)干燥尾氣或除塵器灰斗溫度過高(大于90 ℃)時，也需向布袋除塵器中通入氮氣，確保系統(tǒng)安全。此外，還需對除塵器箱體、灰斗等部位設(shè)置蒸汽伴熱和保溫，控制載氣溫度使其高于載氣露點溫度，以適應(yīng)項目現(xiàn)場冬季嚴(yán)寒環(huán)境，防止除塵器內(nèi)部結(jié)露造成煤粉板結(jié)。

3 應(yīng)用效果

原工程滾筒式干燥機(jī)長度近20 m，升級工程蒸汽管式干燥機(jī)筒體長度僅8 m，褐煤在干燥機(jī)內(nèi)停留時間更短，減少了爆炸風(fēng)險和設(shè)備占地面積。

升級工程預(yù)干燥系統(tǒng)中蒸汽管式干燥機(jī)等設(shè)備均設(shè)置了就地/遠(yuǎn)程操作控制箱，現(xiàn)場無需工人值守操作。對原料褐煤進(jìn)行預(yù)干燥提質(zhì)后，干煤水分在15%以下，現(xiàn)場設(shè)備自2023 年6 月至今運行穩(wěn)定，未發(fā)生粉塵泄露或爆炸現(xiàn)象。

4 結(jié)語

升級程褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)采用ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機(jī)進(jìn)行原料煤預(yù)干燥提質(zhì)，重點針對原工程中滾筒式干燥機(jī)預(yù)干燥系統(tǒng)中存在的干燥效果差、煤粉爆炸及粉塵泄露等問題進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計。升級后的預(yù)干燥系統(tǒng)干燥機(jī)筒體長度由近20 m降低至8 m，減少了爆炸風(fēng)險和設(shè)備占地面積，干煤水分由原來的20%以上降至15%以下。干燥機(jī)通過全密封進(jìn)料裝置及負(fù)壓控制的方式，減少煤粉泄漏，由控制室重點對除塵器內(nèi)含氧量、CO 濃度和干燥后的煤粉溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制，保證系統(tǒng)處于安全運行范圍內(nèi)?，F(xiàn)場設(shè)備至今運行穩(wěn)定，未發(fā)生粉塵泄露或爆炸現(xiàn)象。