夏支文，楊 英，陳 丹

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司， 寧夏 銀川 750411）

目前，粉煤氣化在潔凈煤領(lǐng)域正在起著日益重要的作用，而粉煤的密相氣力輸送是粉煤氣化中關(guān)鍵技術(shù)之一[1,2]。盡管粉體密相輸送的研究成果報道較多[3-7]但工業(yè)應(yīng)用情況的介紹較少，本文根據(jù)神華寧煤烯烴項目氣化裝置密相輸送系統(tǒng)運行情況，對煤粉的密相輸送影響條件進(jìn)行探討。

1 工藝簡介

煤粉倉位于氣化裝置煤粉輸送系統(tǒng)的最高處，其4個隔室出口，分別對應(yīng)4個鎖斗。當(dāng)某個鎖斗泄壓后的壓力跟煤倉壓力一致時，煤粉倉的隔室將向該鎖斗進(jìn)行卸料。從煤粉倉4個隔室下來的煤粉，分別進(jìn)入相對應(yīng)的鎖斗后，將進(jìn)行加壓，以把煤粉倉下來的常壓煤粉，加壓到給料容器生產(chǎn)所要求的操作壓力（約4.35 MPa（g）,隨氣化爐負(fù)荷大小而相應(yīng)升降）。這一過程，將通過每一條氣化生產(chǎn)線四個鎖斗的順控循環(huán)來進(jìn)行，以實現(xiàn)給料容器向氣化爐連續(xù)輸送煤粉。鎖斗過來的泄壓氣體在加熱器由約110 ℃的熱水進(jìn)行加熱，防止節(jié)流膨脹造成的低溫?fù)p壞設(shè)備。再通過泄壓過濾器進(jìn)行除塵，并將鎖斗的壓力泄壓到常壓。4個鎖斗的煤粉，分別通過與給料容器相連的4根卸料管線，進(jìn)入給料容器。通過跟氣化爐燃燒室之間的壓差控制，給料容器內(nèi)呈流化狀態(tài)的煤粉，通過3根煤粉輸送管線密相輸送至氣化爐的組合燒嘴，進(jìn)行氣化反應(yīng)。3根煤粉輸送管線上布置有一系列的密度檢測、流量檢測、流量控制和安全聯(lián)鎖的儀表，確保氣化反應(yīng)平穩(wěn)控制和安全運行。在氣力輸送過程中的氣固兩相流受到兩相物性（如物料的密度、粘度、濕度等）、操作條件（如輸送量、流體速度、固體裝入量等）和過程環(huán)境（如過程設(shè)備的形狀、大小、相對位置及方位等）影響[8,9]。

在工業(yè)運行過程中我們常考察的影響因素主要集中在煤粉粒徑分布、濕含量、系統(tǒng)壓差、輸送載氣以及工藝流程等。適宜的物性參數(shù)控制、優(yōu)化的操作條件和合理的過程環(huán)境將能保證煤粉穩(wěn)定連續(xù)的輸送。

2 干煤粉輸送的影響因素

2.1 粒徑分布

煤粉的粒徑大小、粒徑分布是影響其粉體力學(xué)特性、顆粒群聚集特性和料斗流型的重要因素。西門子在GSP氣化技術(shù)最初的設(shè)計中要求的煤粉粒徑分布如表1中優(yōu)化前所示，實際運行過程，>200μ m粗顆粒較多時，易發(fā)生流化板堵塞；細(xì)顆粒過多時，易發(fā)生煤粉團(tuán)聚。不管出現(xiàn)兩種情況中的哪一種，都制約煤粉的穩(wěn)定輸送。通過長時間探索發(fā)現(xiàn)氣化用煤的粒徑分布如表1優(yōu)化后時發(fā)生流化板堵塞和煤粉團(tuán)聚的概率均要小得多,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也要好得多。

2.2 水含量

煤粉的含水量也是影響粉體力學(xué)特性、顆粒群聚集特性和料斗流型的重要因素。王川紅[10]在研究中發(fā)現(xiàn)，濕含量越大，粉煤的壓縮性和摩擦性越大，容易團(tuán)聚，其流動性越差。謝曉旭等[8]也通過對三種煤粉的實驗研究指出隨著含水量的增加，煤粉的流動函數(shù)值不斷變小，其流動能力也逐漸變差。但有關(guān)粉煤密相氣力輸送技術(shù)中水含量的確定及其對密相輸送的影響研究卻鮮見公開報道，不同技術(shù)專利商提出水含量指標(biāo)也不同且較籠統(tǒng)。GSP煤粉輸送設(shè)計要求水含量≤2%wt，實際運行中由于使用的原煤水含量較高，煤粉制備單元控制水含量通常在5%wt左右。因此系統(tǒng)運行超過設(shè)計指標(biāo)，但從運行狀況來看，5%wt的水含量在密相輸送過程偶爾出現(xiàn)堵塞和下料不暢的狀況，基本滿足工藝操作要求。

表1 GSP氣化供煤粒徑分布Table 1 GSP gasification pulverized coal distribution

2.3 輸送壓差

輸送壓差是密相輸送的動力，壓差越大輸送量就越大。GSP氣化技術(shù)通過控制給料容器和氣化爐的壓差來調(diào)整氣化爐負(fù)荷，即氣化爐進(jìn)煤量。但實際運行中影響氣化爐壓力的因素比較復(fù)雜，如氣化爐負(fù)荷、氧煤比、變換系統(tǒng)、黑水系統(tǒng)等諸多因素都會引起壓力波動，使氣化爐與給料容器的壓差波動，導(dǎo)致氣化爐負(fù)荷不穩(wěn)；同時，給料容器與氣化爐壓差受鎖斗間歇進(jìn)料的擾動，控制壓差系統(tǒng)的閥門始終處于動作之中，這樣壓差不僅不穩(wěn)定，而且增加了閥門故障的概率，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此用壓差控制煤粉輸送量既受到系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響，又嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣化爐頻繁跳車。

為保證煤粉輸送的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性，通過調(diào)整優(yōu)化將煤粉輸送由壓差控制改為閥門控制，增加流量控制閥、煤粉循環(huán)管線以及提高給料容器與氣化爐的壓差。在保證煤粉輸送動力的條件下，通過閥門開度調(diào)節(jié)控制煤粉輸送量，提高了輸送穩(wěn)定性。

2.4 工藝流程[11]

從上面的分析可以知道，壓差控制不能滿足工藝控制的要求，所以對GSP氣化工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化（圖1）。

（1）增加控制閥

在煤粉輸送管線上增設(shè)流量控制閥，同時設(shè)置吹掃氣體，防止閥門被煤粉堵塞。當(dāng)氣化爐主燒嘴投料時，控制給料容器和氣化爐間壓差恒定，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥來控制輸送煤粉量。

（2）增設(shè)煤粉循環(huán)管線

在給料容器與氣化燒嘴的管線上設(shè)置三通閥，通過三通閥建立煤粉循環(huán)管線。通過調(diào)整優(yōu)化密相輸送系統(tǒng)，開車時先對給料容器充壓，再注入氣體建立背壓來模擬氣化爐壓力，提前建立煤粉循環(huán)，穩(wěn)定煤粉輸送系統(tǒng)。

圖1 優(yōu)化后的密相輸送系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Optimized dense phase conveying flowchart

通過加設(shè)流量控制閥和煤粉循環(huán)管線，優(yōu)化了煤粉輸送系統(tǒng)，提高了煤粉密相輸送單元穩(wěn)定性，使煤量控制精確。

2.5 輸送載氣

GSP氣化技術(shù)密相輸送單元采用兩種氣體作為密相輸送載氣，分別是N2和CO2。實際工業(yè)應(yīng)用過程中，N2與CO2相比為載氣時，前者輸送穩(wěn)定性好于后者，且煤粉架橋幾率較低。這可能是由于 CO2體積膨脹時，大量吸熱使局部溫度降低出現(xiàn)少量液態(tài)水造成煤粉流化性降低。為確保CO2輸送載氣的流動性，在載氣界區(qū)入口增設(shè)換熱器，通過換熱防止 CO2進(jìn)入界區(qū)發(fā)生截流膨脹的現(xiàn)象。提高了 CO2為載氣的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

目前，國內(nèi)規(guī)劃中的煤氣化工業(yè)中有相當(dāng)部分采用了干煤粉氣化，但相對水煤漿氣化，干煤粉氣化運行經(jīng)驗和技術(shù)研究畢竟還不是很充分，而且關(guān)注點多集中在水冷壁掛渣，并沒有切實意識到煤粉輸送在干煤粉氣化中的重要性，寧煤在這方面的經(jīng)驗教訓(xùn)相當(dāng)深刻。但是寧煤通過優(yōu)化粒度級配，控制水分，調(diào)整壓差，優(yōu)化工藝流程等優(yōu)化措施，減少了非計劃停車次數(shù)，提高了生產(chǎn)效益，為日益壯大的干煤粉氣化技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗。

［1］焦樹建. 論整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)中采用的煤氣化爐的方案[J]. 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù), 1994, 7 (1) : 6-20.

［2］ 徐 越, 吳一寧, 危師讓. 二段式干煤粉氣流床氣化技術(shù)的模擬研究與分析 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2003, 23 (10) : 187-190.

［3］Singer T. Dense-phase pneumatic conveying: Applications, system design, and troubleshooting [J]. Powder and Bulk Engineering, 2003, 17(3) : 27-33.

［4］Ostrowski k, Luke S P, Bennett M A, et al. Real time visualization and ananlysis of dense phase powder conveying [J]. Powder Technol, 1999,102 (1) : 1-13.

［5］ Solt Paul E. Comparing dilute- and dense-phase conveying [J]. Powder and Bulk Engineering, 2003, 17 (3) : 64-68.

［6］熊源泉，趙 兵，沈祥林. 高壓煤粉密相氣力輸送垂直管阻力特性研究 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（9）：248-251.

［7］ 趙艷艷，陳 峰，龔 新，等. 粉煤濃相氣力輸送中的固氣比 [J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報，2002, 28（3）：235-237.

［8］ 謝曉旭 .煤粉流動特性試驗研究[D]. 南京：東南大學(xué)，2007．

［9］ 郝曉琳.氣力輸送系統(tǒng)中粉料流動機(jī)理及實驗研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2006.

［10］王川紅，郭曉磊，龔 新，等. 粒度、濕含量對神府煙煤煤粉流動性參數(shù)的影響 [J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報，2008，3（34）: 377-382.

［11］神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司.一種GSP氣化爐煤粉輸送管線及投料方法:中國，201110182670.6[P].2011-06-30.