李慶增

(中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

煤炭作為一種傳統(tǒng)燃料，被廣泛應(yīng)用于生活及生產(chǎn)中，但隨著環(huán)保意識(shí)的增加，煤炭的清潔利用日益引起關(guān)注。在煤炭清潔利用工藝中，煤氣化是其主要利用途之一。煤氣化得到最廣泛應(yīng)用是氣流床加壓氣化技術(shù)，主要包含水煤漿加壓氣化技術(shù)和干煤粉加壓氣化技術(shù)[1]。由于干粉煤加壓氣化技術(shù)對(duì)褐煤等低質(zhì)煤適用廣，因而近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。干粉煤加壓氣化流程內(nèi)，磨煤及干燥是整個(gè)系統(tǒng)的原料來(lái)源，煤粉質(zhì)量好壞直接影響后續(xù)氣化爐的運(yùn)行效率。在煤燃燒過(guò)程中，由于水蒸發(fā)需要能量，使煤的發(fā)熱量下降，為此必須將煤粉進(jìn)行干燥，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)于整個(gè)干煤粉加壓氣化裝置影響重大。通過(guò)ASPEN PLUS軟件模擬掌握各種工藝及公用工程的物流信息，為優(yōu)化工藝流程提供指導(dǎo)意見。

1 磨煤及干燥工藝流程

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

主要工藝描述：原料煤倉(cāng)中的原料煤通過(guò)稱重給煤機(jī)稱重計(jì)量后送入磨煤機(jī)，原料煤由磨輥在磨煤機(jī)內(nèi)碾磨達(dá)到目標(biāo)粒徑；來(lái)自循環(huán)風(fēng)加熱器的熱煙氣以一定的流量進(jìn)入磨煤機(jī)干燥空間，對(duì)濕煤粉進(jìn)行加熱干燥。干燥后的煤粉被熱惰性氣體帶入磨煤機(jī)頂部旋轉(zhuǎn)分離器，粗顆粒被分離下來(lái)后返回磨煤機(jī)再次碾磨；夾帶細(xì)粉煤的熱惰性氣體進(jìn)入框架頂部的煤粉袋式除塵器，含固氣體在袋式除塵器中進(jìn)行氣固分離，粉煤送入下游粉煤輸送工段，分離后的熱惰性尾氣則經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后，小部分排放至大氣以降低熱惰性氣體內(nèi)的水含量，大部分循環(huán)至循環(huán)風(fēng)加熱器加熱后再進(jìn)入磨煤機(jī)循環(huán)使用。磨煤及干燥工藝流程框圖詳見圖1。

圖1 磨煤及干燥工藝流程框圖

磨煤機(jī)的干燥熱源是項(xiàng)目?jī)?nèi)配套裝置外排的馳放氣在循環(huán)風(fēng)加熱器內(nèi)與助燃空氣一起燃燒產(chǎn)生的熱煙氣。在循環(huán)風(fēng)加熱器內(nèi)，循環(huán)熱惰性氣體、熱煙氣與超低壓氮?dú)夂陀上♂尩獨(dú)饣旌吓浔龋刂瞥隹跍囟?、系統(tǒng)內(nèi)氧含量、CO含量和壓力，以保證干燥過(guò)程的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1.2 主要模擬控制參數(shù)

為保證磨煤干燥過(guò)程的安全運(yùn)行，必須嚴(yán)格控制過(guò)程參數(shù)：原料煤進(jìn)料：32389Kg/h，含水量11.2%，干燥后煤含水量低于2%；進(jìn)磨煤機(jī)熱惰性氣體溫度不超過(guò)180℃，控制磨煤機(jī)出口溫度不超過(guò)110℃；系統(tǒng)內(nèi)氧氣含量低于8%，同時(shí)依據(jù)露點(diǎn)分析儀數(shù)值控制循環(huán)氣量20%的放空氣量。

2 煤干燥過(guò)程模型的建立

2.1 煤物流的物性定義

針對(duì)本模擬過(guò)程中煤是固體的特殊性質(zhì)，ASPEN PLUS軟件對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，主要用的模型有HCOALGEN模型和DEOALIGT模型，分別來(lái)計(jì)算煤的焓值和真實(shí)的干基密度，相關(guān)流股采用NCPSD有粒徑分布的非常規(guī)固體替代。

2.2 操作流程模塊的選擇及流程建立

干燥流程模擬采用的模型主要如下：煤干燥模塊選用Rstoic反應(yīng)器，循環(huán)風(fēng)加熱器選用Rgibbs反應(yīng)器，粉煤袋式除塵器選用分離模塊，混合器選用Mixer模塊，循環(huán)風(fēng)機(jī)、助燃空氣風(fēng)機(jī)選用Compr壓縮機(jī)模塊，循環(huán)風(fēng)放空選用FSsplit分離模塊[2]。

煤干燥使用的Rstoic反應(yīng)器可以通過(guò)Fortran語(yǔ)句對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義以確定煤的含水量[3]，主要的公式如下：

COAL-IN*H2O-IN/100=COAL-OUT*H2O-OUT/100+COAL-IN*CONV

(1)

COAL-IN=COAL-OUT+COAL-IN*CONV

(2)

CONV=(H2O-H2O-OUT)/(100-H2O-OUT)

(3)

其中：

COAL-IN： 進(jìn)料煤粉的質(zhì)量流量；

COAL-OUT： 出料煤粉的質(zhì)量流量；

H2O-IN： 進(jìn)料煤粉的水含量；

H2O-OUT： 出料煤粉的水含量；

CONV： 干燥過(guò)程煤粉轉(zhuǎn)化成水的轉(zhuǎn)化分率。

(注意: Fortran 公式輸入從第7列開始輸入。)

雖然煤粉干燥不是真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，但是ASPEN PLUS可以運(yùn)用假設(shè)的計(jì)量模型將煤的一部分轉(zhuǎn)化成水，來(lái)進(jìn)行與煤相關(guān)的非常規(guī)規(guī)組分的干燥過(guò)程，煤干燥過(guò)程化學(xué)反應(yīng)方程[2-3]表示如下：

COAL(WET)=COAL(DRY)+0.0555084*H2O (4)

基于煤干燥工藝流程要求及模擬假設(shè)，搭建的煤粉干燥過(guò)程模擬流程如圖2所示。

圖2 磨煤及干燥工藝模擬流程圖

2.3 煤質(zhì)分析

項(xiàng)目中采用設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)分析如下表1。

表1 煤質(zhì)分析 %

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)ASPEN軟件模擬，結(jié)果如下表2：原料煤進(jìn)料：32389kg/h，粉煤干燥之后：29189 t/h，煤干燥之后含水量1.5%，出口氣體氧氣含量6.2%，放空氣水含量：30.5%，所有的參數(shù)循環(huán)風(fēng)加熱器參數(shù)為3.67MW。

表2 模擬數(shù)值與工藝包參數(shù)分析

通過(guò)與工藝包數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在保證所有工藝參數(shù)控制的前提下，偏差在合理范圍內(nèi)，此模型能夠滿足煤干燥過(guò)程模擬要求。通過(guò)放空、補(bǔ)充氮?dú)饧叭剂蠚獾葏?shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同條件下系統(tǒng)內(nèi)氧含量、CO含量、循環(huán)風(fēng)露點(diǎn)的控制，經(jīng)過(guò)不同工況模擬進(jìn)行綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)：露點(diǎn)控制的放空量是影響能耗的主要方面，必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)的露點(diǎn)放空量，可通過(guò)適當(dāng)提高循環(huán)風(fēng)溫度降低單位干燥煤粉的空氣排放。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析可得，針對(duì)典型的工廠馳放氣源，該模型能夠滿足磨煤及干燥過(guò)程的模擬優(yōu)化分析要求，可依據(jù)不同的工藝控制指標(biāo)來(lái)選擇合理的燃料氣量、助燃空氣量、循環(huán)風(fēng)加熱器功率以及配套的輔助工藝參數(shù)及設(shè)備，對(duì)于掌握干燥工段的能耗具有十分重要的意義。

下一步針對(duì)裝置開車開工過(guò)程中不存在馳放氣氣源的工況，采用LPG或甲烷作為氣源的工況進(jìn)行模擬分析，確定燃料氣量、稀釋氮?dú)饧俺蛪旱獨(dú)獾裙霉こ痰南?，確定相關(guān)的工藝參數(shù)，對(duì)于磨煤干燥開車及運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。