基于Aspen Plus 軟件的磨煤干燥過程模擬與分析

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[1.惠生工程(中國)有限公司，湖北 武漢 430073；2.航天科工武漢磁電有限責任公司，湖北 武漢 430073]

當今國內煤氣化領域，應用最廣泛的是氣流床加壓氣化技術，主要包含水煤漿加壓氣化技術和干煤粉加壓氣化技術。低質煤由于受到成漿性、灰含量、灰熔點等條件的限制，不宜采用水煤漿氣化技術，而干煤粉加壓氣化技術幾乎不受煤種的限制，因而近年來得到廣泛應用。干粉煤加壓氣化領域，磨煤及干燥是整個工藝系統不可或缺的部分，該工段設計的好壞，對于整個干煤粉加壓氣化工藝至關重要。

1 磨煤及干燥流程(圖1)

碎煤倉中經預干燥的原料煤通過稱重給煤機送入中速磨煤機，原料煤由碾子在磨臺上碾磨；來自惰性氣體發生器的熱煙氣以一定的流速進入干燥空間，對濕煤粉進行干燥。干燥后的煤粉，被熱惰性氣體帶入旋轉分離器，粗顆粒被分離下來后返回磨煤機；惰性氣流夾帶著細顆粒粉煤進入煤粉袋式除塵器，煤粉和惰性氣體在袋式除塵器中進行氣固分離，合格的粉煤送入下游工序，分離后的尾氣則經循環風機增壓后大部分循環至惰性氣體發生器循環使用，小部分排放至大氣。

磨煤機的干燥熱源是工藝系統外排的可燃氣體在惰性氣體發生器燃燒產生的熱煙氣。在惰性氣體發生器中，熱煙氣與循環氣、低低壓氮氣和由稀釋風機送入的冷空氣混合，調配到需要的溫度，并控制氧含量，變成安全的熱惰性氣體送入中速磨煤機，作為煤粉干燥的熱源。

圖1 磨煤及干燥工藝流程框圖

2 煤干燥過程模型的建立

2.1 模型組分和物性的定義

用Aspen Plus 軟件模擬計算時，一般將所涉及的組分分為三類物質，分別是常規物質、常規惰性固體和非常規物質。對于常規組分，包括常規固體組分( 即組成單一、有確定摩爾質量的物質)，用IDEAL方程計算物質的相關熱力學性質；對于非常規物質，Aspen Plus軟件作了簡化處理, 認為這類物質不參與化學平衡和相平衡，只計算密度和焓。Aspen Plus一般用HCOALGEN模型來計算煤的焓值，這個模型包含了燃燒熱、標準生成焓和熱容的不同關聯式；采用DCOALIGT模型計算煤的真實的干基密度[1,2]。

2.2 操作單元模塊的選擇

煤干燥模塊選用化學計量模型(Rstoic反應模塊)，惰性氣體發生器選用Rgibbs反應器，袋式除塵器選用兩相分離模塊(flash2)，混合器選用mixer模塊，循環風機、稀釋風機、燃燒風機選用Compr模塊，放空氣分流器選用Fsplit模塊。

2.3 Aspen Plus 干燥模擬的計算基礎

Aspen Plus是通過Rstoic絕熱反應器對煤進行干燥模擬計算的。Rstoic反應器主要針對已知化學計量數和反應程度但化學動力學關系未知的情況，通過模塊內部的Fortran語句來計算入爐煤的含水量。其內部定義的Fortran語句如下：

COALIN*H2OIN/100=COALOUT*H2OOUT/100+COALIN*CONV

(1)

COALIN=COALOUT+COALIN*CONV

(2)

CONV=(H2OIN-H2OOUT)/ (100-H2OOUT)

(3)

式中：COALIN，濕煤粉的質量流量；COALOUT，出口物流中煤粉質量流量；H2OIN，濕煤粉中水含量；H2OOUT，干煤粉中水含量；CONV，干燥模塊中煤粉轉化成水的轉化分率。

2.4 煤干燥過程模型的建立

盡管煤干燥不是真正意義上的化學反應過程，但是Aspen Plus假定運用化學計量模型將煤的一部分轉化成水，近似表示非常規組分煤的干燥過程。煤干燥過程化學反應方程[3]表示如下：

基于上述假定，煤粉干燥過程模擬流程如圖2所示。

圖2 磨煤及干燥工藝模擬流程圖

本文采用上述的干燥模型對所用煤種進行干燥過程模擬計算，原料煤的投煤量(使用煤種)為66.24 t/h，含水量為12%；據干煤粉加壓氣化工藝煤粉輸送工段要求入爐干煤粉的含水率≤2%的要求，確定煤干燥后含水量為1.5%。模擬過程中進磨煤機的熱風量為287 144 kg/h，溫度控制在178 ℃，干燥后煤粉含水量為1.5%；通過稀釋空氣調節系統中水蒸氣含量，使其在露點之下；通過低低壓氮氣調節系統中氧含量，控制在8%以下。所用煤種的元素分析和工業分析如表1所示。

表1 煤樣的元素分析和工業分析 %

3 模擬結果與分析

3.1 模擬計算

Aspen Plus模擬計算結果如表2所示。由表2可以看出，66 240 kg/h的原料煤(使用煤種)經過磨煤干燥后，水分由12%下降到1.5%，最終得到的煤粉量為59 179 kg/h；進入磨煤機熱氣體的氧含量約為6.4%，循環風機下游的氣體的水含量為32.3%。進入磨煤機的熱氣體溫度由燃料氣的用量控制，本系統燃料氣用量為1 224 kg/h，惰性氣體發生器熱負荷約為12.8 MW。

表2 Aspen Plus模擬計算結果

注：位號/介質均對應于圖2。

3.2 校核計算

3.2.1使用煤種的校核計算

為了判別所建模型模擬結果的準確性，將專利商提供的技術參數與模擬的結果進行對比分析。由表3可知，模擬結果與專利商提供的技術參數的偏差均在允許的范圍內。

表3 模擬結果與專利商技術參數的對比(使用煤種)

注：① 煤粉干燥后的含水量；② 循環惰性氣體中的氧含量；③ 惰性氣體發生器的熱負荷。表5同。

3.2.2設計煤種的校核計算

為了進一步驗證模型的可靠性，將設計煤種的參數(如表4所示)輸入模型，模擬低低壓氮氣、稀釋空氣、助燃空氣消耗，露點及氧含量、惰性氣體發生器熱負荷等工藝參數。由表5可知，燃料氣、稀釋空氣、低低壓氮氣的消耗與專利商提供的參數非常接近，個別參數偏離PDP參數稍微大一點，但總體上看，誤差仍在可接受的范圍內，證明模型具有一定的可靠性。

表4 設計煤種的元素分析和工業分析 %

表5 專利商技術參數與模擬結果的對比(設計煤種)

4 結 論

(1)本模擬利用氮氣和熱惰性氣體進入磨煤機和袋式除塵器進行煤粉的干燥及輸送。模擬計算熱力學方程選用IDEAL模型，運用絕熱反應器Rstoic進行煤中水分干燥過程的定義。進入磨煤機干燥空間的氣體，其溫度控制在178 ℃左右。

(2)本文討論了煤粉干燥過程全流程的模擬計算方法，通過Aspen Plus內部的Fortran語句進行煤干燥過程的模擬計算，獲得了較好的結果。

(3)通過Aspen Plus對整個磨煤及干燥過程進行模擬分析，有利于對干燥過程進行優化控制，提高整個過程的熱效率；同時，可以預測不同條件下氮氣、燃料氣、電力等公用工程的消耗，過程的安全控制等情況及廢氣的排放，為工程設計和生產操作提供指導。

參考文獻：

[1]沈玲玲，姜秀民，王輝，等．IGCC 示范工程煤氣化爐的數值模擬[J].煤炭轉化，2009，32(1)：14～19.

[2]Peter S.Dynamic modeling and control of integrated coal gasification combined cycle units[D].Ph.D.Thesis, Netherlands, The Laboratory for Thermal Power Engineering of Delft University of Technology.1993.

[3]劉娜，黃雪莉．基于Aspen Plus的煤干燥過程的模擬計算[J]．煤炭轉化，2013，36(1)：65～67.