粉煤氣化磨煤干燥單元過程模擬分析優化

李慶增

(中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250000)

煤炭作為一種傳統燃料，被廣泛應用于生活及生產中，但隨著環保意識的增加，煤炭的清潔利用日益引起關注。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用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[1]。由于干粉煤加壓氣化技術對褐煤等低質煤適用廣，因而近年來得到廣泛應用。干粉煤加壓氣化流程內，磨煤及干燥是整個系統的原料來源，煤粉質量好壞直接影響后續氣化爐的運行效率。在煤燃燒過程中，由于水蒸發需要能量，使煤的發熱量下降，為此必須將煤粉進行干燥，其設計的優劣對于整個干煤粉加壓氣化裝置影響重大。通過ASPEN PLUS軟件模擬掌握各種工藝及公用工程的物流信息，為優化工藝流程提供指導意見。

1 磨煤及干燥工藝流程

1.1 工藝流程簡述

主要工藝描述：原料煤倉中的原料煤通過稱重給煤機稱重計量后送入磨煤機，原料煤由磨輥在磨煤機內碾磨達到目標粒徑；來自循環風加熱器的熱煙氣以一定的流量進入磨煤機干燥空間，對濕煤粉進行加熱干燥。干燥后的煤粉被熱惰性氣體帶入磨煤機頂部旋轉分離器，粗顆粒被分離下來后返回磨煤機再次碾磨；夾帶細粉煤的熱惰性氣體進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循環風機增壓后，小部分排放至大氣以降低熱惰性氣體內的水含量，大部分循環至循環風加熱器加熱后再進入磨煤機循環使用。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

磨煤機的干燥熱源是項目內配套裝置外排的馳放氣在循環風加熱器內與助燃空氣一起燃燒產生的熱煙氣。在循環風加熱器內，循環熱惰性氣體、熱煙氣與超低壓氮氣和由稀釋氮氣混合配比，控制出口溫度、系統內氧含量、CO含量和壓力，以保證干燥過程的穩定安全運行。

1.2 主要模擬控制參數

為保證磨煤干燥過程的安全運行，必須嚴格控制過程參數：原料煤進料：32389Kg/h，含水量11.2%，干燥后煤含水量低于2%；進磨煤機熱惰性氣體溫度不超過180℃，控制磨煤機出口溫度不超過110℃；系統內氧氣含量低于8%，同時依據露點分析儀數值控制循環氣量20%的放空氣量。

2 煤干燥過程模型的建立

2.1 煤物流的物性定義

針對本模擬過程中煤是固體的特殊性質，ASPEN PLUS軟件對其進行簡化處理，主要用的模型有HCOALGEN模型和DEOALIGT模型，分別來計算煤的焓值和真實的干基密度，相關流股采用NCPSD有粒徑分布的非常規固體替代。

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反應器，循環風加熱器選用Rgibbs反應器，粉煤袋式除塵器選用分離模塊，混合器選用Mixer模塊，循環風機、助燃空氣風機選用Compr壓縮機模塊，循環風放空選用FSsplit分離模塊[2]。

煤干燥使用的Rstoic反應器可以通過Fortran語句對其相關參數進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： 進料煤粉的質量流量；

COAL-OUT： 出料煤粉的質量流量；

H2O-IN： 進料煤粉的水含量；

H2O-OUT： 出料煤粉的水含量；

CONV： 干燥過程煤粉轉化成水的轉化分率。

(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的化學反應過程，但是ASPEN PLUS可以運用假設的計量模型將煤的一部分轉化成水，來進行與煤相關的非常規規組分的干燥過程，煤干燥過程化學反應方程[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，搭建的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

2.3 煤質分析

項目中采用設計煤種的煤質分析如下表1。

表1 煤質分析 %

3 模擬結果分析

通過ASPEN軟件模擬，結果如下表2：原料煤進料：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%，所有的參數循環風加熱器參數為3.67MW。

表2 模擬數值與工藝包參數分析

通過與工藝包數據進行對比，在保證所有工藝參數控制的前提下，偏差在合理范圍內，此模型能夠滿足煤干燥過程模擬要求。通過放空、補充氮氣及燃料氣等參數的調整，實現對不同條件下系統內氧含量、CO含量、循環風露點的控制，經過不同工況模擬進行綜合對比發現：露點控制的放空量是影響能耗的主要方面，必須嚴格控制系統的露點放空量，可通過適當提高循環風溫度降低單位干燥煤粉的空氣排放。

4 結論

通過上述分析可得，針對典型的工廠馳放氣源，該模型能夠滿足磨煤及干燥過程的模擬優化分析要求，可依據不同的工藝控制指標來選擇合理的燃料氣量、助燃空氣量、循環風加熱器功率以及配套的輔助工藝參數及設備，對于掌握干燥工段的能耗具有十分重要的意義。

下一步針對裝置開車開工過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行模擬分析，確定燃料氣量、稀釋氮氣及超低壓氮氣等公用工程的消耗，確定相關的工藝參數，對于磨煤干燥開車及運行工況下設計具有指導作用。