干粉煤氣化粉煤制備Aspen輔助設計介紹

胡文佳，吳紅亮，杜曉丹

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

近十幾年來，我國煤氣化技術取得了長足的發展，以水煤漿及粉煤氣化為代表的氣流床氣化技術，具有單爐生產規模大、三廢排放少等特點，被廣泛應用于大型煤化工項目中。然而，隨著近十年煤化工的高速發展，煙煤、無煙煤等優質不可再生能源已被大量利用，低質煤(如褐煤)、高灰含量煤、高灰熔點煤等由于受到成漿性、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。

對于干粉煤加壓氣化技術，粉煤制備是整個工藝系統中不可或缺的部分，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 干粉煤氣化粉煤制備流程及其特點

干粉煤氣化由于其進氣化爐原料煤采用高壓密相輸送，原料煤必須經過粉煤制備過程將原料煤粒度和水含量控制在適當范圍，以保證粉煤輸送過程的穩定性。一般而言，對于煙煤，入爐粉煤含水量控制在2%左右；對于褐煤，由于其較高的活性，入爐粉煤含水量控制在8%左右，粉煤主體粒度在20～100μm之間。

將原料煤制備成滿足粉煤輸送的典型流程見圖1。原煤倉的碎煤經煤稱重給料機進入磨煤機制粉，原煤的磨細和干燥在磨煤機中同時進行，磨煤系統的循環惰性氣是從循環風機出口進入熱風爐，并與熱風爐燃燒產生的高溫氣體混合，形成合格的惰性干燥氣體。惰性干燥氣進入磨煤機后，把一定細度的煤粉帶到位于磨煤機上部的分離器進行分離。不符合要求的粗煤粉落回到磨盤上，被再次碾磨。細度合格的煤粉隨干燥氣經輸送管進入袋收粉器進行氣固分離，分離出的粉煤進入袋式除塵器下部的灰斗后送入氣化工段。

經粉煤袋式收粉器分離后的惰性氣體通過循環風機加壓后部分放空，以排掉粉煤干燥過程中產生的水分，剩余惰性循環氣經稀釋風機補入氮氣/空氣，調節水蒸氣含量后，再次循環進入熱風爐，從而形成磨煤干燥循環系統。

圖1 典型的粉煤制備工藝流程

粉煤制備由于每種項目原料煤性質的不同，特別是含水量及煤的活性不同，造成粉煤制備過程中水分的干燥量及粉煤產品含水量要求均不相同。此外，由于原料煤活性不同，對于進磨煤機高溫惰性氣體中氧含量的要求也不同。一般而言，為防止磨煤機中煤粉的爆燃，煙煤由于其活性較低，考慮將進磨煤機高溫惰性氣中氧含量控制在8%以內；而對于褐煤，由于其較高的活性，氧含量需要控制在5%以內。因此，對于惰性循環氣體放空后的稀釋氣體，也需要根據原料煤的特點選擇氮氣或者空氣，抑或補入部分氮氣、空氣，以滿足高溫惰性氣體的氧含量要求。

對于任何一個煤化工項目，由于其原料煤性質均不相同，而粉煤制備過程中設備的選型、公用工程消耗等均和煤質相關，也就是說，在項目前期，如可行性研究、總體設計階段，在沒有工藝包的前期下，需要提出初步設計條件，粉煤制備工段的消耗需要根據煤質進行模擬計算，才能提出相對合理的條件，由于以往項目資料煤質數差別較大，參考意義不是很大。

另外，根據圖1中典型的粉煤制備工藝流程可以看出，粉煤制備工段除原料煤倉等少數非標設備外，幾乎全部為定型設備。在定型設備詢價過程中，必須提出準確的進出口條件，才能保證廠家的定型設備選型準確。然而由于一些專利商的工程經驗不足，對粉煤制備工段設計的準確性較差，也需要工程設計人員在實際運行工程數據的基礎上，建立合適的模型，一方面對專利商提供的數據進行校核，另一方面確保在定型設備詢價過程中輸入條件的準確性。

2 粉煤制備Aspen模型流程的建立

2.1 模型組分和物性的定義

用Aspen軟件模擬計算時，一般將所涉及的組分分為三類物質：常規物質、常規惰性固體和非常規物質。由于煤的物性和組成千差萬別，屬于非常規物質，在模擬計算過程中需要選擇合適的物性模型使其與本身物料性質相匹配。

Aspen采用HCOALGEN模型，根據煤的煤質組成來計算煤的焓值，采用DCOALIGT來計算煤的密度。定義煤的組分和性質見圖2和圖3。

圖2 Aspen設置非常規組分煤(WETCOAL)

圖3 Aspen非常規組分煤的模型參數設置

對于非常規組分性質設置，HCOALGEN中Option codes均設置為1，此外還需輸入PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL三個參數，三個參數分別為煤的工業分析、元素分析及硫含量組成，在輸入物流過程中需要進行規定。

在定義模型流股類型中，由于存在粉煤流股，需要將流股類型選擇為MIXNCPSD。此外，由于粉煤制備流程操作壓力在近常壓(-6～7kPa(g))，因此流程模擬中大氣壓的設置尤為重要，務必將大氣壓設定為項目建設地點的大氣壓，否則模擬結果將會產生很大的偏差。具體設置見圖4。

圖4 Aspen流程模擬總體設置

2.2 模擬流程操作模塊的選擇

對于磨煤機而言，煤的碾磨與干燥是同時進行的，然而Aspen是一種用來模擬物料和熱量平衡的軟件，粒度的變化在此不考慮，僅考慮煤的干燥過程，采用RStoic反應器模塊進行模擬。

對于熱風爐而言，由于熱風爐所燃燒的燃料氣組成已知，采用微過量空氣完全燃燒產生熱量加熱循環惰性氣，也采用RStoic反應器模塊進行模擬。

循環風機、助燃風機、密封風機及稀釋風機均采用Compr模塊，袋式收粉器采用Flash2模塊。

2.3 粉煤制備流程模擬計算基礎及原理

Aspen默認所有的非常規物質分子量為1，對于煤的干燥過程，相當于煤的一部分轉化成了水。由于煤的分子量為1，水的分子量為18，因此磨煤機RStoic反應器反應方程如下：

WETCOAL→0.0555084H2O

在煤的干燥過程中，煤的含水量將會發生變化，由于煤質數據PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL等三個參數除水含量外，均為干基組成，因此煤干燥前后僅需將工業分析PROXANAL中水含量組成進行修改。

2.4 粉煤制備流程模擬及控制方案

基于2.2Aspen模塊的選擇及2.3中的計算基礎，粉煤制備Aspen模擬流程見圖5，為模擬工藝過程中系統的熱量損失，設置B6及B7換熱器。

圖5 粉煤制備工藝Aspen模擬流程

在模擬過程中，設置一些工藝控制回路，主要包含：①稀釋N2(或者空氣)流量DIL-N2控制磨煤機COALMILL出口惰性氣體的水含量；②助燃風機空氣流量RAC-AIR控制熱風爐B8燃燒時氧氣過量系數；③磨煤機出口流股MIX溫度控制熱風爐燃料氣FG流量，保證高于其露點溫度約20℃；④控制循環氣放空量使循環氣流量與原料煤量成正例。

此外，在磨煤機運行過程中，分別需要密封氮氣SEAL-N2及密封空氣SEAL-AIR，模擬過程中輸入的量為進入磨煤機的量，并非密封風機及密封氮氣的真實流量。

3 模擬計算結果分析

為了驗證粉煤制備模擬的可靠性，以某項目中采用的煤質為依據，將模擬計算結果與某實際運行項目數據文件做比較，來驗證模擬計算的準確性。項目煤質為榆家梁礦，煤質數據見表1。

由上表可以看出，此煤質為典型的煙煤，對于粉煤氣化而言，粉煤制備過程中將煙煤干燥到水分約占2%。此外，對于放空惰性氣中水含量的控制，過低時會造成較多的熱量損失，過高時放空過程中若環境溫度過低，會出現“凍雨”的現象，一般控制在32%以內。

設置原煤處理量為92.253t/h(項目運行參數一致)，主要工藝參數模擬結果與項目運行結果對比見表2。

表2 模擬計算結果與某實際運行項目對比

由上表可以看出，Aspen模擬計算的粉煤制備工藝計算結果和項目實際運行數據基本一致。由于熱損失裕量考慮不同，熱風爐熱負荷結果稍有偏差。循環惰性氣體流量模擬計算值在考慮設計裕量后，也和項目實際運行的數值相符合。

綜上所述，建立的Aspen模擬流程能夠準確地模擬粉煤制備過程中各項工藝參數，具有指導工程設計的意義。

4 粉煤制備過程中的常見問題及解決方案

4.1 磨煤機震動

磨煤機磨盤上煤量過多或過少，都會導致磨煤機磨盤上煤層不均勻，應通過調節給煤量或循環風量的參數，使磨盤上煤層厚度趨向均一。此問題通常出現在開車或者磨煤機負荷調整過程中。

4.2 粉煤在磨煤機中閃爆

當磨煤循環氣系統中氧氣含量控制失效后，高溫循環氣在磨煤機中遇到細顆粒煤粉會導致煤粉在磨機中閃爆，進而導致安全事故。

此種工況應對磨煤系統的密閉性進行檢查，排查是否存在較大的泄漏點，使敞開系統中的空氣進入到了磨煤系統中。同時，在磨煤機入口處設置氧含量檢測，當氧含量超過限定值后，磨煤系統應進行緊急停車。

4.3 磨煤機出口溫度波動大

給煤機負荷變化過大、原料煤水質變化較大，熱風爐燃料波動等均會影響磨煤機出口的溫度。給煤量變化的調整應與熱風爐溫度控制同步，避免調整幅度過大。此外，磨煤系統存在泄漏點也會導致以上問題，若出口溫度波動較大，也應進行系統泄漏點消除。

4.4 磨煤系統壓力異常

磨煤系統壓力異常的主要原因有磨煤機分離器堵塞、放空調節閥故障、循環風機故障等。在設計過程中設置磨煤機進出口壓差檢測，及時檢測磨煤機出入口的壓差，設置磨機出口壓力控制循環氣放空量，控制磨煤機系統壓力平衡。

5 結語

本文針對粉煤制備工藝的特點，建立了粉煤制備的Aspen全流程模擬，通過與實際運行項目數據的對比，驗證了流程模擬的準確性。此外，分析了粉煤制備過程中的常見問題，并給出相應解決方案。

隨著化工設計行業的發展，全流程模擬在工程設計中的作用也越來越重要，尤其對于新型工藝技術而言，通過流程模擬能夠幫助設計人員盡快掌握工藝技術難點，熟悉工藝流程，保證工程設計的順利進行。