粉煤氣化裝置中磨煤機與循環風機利用氣化副產蒸汽聯合驅動方案

呂 品 楊振中 劉明亮 羅 濤 廣 翠

（航天長征化學工程股份有限公司）

2021 年5 月，生態環境部發布了《關于加強高耗能、高排放項目生態環境源頭防控的指導意見》，明確煤化工為“雙高”行業，要求嚴控行業耗能強度和總量；2021 年10 月21 日， 國家發改委等多部委聯合發布了發改產業〔2021〕1464 號文《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》，要求對于“雙高”行業進行從高定標、對標改造， 引導行業平均能效向標桿能效靠攏；對于煤化工企業而言，節能降耗不僅是降低能源消費的重要手段，也是實現低碳化，實現“碳達峰”“碳中和”的關鍵措施。 對現有的煤化工企業進行節能改造，新建煤化工企業從嚴、從高制定排放標準再進行建設，將是煤化工企業發展的必由之路。 在煤化工企業中，需要采用更有效的節能技術，以實現節能增效的目的。

1 現狀

1.1 氣化裝置能耗突出

在煤化工企業中，大部分以煤氣化裝置為龍頭，先將原料煤轉化成以CO 和H2為主的粗合成氣，再到下游裝置合成產品。 由于能源轉化效率較高、排放清潔、運行可靠穩定，粉煤加壓氣化成為大部分煤化工企業的主流選擇之一。 在煤制合成氨或煤制甲醇企業中，氣化裝置能耗約占全廠能耗的80%以上，氣化裝置的節能增效需求極其迫切，因此，帶熱回收的粉煤氣化爐將成為必然的選擇，未來新建的多數煤氣化裝置將具備副產中高壓蒸汽的能力，充分利用高溫合成氣的熱量副產蒸汽，從而大幅提高氣化裝置的能量利用效率。

1.2 磨煤機和循環風機的能耗占比大

在粉煤氣化裝置中，磨煤干燥（CMD）是氣化工藝過程的第1 道工序，主要目的是將輸煤皮帶送來的10～30 mm 的帶水碎煤， 經過磨煤機的研磨以及來自惰性氣體發生器的高溫惰性氣體的干燥，使煤粉達到氣化爐對粉煤粒徑和水分的要求；將干燥的粉煤輸送至粉煤袋式過濾器進行分離后送至粉煤貯罐，分離出的惰性氣體部分排放至大氣，剩余部分經循環風機進入惰性氣體發生器循環使用。

在磨煤干燥單元中， 磨煤機對原煤進行碾磨，循環風機提供熱風循環的動力，是氣化裝置中能耗較高的設備，二者用電負荷相當于氣化裝置總用電負荷的60%左右，如使用較難磨的無煙煤、石油焦等，或者含水較高的褐煤作為原料時，由于需要更大的研磨出力和干燥氣量， 將導致磨煤機和循環風機的消耗更高。 因此，粉煤氣化裝置的磨煤機和循環風機具備較大的節能潛力。

1.3 傳統驅動型式

在傳統的磨煤干燥單元設計中，磨煤機和循環風機一般分別采用電機驅動，以使用煙煤作為原料的某年產60 萬噸甲醇項目為例， 磨煤機主電機單機額定負荷為670 kW， 循環風機電機單機額定負荷為800 kW， 同時運行兩個磨煤干燥系列，磨煤機主電機和循環風機電機的運行負荷合計高達2 580 kW， 相當于氣化總運行負荷的70%左右。

2 磨煤機和循環風機聯合汽驅方案

2.1 聯合汽驅方案

2.1.1 聯合汽驅的基本條件

在氣化裝置中，磨煤機和循環風機一般鄰近布置在氣化框架或磨煤島框架內，而且通常情況下，兩設備均為中心布置，利于同軸設計，天然具備聯合驅動的布置條件；在帶余熱回收的氣化爐裝置中，氣化裝置具備副產中高壓等級蒸汽的能力 （一臺2 000 t 級的粉煤氣化爐副產蒸汽能力為40～60 t/h）， 如果采用汽輪機聯合驅動磨煤機和循環風機，僅需消耗氣化裝置的副產蒸汽即可滿足要求。 這也符合余熱就近利用的原則，避免了蒸汽遠距離輸送帶來的溫度壓力損失和凝水損失。

2.1.2 汽輪機選型

首先，從進汽參數看，氣化裝置副產蒸汽通常為4.0～9.8 MPa 的中高壓飽和蒸汽， 裝置內一般不具備過熱條件，或過熱此部分副產蒸汽需要額外增加燃料消耗， 不符合節能環保的要求，故汽輪機首選飽和工業汽輪機組。 飽和機組的缺點是末級葉片濕度大，對末級葉片設計和材質要求較高，需要對末級葉片進行特殊設計，也可以根據末級葉片濕度情況， 考慮在級間增設再熱器，提升末級蒸汽干度， 降低末級葉片的材料成本，提高葉片可靠性。 飽和機組的中間疏水量相對較大，需要增加中間排水設計；同時飽和汽輪機進汽需要保證一定的干度，可以在進汽管線上增加汽水分離設備［1］。

其次，汽輪機一般有凝汽式和背壓式機組兩種型式。 由于凝汽式機組凝汽損失較大，設備整體熱效率不高，且因配套空冷設備，使得總投資、占地面積均較大， 而背壓式機組整體熱效率高，無需空冷，投資、占地面積較低，故首選背壓式機組。 背壓式機組排氣帶有一定的壓力，乏汽帶水量較低，可以大幅降低末級葉片水蝕的風險。 背壓式機組的優點還有汽輪機排出乏汽仍帶有部分熱量，可以作為全廠加熱、伴熱、采暖等蒸汽使用，符合能量梯級利用的原則，同時配套設備較少，操作、維護較為簡單。

綜上，汽輪機推薦首選飽和背壓式機組。

仍以某年產60 萬噸甲醇項目為例， 磨煤干燥單元為三系列配置（2 開1 備），單系列磨煤機和循環風機聯合驅動汽輪機組額定功率可按1 500 kW 考慮，正常運轉功率1 300 kW，負荷率86.7%。 機組參數如下：

進汽參數 6.0 MPa±0.3 MPa（飽和）

排汽參數 0.65 MPa±0.20 MPa（飽和）

進汽量 約40 t/h

排汽量 約35 t/h

疏水量 約5 t/h

設備投資估算 300 萬元

2.1.3 汽輪機組的綜合熱效率

背壓式機組可視為熱功聯產機組，參照熱電聯產計算方法，得到機組熱效率計算式如下：

其中，η 為機組綜合熱效率，W 為輸出功，Q2為排汽熱值，Q1為進汽熱值。

6.0 MPa 飽和蒸汽焓值為2 783 kJ/kg，0.65 MPa 飽和蒸汽焓值為2 766 kJ/kg， 代入上式， 計算得到背壓式機組的η=（1300×3600+35×1000×2766）÷（40×1000×2783）×100%=91.17%。

根據GB 35574—2017 《熱電聯產單位產品能源消耗限額》， 熱電聯產機組年均總熱效率應大于45%， 本例計算熱效率遠高于國標要求，節能效果明顯。

2.2 機組聯合布置方案

聯合驅動機組示意圖如圖1 所示， 其中磨煤機、汽輪機組、循環風機為同軸布置，汽輪機組與磨煤機和循環風機通過離合器或聯軸器相連。

圖1 聯合驅動機組示意圖

考慮到需要降低控制的復雜性和操作難度，汽輪機采用3 000 r/min 的固定轉速運轉。

3 節能分析

以某年產60 萬噸甲醇項目為例， 與傳統電驅方式相比，副產蒸汽聯合驅動機組每年可節電2 080 萬kW·h，根據國家能源局統計，2020 年全國供電標準煤耗為305.5 g/（kW·h），以此數據推算，聯合驅動機組每年可節約標煤約6 354 t。 另據氮肥行業協會數據統計，2020 年我國煤制甲醇行業粉煤氣化路線產能約1 679 萬噸， 根據產能推算，全部采用文中的聯合驅動方案總計可節約標煤約每年17.78 萬噸，具備較好的節能效果。實際上， 粉煤氣化爐不僅僅限于煤制甲醇行業，在煤制油氣、乙二醇、乙醇等現代煤化工行業中已經得到廣泛的應用，故推廣此方案的節能潛力較大。

4 經濟性和可靠性分析

4.1 經濟性比較

聯合驅動機組和傳統電機驅動的主要運行成本對比見表1。

表1 主要運行成本對比

據調研， 聯合驅動機組驅動端設備投資約300 萬元，傳統電驅方式的驅動端設備投資約100萬元； 結構上聯合汽驅方案需增加一個10 m×18 m 的兩層框架，按100 萬元估算；估算總投資差額約300 萬元。 根據表1 的運行成本對比，按一年8 000 h 計算，聯合驅動機組年節約費用約56 萬元， 估計5.4 年后即可收回增加的投資。 可見，采用聯合驅動機組方案具備良好的節能收益。 同時，聯合驅動方案實施難度低，總投資額低，可廣泛適用于新建項目和老廠節能改造。

氣化裝置副產的飽和蒸汽通過長距離管道輸送會造成較大的熱能損失，尤其是在北方寒冷地區冬季運行時，輸汽管道中冷凝水增多，會造成疏水損失、水擊等一系列問題。 如果飽和蒸汽能就近利用，可以避免蒸汽在長距離輸送過程中造成的溫壓損失和疏水損失， 減少蒸汽管線、疏水閥的配置，簡化熱力管網，同時也極大限度地避免了飽和蒸汽管線水擊的問題，增加了公用工程系統的穩定性，相當于取得額外的收益。

4.2 可靠性分析

正常生產時，磨煤機和循環風機均處于較高負荷運行，汽輪機運行穩定，整體效率較高；當原料煤煤質發生變化或者進煤量調節時，磨煤機通過液壓拉桿調節研磨出力，通過風煤比控制調節進風量，通過旋風分離器變頻電機調節出口粉煤粒徑；循環風機通過液力耦合器或風門開度調節風量，與常規操作相同。

停車操作時，有可能需要循環風機維持一定時間的運轉，以保持系統的惰性環境，此時汽輪機可以采用雙缸設計，分別驅動磨煤機和循環風機，并在磨煤機主軸一側增加離合器［2，3］，通過汽輪機進汽閥控制進汽量， 實現磨煤機自動脫轉；此設計可以保證循環風機在磨煤機停機后仍保持一段時間的穩定運行，維持系統風量。 當因事故突發停車時，由于氣化爐產汽汽包具備一定的緩沖能力，實際上可以維持運行一段時間，使磨煤系統的惰性環境得以保持，可保證磨煤系統的安全性和有序退出。

為保證磨煤干燥系統整體的可靠性，建議備用磨煤生產線的磨煤機和循環風機仍采用電機驅動，正常生產時僅作為備用，不耗能；汽輪機發生事故時可以將備用磨煤生產線啟動，再進行汽輪機檢修。

5 結束語

我國煤化工企業多以氣化為源頭，通過氣化爐將煤制成合成氣后再根據不同的合成工藝生產氨、甲醇、乙二醇、烯烴及油氣等產品；從近年的發展來看， 由于粉煤氣化具備較高的碳轉化率、較低的單位消耗、較寬的原料適應性，已成為現代煤化工氣化路線的主流選擇。 隨著國家對煤化工企業進行能耗“雙控”，以及疊加政府最近出臺的“碳達峰”“碳中和”要求，氣化裝置采用節能降耗技術將是煤化工企業的必然選擇。 氣化爐本身為提高能效一般選擇帶有余熱回收的氣化爐型，而粉煤氣化的大量能耗又集中在磨煤干燥過程，磨煤機和循環風機的節能降耗需求迫切。 筆者設計的利用氣化裝置副產蒸汽聯合驅動磨煤機和循環風機的方案，恰好可以搭建耗能大戶和副產飽和汽源之間的橋梁，既降低了氣化裝置磨煤單元的能耗，又實現了氣化裝置副產飽和蒸汽的就地利用和梯級利用，避免了外送飽和蒸汽的疏水損失、水擊等一系列問題，增加了全廠蒸汽系統的穩定性，同時極大地提高了氣化裝置的經濟性，具備較大的推廣價值。

當汽輪機功率越高時， 汽輪機的內效率越高， 由此可以進一步提高機組整體的熱效率：對于大型化的煤化工裝置或無煙煤、褐煤等非常規氣化煤質的項目， 磨煤機和循環風機的耗功更高， 汽輪機聯合驅動單套功率有望超過2 000 kW， 機組熱效率比文中示例項目再提高2%～3%，節能降耗效果顯著。