五環爐煤氣化裝置煤粉輸送系統穩定性研究

杜孟洪，程書花

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司二期項目為40萬t/a醋酸裝置，由兩臺五環爐干煤粉加壓氣化爐提供原料氣。五環爐干煤粉氣化技術原料為干煤粉，采用氣流床加壓氣化工藝，因此煤粉系統的穩定是五環爐長周期、穩定運行的先決條件。

五環爐煤粉輸送系統在運行過程中出現煤粉管道堵塞、煤粉流量不穩定、煤粉取煤口管道扭曲斷裂、煤線取煤口高度和流化板底部流化氣量不合適等問題。針對這些影響五環爐煤粉輸送系統的問題進行大量系統性研究，制定了多項改進方案，實現了煤粉輸送系統的穩定。

1 煤粉輸送系統工藝流程

原煤經磨煤機破碎到適于氣化的粒度，同時使用加熱的惰性氣流將其水分干燥到符合輸送要求。經研磨的干燥煤粉由低壓氮氣送到煤的加壓和給料系統，此系統包括煤粉倉、鎖斗和煤粉給料倉。通過煤粉給料倉由高壓CO2(或氮氣)作為底部流化板的流化用氣，由煤粉給料倉罐體側壁的4條煤線輸送至五環爐爐膛內進行燃燒氣化。

五環爐煤粉給料倉采用上出料方式，1個給料倉輸出4條煤線[1](見圖1)。此方式不同于殼牌給料倉的底部出料，1個給料倉輸出2條煤線的方式。

圖1 煤粉給料倉

2 五環爐煤粉輸送系統的穩定性研究

五環爐煤氣化工藝是煤粉在高溫下發生的熱化學反應。氣化反應不僅與氣化溫度、壓力、反應時間有關，而且還受進料組分的濃度、溫度及其他因素(煤的粒度、灰分、灰熔點及黏溫特性等)的影響，是一個受眾多因素制約和作用的復雜反應過程。

從煤粉給料倉來的煤粉經計量后，與輸送煤粉用的高壓N2/CO2送入煤燒嘴4條煤線的中心管。來自空分裝置的4.52MPa(g)、25℃的氧氣經氧氣預熱器加熱到180℃后，與少量中壓過熱蒸汽混合進入燒嘴的外環隙。在五環爐內，經4個煤燒嘴噴入的煤粉與氧氣發生部分氧化反應(見圖2)。

圖2 煤線輸送流程

在五環爐運行過程中，氧/煤比(即是氧氣流量與煤粉流量的比值)是主要調節參數，五環爐的溫度與產出粗煤氣的氣體組分均由氧/煤比控制。氧氣流量由流量計直接測量，通過溫壓補償運算后得出；通過速度測量儀以及帶放射源的密度計測量出煤粉的輸送速度和懸浮密度(該密度里去除了載氣的影響)，利用煤粉的輸送速度和懸浮密度計算出煤粉的實際流量值。因此，煤粉輸送時，如果流化不均勻，或煤粉管道進入異物，將會使煤粉密度忽高忽低或煤粉密度測量不準確，進而影響煤粉流量控制，使五環爐溫度失控，易造成垮渣現象，威脅五環爐穩定運行，嚴重時必須停車處理。

3 五環爐煤粉輸送系統的問題及技術改造

3.1 煤鎖斗充氣錐、管道充氣器損壞

3.1.1原因及影響

鎖斗充氣錐和管道充氣器是防止鎖斗中粉煤架橋和保證煤粉正常下料的關鍵設備[2]。目前，五環爐的煤鎖斗安裝使用的充氣錐內件為金屬絲網，在煤鎖斗頻繁的充泄壓和排堵操作中，由于差壓較大，極易造成設備的損壞，進而造成下料不暢，影響煤線的波動和氣化爐負荷的提升，甚至造成燒嘴的偏燒和跳車，因一臺五環爐只有一套給料系統，故煤鎖斗充氣錐出現嚴重問題時，只能停五環爐處理。

3.1.2技術改造方案

(1)增加煤鎖斗充壓保護聯鎖。將煤鎖斗充壓閥最大限度設定為35%，并將煤鎖斗笛管充壓管線與煤鎖斗壓差控制在0.4MPa以內，否則會觸發聯鎖保護動作關閉充壓閥。

(2)取消煤鎖斗充氣錐原設計的金屬絲網，制作等徑的316不銹鋼圓筒，在圓筒上打φ5的孔，孔間距為20mm，呈菱形分布，用以代替原設計的充氣錐內件(見圖3)。

圖3 煤鎖斗充氣錐(V03204A/B)改造后

3.2 煤粉給料倉內部煤線變形或斷裂

3.2.1現象與影響

五環爐煤粉給料倉設計為上出料方式，底部設置流化板，4條煤線距離取煤口一段高度。在流化板底部通高壓N2/CO2使煤粉流化，通過煤粉給料倉與氣化爐壓差來輸送煤粉。五環爐試運行時，煤線均出現大幅震蕩，煤線波動較大，頻繁跳燒嘴，經拆檢發現，煤粉給料倉內部煤線取煤口發生較大扭轉，煤線與給料倉內部接口處發生斷裂的情況(見圖4、圖5)。

圖4 煤線變形

圖5 煤粉給料倉內部接口處斷裂

3.2.2技術改造方案

在煤粉給料倉內部煤線上部左右對稱增加2條20mm×200mm(厚×寬)不銹鋼拉板，并在煤線中間段增加2條同樣的拉板(見圖6)。技術改造后，徹底解決了煤粉給料倉內煤線彎曲及斷裂的問題，運行一個長周期后，對煤粉給料倉內部煤線進行檢查，效果比較理想(見圖7)。

圖6 煤線技術改造后

圖7 煤線運行后檢查情況

3.3 給料倉煤粉管道頻繁堵塞

給料倉設計采用上出料方式輸送，流化板位于底部，煤粉管道距流化板間距原設計僅60mm，因此，如煤粉中有大塊或較硬的固體雜質，在運行中易被吹入煤粉管道中，造成管道堵塞，嚴重時甚至造成停車事故。為解決煤粉管道堵塞的問題進行了模擬實驗，選取煤粉管線直徑40mm大小的煤塊20塊，底部通入不同的流化氣量觀察煤塊的流化狀態及高度，實驗結果見表1。

表1 給料倉流化板流化氣量實驗

實驗結果分析：為保證流化板的流化效果，需將實驗中的所有煤塊吹起，考慮到氣量消耗、氣量越大流化板上的煤粉密度越小，越影響煤線穩定等因素，最終將流化氣量設定在1 100 Nm3/h，煤粉管道距流化板間距80mm。在正常運行期間效果比較理想，基本解決了大煤粉顆粒堵塞煤粉管道的問題。

3.4 常壓倉裝料袋濾器內煤粉，下料不暢

3.4.1原因與影響

常壓倉裝料袋濾器是將煤鎖斗和煤粉給料倉泄壓時高壓N2/CO2帶出的煤粉通過濾袋過濾回收，并經旋轉螺旋送回煤粉常壓倉。在常壓倉裝料袋濾器內部，煤粉是通過自重下落進入螺旋輸送的，因煤粉中水分<2%，且N2/CO2在泄壓過程中溫度會急劇下降，導致水分冷凝析出，從而使煤粉在常壓倉裝料袋濾器底部結塊，導致下料不暢。一旦煤粉出現結塊，必須盡快清理，但煤粉在清理過程中易造成大面積環境污染，且堆積過多易自燃甚至爆炸，非常危險。大量的煤塊如果通過螺旋送入煤粉常壓倉，會對整個煤粉加壓輸送系統產生不利影響。

3.4.2技術改造方案

常壓倉裝料袋濾器原設計低壓氮氣溫度只有20℃，溫度比較低，通過將底部流化氣源改造增加伴熱，提高低壓氮氣溫度。通過試驗的方法優化低壓氮氣溫度至90℃左右，避免系統中冷凝析出水分在底部堆積，從而保證煤粉不能結塊，下料通暢。

試驗方法：使用0.8MPa(g)、170℃的低壓飽和蒸汽作為熱源，低壓氮氣量不變，通過手閥控制調節飽和低壓蒸汽的量改變低壓氮氣溫度，通過常壓倉裝料袋濾器底部觀察孔查看低壓氮氣溫度在30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃，90℃，100℃時的下料情況。

表2 不同低壓氮氣溫度下的下料情況

實驗結果表明：常壓倉裝料袋濾器底部流化低壓氮氣溫度在30～80℃時，溫度太低，不利于下料；90～100℃時下料量正常。考慮到常壓倉裝料袋濾器一些安全附件的設計溫度，(比如防爆板設計溫度110℃)、煤粉的特性以及運行的經濟性，將常壓倉裝料袋濾器底部流化低壓氮氣溫度控制在90℃左右比較合適。

3.5 其他問題

影響煤粉輸送穩定的因素還包括煤粉性質的影響，比如含水率、粒度分布、流動性等；包括煤線控制方案的影響，比如煤線煤流量控制、氧煤比控制等[3]。

工藝操作方面的影響，比如磨煤系統的纖維分離器清理頻次、磨機的溫度控制等；煤粉輸送順控的影響，煤鎖斗沖泄壓的控制等[4]。這些影響因素不是本文研究的重點，不再詳細展開。

4 結語

煤粉輸送系統的穩定性對五環爐的安全穩定運行至關重要，通過對影響五環爐煤粉輸送穩定性的問題進行針對性地改造后，達到了預期的改造效果，創造了五環爐A級運行288d的紀錄。