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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(zé)任公司，湖北 武漢 430073]

當(dāng)今國內(nèi)煤氣化領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的是氣流床加壓氣化技術(shù)，主要包含水煤漿加壓氣化技術(shù)和干煤粉加壓氣化技術(shù)。低質(zhì)煤由于受到成漿性、灰含量、灰熔點(diǎn)等條件的限制，不宜采用水煤漿氣化技術(shù)，而干煤粉加壓氣化技術(shù)幾乎不受煤種的限制，因而近年來得到廣泛應(yīng)用。干粉煤加壓氣化領(lǐng)域，磨煤及干燥是整個(gè)工藝系統(tǒng)不可或缺的部分，該工段設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)于整個(gè)干煤粉加壓氣化工藝至關(guān)重要。

1 磨煤及干燥流程(圖1)

碎煤倉中經(jīng)預(yù)干燥的原料煤通過稱重給煤機(jī)送入中速磨煤機(jī)，原料煤由碾子在磨臺(tái)上碾磨；來自惰性氣體發(fā)生器的熱煙氣以一定的流速進(jìn)入干燥空間，對(duì)濕煤粉進(jìn)行干燥。干燥后的煤粉，被熱惰性氣體帶入旋轉(zhuǎn)分離器，粗顆粒被分離下來后返回磨煤機(jī)；惰性氣流夾帶著細(xì)顆粒粉煤進(jìn)入煤粉袋式除塵器，煤粉和惰性氣體在袋式除塵器中進(jìn)行氣固分離，合格的粉煤送入下游工序，分離后的尾氣則經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后大部分循環(huán)至惰性氣體發(fā)生器循環(huán)使用，小部分排放至大氣。

磨煤機(jī)的干燥熱源是工藝系統(tǒng)外排的可燃?xì)怏w在惰性氣體發(fā)生器燃燒產(chǎn)生的熱煙氣。在惰性氣體發(fā)生器中，熱煙氣與循環(huán)氣、低低壓氮?dú)夂陀上♂岋L(fēng)機(jī)送入的冷空氣混合，調(diào)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(jī)，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(jì)算時(shí)，一般將所涉及的組分分為三類物質(zhì)，分別是常規(guī)物質(zhì)、常規(guī)惰性固體和非常規(guī)物質(zhì)。對(duì)于常規(guī)組分，包括常規(guī)固體組分( 即組成單一、有確定摩爾質(zhì)量的物質(zhì))，用IDEAL方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)；對(duì)于非常規(guī)物質(zhì)，Aspen Plus軟件作了簡化處理, 認(rèn)為這類物質(zhì)不參與化學(xué)平衡和相平衡，只計(jì)算密度和焓。Aspen Plus一般用HCOALGEN模型來計(jì)算煤的焓值，這個(gè)模型包含了燃燒熱、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和熱容的不同關(guān)聯(lián)式；采用DCOALIGT模型計(jì)算煤的真實(shí)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(xué)計(jì)量模型(Rstoic反應(yīng)模塊)，惰性氣體發(fā)生器選用Rgibbs反應(yīng)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(huán)風(fēng)機(jī)、稀釋風(fēng)機(jī)、燃燒風(fēng)機(jī)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(jì)算基礎(chǔ)

Aspen Plus是通過Rstoic絕熱反應(yīng)器對(duì)煤進(jìn)行干燥模擬計(jì)算的。Rstoic反應(yīng)器主要針對(duì)已知化學(xué)計(jì)量數(shù)和反應(yīng)程度但化學(xué)動(dòng)力學(xué)關(guān)系未知的情況，通過模塊內(nèi)部的Fortran語句來計(jì)算入爐煤的含水量。其內(nèi)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(zhì)量流量；COALOUT，出口物流中煤粉質(zhì)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(zhuǎn)化成水的轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)過程，但是Aspen Plus假定運(yùn)用化學(xué)計(jì)量模型將煤的一部分轉(zhuǎn)化成水，近似表示非常規(guī)組分煤的干燥過程。煤干燥過程化學(xué)反應(yīng)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(duì)所用煤種進(jìn)行干燥過程模擬計(jì)算，原料煤的投煤量(使用煤種)為66.24 t/h，含水量為12%；據(jù)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(jìn)磨煤機(jī)的熱風(fēng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)中水蒸氣含量，使其在露點(diǎn)之下；通過低低壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)中氧含量，控制在8%以下。所用煤種的元素分析和工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤樣的元素分析和工業(yè)分析 %

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬計(jì)算

Aspen Plus模擬計(jì)算結(jié)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(jīng)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(jìn)入磨煤機(jī)熱氣體的氧含量約為6.4%，循環(huán)風(fēng)機(jī)下游的氣體的水含量為32.3%。進(jìn)入磨煤機(jī)的熱氣體溫度由燃料氣的用量控制，本系統(tǒng)燃料氣用量為1 224 kg/h，惰性氣體發(fā)生器熱負(fù)荷約為12.8 MW。

表2 Aspen Plus模擬計(jì)算結(jié)果

注：位號(hào)/介質(zhì)均對(duì)應(yīng)于圖2。

3.2 校核計(jì)算

3.2.1使用煤種的校核計(jì)算

為了判別所建模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將專利商提供的技術(shù)參數(shù)與模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由表3可知，模擬結(jié)果與專利商提供的技術(shù)參數(shù)的偏差均在允許的范圍內(nèi)。

表3 模擬結(jié)果與專利商技術(shù)參數(shù)的對(duì)比(使用煤種)

注：① 煤粉干燥后的含水量；② 循環(huán)惰性氣體中的氧含量；③ 惰性氣體發(fā)生器的熱負(fù)荷。表5同。

3.2.2設(shè)計(jì)煤種的校核計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，將設(shè)計(jì)煤種的參數(shù)(如表4所示)輸入模型，模擬低低壓氮?dú)?、稀釋空氣、助燃空氣消耗，露點(diǎn)及氧含量、惰性氣體發(fā)生器熱負(fù)荷等工藝參數(shù)。由表5可知，燃料氣、稀釋空氣、低低壓氮?dú)獾南呐c專利商提供的參數(shù)非常接近，個(gè)別參數(shù)偏離PDP參數(shù)稍微大一點(diǎn)，但總體上看，誤差仍在可接受的范圍內(nèi)，證明模型具有一定的可靠性。

表4 設(shè)計(jì)煤種的元素分析和工業(yè)分析 %

表5 專利商技術(shù)參數(shù)與模擬結(jié)果的對(duì)比(設(shè)計(jì)煤種)

4 結(jié) 論

(1)本模擬利用氮?dú)夂蜔岫栊詺怏w進(jìn)入磨煤機(jī)和袋式除塵器進(jìn)行煤粉的干燥及輸送。模擬計(jì)算熱力學(xué)方程選用IDEAL模型，運(yùn)用絕熱反應(yīng)器Rstoic進(jìn)行煤中水分干燥過程的定義。進(jìn)入磨煤機(jī)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(jì)算方法，通過Aspen Plus內(nèi)部的Fortran語句進(jìn)行煤干燥過程的模擬計(jì)算，獲得了較好的結(jié)果。

(3)通過Aspen Plus對(duì)整個(gè)磨煤及干燥過程進(jìn)行模擬分析，有利于對(duì)干燥過程進(jìn)行優(yōu)化控制，提高整個(gè)過程的熱效率；同時(shí)，可以預(yù)測(cè)不同條件下氮?dú)?、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(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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