葛秀文 辛呈欽 惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201203

磨煤與干燥系統(tǒng)(CMD)是殼牌粉煤氣化工藝重要組成部分，為氣化系統(tǒng)提供合格的煤粉，對(duì)于整個(gè)氣化工藝非常重要，直接影響整個(gè)氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

殼牌煤氣化CMD 系統(tǒng)與現(xiàn)行的電廠(chǎng)制粉系統(tǒng)存在一定的相似點(diǎn)，但也有其獨(dú)有的特點(diǎn)，二者主要區(qū)別:①現(xiàn)行的電廠(chǎng)大都采用直吹式制粉系統(tǒng)，即干燥熱風(fēng)隨煤粉一起進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)，兩者不需要分離，因此不存在熱風(fēng)循環(huán)的問(wèn)題，而殼牌CMD 系統(tǒng)則需要采用袋式過(guò)濾器對(duì)煤粉和干燥熱風(fēng)進(jìn)行分離，煤粉進(jìn)入粉煤加壓與進(jìn)料系統(tǒng)(1200 單元)的粉煤倉(cāng)，熱風(fēng)大部分循環(huán)回系統(tǒng)，少部分放空以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平衡;②干燥熱風(fēng)的熱源不同，現(xiàn)行的電廠(chǎng)制粉系統(tǒng)的熱風(fēng)的熱源普遍來(lái)自于鍋爐煙氣的余熱，而且是間接加熱，而CMD 系統(tǒng)的熱源則來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)熱風(fēng)爐內(nèi)燃料的燃燒，且燃燒乏氣直接進(jìn)干燥系統(tǒng)作為干燥介質(zhì)。

正是由于存在上述兩點(diǎn)差異，使得殼牌CMD系統(tǒng)在控制原理、系統(tǒng)的熱量和物料平衡計(jì)算方面都比電廠(chǎng)制粉系統(tǒng)要復(fù)雜得多。

1 殼牌煤氣化CMD 系統(tǒng)的介紹

CMD 系統(tǒng)是將來(lái)自界區(qū)原料煤磨制成＜90μm的煤粉，同時(shí)將原料煤中的水分干燥至2%以下，然后送至下游的粉煤進(jìn)料單元，流程見(jiàn)圖1。

CMD 系統(tǒng)的主要設(shè)備:磨煤機(jī)、熱風(fēng)爐、循環(huán)風(fēng)機(jī)、煤粉過(guò)濾器等;主要控制回路:石灰石粉量控制系統(tǒng)、粉煤的細(xì)度控制系統(tǒng)、磨煤機(jī)出口溫度控制系統(tǒng)、惰性氣體流量控制系統(tǒng)、磨煤機(jī)出口壓力控制系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)露點(diǎn)控制系統(tǒng)、惰性氣氧含量控制系統(tǒng)、熱風(fēng)爐出口風(fēng)量控制系統(tǒng)。

圖1 磨煤與干燥系統(tǒng)流程示意圖

2 原料煤的相關(guān)特性對(duì)CMD 系統(tǒng)的影響

2.1 水分

CMD 系統(tǒng)通過(guò)高溫干燥去除原料煤中的外水和部分內(nèi)水，使煤粉的含水量達(dá)到氣力輸送的要求。原料煤的水分影響磨煤機(jī)的干燥出力，同時(shí)也是CMD 系統(tǒng)能耗的決定性因素，高水分含量既會(huì)增加系統(tǒng)的干燥負(fù)荷，也會(huì)增加循環(huán)系統(tǒng)放空負(fù)荷，從而導(dǎo)致稀釋氮?dú)夂拖♂尶諝獾挠昧吭黾印?/p>

2.2 可磨性

可磨性是指煤磨碎成粉的難易程度，見(jiàn)表1。

表1 煤的可磨性分級(jí)(GB/T 7562 -1998)

煤的可磨性主要影響磨煤機(jī)的碾磨出力，對(duì)磨煤機(jī)的選型和功耗都有一定的影響，煤的可磨性太難和太易都對(duì)CMD 系統(tǒng)不利，可磨性太難會(huì)增加磨煤機(jī)的功耗和機(jī)械損耗;而部分太易磨碎的煤粉顆粒會(huì)在磨制過(guò)程中被擠壓成片狀顆粒，對(duì)后續(xù)的粉煤輸送系統(tǒng)不利［1］。

2.3 揮發(fā)分

煤粉的揮發(fā)分與爆炸性有著非常緊密的聯(lián)系，爆炸性可以采用揮發(fā)分的含量近似判定，詳見(jiàn)表2。煤粉的爆炸性是CMD 系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它直接決定整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)氧氣含量，爆炸性越強(qiáng)，要求的氧氣含量越低。

表2 煤的揮發(fā)分與煤的爆炸性［2］

3 CMD 系統(tǒng)主要控制參數(shù)計(jì)算

3.1 風(fēng)煤比

風(fēng)煤比是指磨煤機(jī)出口的風(fēng)量與成品煤粉的比例，計(jì)算公式:

風(fēng)煤比影響著煤粉管線(xiàn)的輸送狀態(tài)［3］，對(duì)CMD 系統(tǒng)非常重要。風(fēng)煤比選擇由磨煤機(jī)廠(chǎng)家根據(jù)原料煤的特性綜合計(jì)算后確定，不同的磨機(jī)在不同的操作負(fù)荷下的風(fēng)煤比的大小是不同的，典型磨機(jī)的負(fù)荷與風(fēng)煤比的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 ZGM113N 磨機(jī)某工況下操作負(fù)荷與風(fēng)煤比關(guān)系

3.2 磨煤機(jī)出口溫度

磨煤機(jī)出口溫度通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入熱風(fēng)爐的燃料量來(lái)控制，最終保證磨煤機(jī)出口溫度在設(shè)定的范圍。磨煤機(jī)的出口溫度影響著CMD 系統(tǒng)的熱平衡，主要計(jì)算過(guò)程如下:

CMD 系統(tǒng)熱平衡計(jì)算公式:

干燥水分所需要的汽化熱量Qr 的計(jì)算公式:

放空氣所帶走的熱量Q3計(jì)算公式:

成品煤粉所帶走的熱量Q2計(jì)算公式:

QL主要考慮系統(tǒng)的熱損失，熱風(fēng)爐的燃燒效率、磨煤機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換等。

通過(guò)聯(lián)立上式解方程組，便可求取磨煤機(jī)的出口溫度T1。

3.3 惰性氣中氧含量

在CMD 系統(tǒng)中，磨煤和干燥過(guò)程都是在惰性氣體環(huán)境(低氧濃度)下進(jìn)行的，一般控制氧含量在5% ～8 % (vol)，具體根據(jù)煤中的揮發(fā)分含量來(lái)確定，氧含量的控制通過(guò)向系統(tǒng)加入N2的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

正常操作時(shí)，CMD 系統(tǒng)的O2輸入主要來(lái)自于稀釋空氣、磨煤機(jī)密封空氣和過(guò)量助燃空氣中的O2，而O2的輸出則主要通過(guò)放空來(lái)實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)系統(tǒng)中的O2平衡:

過(guò)量助燃空氣中O2+稀釋空氣中O2+磨煤機(jī)密封空氣中O2=放空氣中O2

系統(tǒng)中O2含量的計(jì)算公式:

3.4 循環(huán)風(fēng)露點(diǎn)

循環(huán)風(fēng)的露點(diǎn)主要取決于其組成中的水分含量，水分含量越高，露點(diǎn)越高。循環(huán)風(fēng)的露點(diǎn)主要通過(guò)加入新鮮空氣來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，加入更多的新鮮空氣，可以降低循環(huán)風(fēng)中水分濃度，從而可以達(dá)到降低露點(diǎn)的目的。

正常操作時(shí)，CMD 系統(tǒng)的H2O 輸入主要來(lái)自原料煤粉和燃料氣燃燒所產(chǎn)生的水分;而H2O 的輸出主要通過(guò)放空來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分被成品煤粉所帶走。

整個(gè)系統(tǒng)的H2O 平衡:

系統(tǒng)中水分含量的計(jì)算公式:

4 CMD 系統(tǒng)的建模計(jì)算與應(yīng)用

基于以上分析可知，殼牌CMD 系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，特別是在系統(tǒng)的物料和熱平衡計(jì)算方面，由于存在熱風(fēng)循環(huán)回路，在計(jì)算過(guò)程中需要采用一定的切割方法將循環(huán)物流進(jìn)行切割，然后假設(shè)一定的輸入?yún)?shù)從切割點(diǎn)開(kāi)始采用試差法進(jìn)行迭代計(jì)算，但由于系統(tǒng)中涉及到H2O、N2、O2、CO2、CO、H2等多種物質(zhì)物料平衡，且也涉及到反應(yīng)過(guò)程的計(jì)算，使得整個(gè)CMD 系統(tǒng)的計(jì)算比較繁瑣，因此，需要考慮通過(guò)軟件建立計(jì)算模型來(lái)解決。

4.1 物料與熱量平衡計(jì)算模型

在CMD 工藝系統(tǒng)中，除了熱風(fēng)爐可以看作是一個(gè)燃燒反應(yīng)器之外，其他的設(shè)備都是物理的處理過(guò)程，不發(fā)生化學(xué)變化。

基于以上分析，采用反應(yīng)器模塊來(lái)模擬熱風(fēng)爐，其他的設(shè)備分別采用Pro/II 軟件里相對(duì)應(yīng)的模塊來(lái)模擬，具體的模型界面見(jiàn)圖1。采用一個(gè)換熱器模塊對(duì)系統(tǒng)的熱損失進(jìn)行模擬，換熱器的熱負(fù)荷需要進(jìn)行計(jì)算，由專(zhuān)門(mén)編制的計(jì)算程序完成;采用五個(gè)控制器分別對(duì)風(fēng)煤比、磨煤機(jī)出口溫度、惰性氣中O2含量、惰性氣的露點(diǎn)和燃料氣與助燃空氣的比例等參數(shù)進(jìn)行控制設(shè)定，可以根據(jù)不同控制要求而設(shè)定不同目標(biāo)數(shù)值，模型將根據(jù)設(shè)定值得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

圖1 CMD 系統(tǒng)物料與熱平衡計(jì)算模型界面

4.2 計(jì)算模型的應(yīng)用

應(yīng)用上述物料平衡的計(jì)算模型完成了下行水激冷氣化示范裝置的CMD 系統(tǒng)的物料衡算設(shè)計(jì)，目前該裝置已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)化示范運(yùn)行階段，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比情況詳見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)表4 可知，現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)比較吻合，都在合理的誤差范圍內(nèi)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，系統(tǒng)熱負(fù)荷、氮?dú)庀暮头趴諝饬柯晕⑵?，分析主要原?系統(tǒng)熱負(fù)荷的差異主要由于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際保溫伴熱情況與模型的假設(shè)熱損失有一定出入;放空氣量和氮?dú)庀牧科笾饕且驗(yàn)橄到y(tǒng)在微負(fù)壓下運(yùn)行，磨煤機(jī)及煤粉過(guò)濾器的漏風(fēng)系數(shù)與設(shè)計(jì)值存在一定的偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)漏入的空氣量大于設(shè)計(jì)值，進(jìn)而導(dǎo)致放空量和氮?dú)庀牧康脑黾?稀釋過(guò)量空氣中所攜帶的氧氣)。

5 結(jié)語(yǔ)

殼牌CMD 系統(tǒng)比現(xiàn)行的電廠(chǎng)制粉系統(tǒng)更加復(fù)雜，增加了控制和計(jì)算的復(fù)雜性，通過(guò)采用Pro/II軟件建立的計(jì)算模型具有很好的計(jì)算準(zhǔn)確性，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好，較準(zhǔn)確地完成不同輸入條件下CMD 系統(tǒng)的物料和熱平衡計(jì)算。

另外，由于氣流床粉煤氣化工藝對(duì)原料煤粉的要求幾乎相同，使得它們的磨煤和干燥系統(tǒng)也比較類(lèi)似，因此，在對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行微調(diào)后，本模型還可以用于其它氣化工藝的磨煤和干燥系統(tǒng)的計(jì)算，具有一定的通用性。

1 賀永德. 現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社，2010:71 -73.

2 DL/T 5145 -2002，火力發(fā)電廠(chǎng)制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定［S］. 中國(guó)電力出版社，2002:7

3 于遵紅，王輔臣等. 煤炭氣化技術(shù)［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社，2010，11:254 -263.

符 號(hào) 說(shuō) 明

W1:原料煤粉流量，kg/s

W2:成品煤粉流量，kg/s

W3:放空氣量，kg/s

W4:稀釋氮?dú)饬髁?，kg/s

W5:循環(huán)氣流量，kg/s

W6:稀釋空氣流量，kg/s

W7:燃料氣流量，kg/s

W8:助燃空氣流量，kg/s

W9:磨煤機(jī)密封空氣流量，kg/s

W10:助溶劑流量，kg/s

W11:反吹氮?dú)饬髁浚琸g/s

W12:熱惰性氣氣流量，kg/s

WH2O7: 燃料燃燒所產(chǎn)生的水分，kg/s

Qc:燃料的燃燒熱，MW

Qr:干燥水分的汽化熱，MW

Q3:放空氣帶走熱量，MW

Q2:成品煤粉帶走的熱量，MW

QL:熱量損失，MW

qH2O: 水的汽化熱，MJ/kg

T1:磨煤機(jī)出口溫度，℃

T0:環(huán)境溫度，℃

NO8:過(guò)量助燃空氣中氧氣流量，kmol/s

NO6:稀釋空氣中氧氣流量，kmol/s

NO9:磨煤機(jī)密封空氣中氧氣流量，kmol/s

VO2:氧氣的體積百分含量，%

VH2O: 水分的體積百分含量，%

MH2O: 水的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

M3:放空氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

r:風(fēng)煤比，kg 出口風(fēng)量/ kg 出口煤量

Cp2:成品煤粉的比熱容，MJ/ (kg·℃)

Cp3:放空氣的比熱容，MJ/ (kg·℃)