干煤粉氣化密相輸送的工業應用

夏支文，楊 英，陳 丹

（神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司， 寧夏 銀川 750411）

目前，粉煤氣化在潔凈煤領域正在起著日益重要的作用，而粉煤的密相氣力輸送是粉煤氣化中關鍵技術之一[1,2]。盡管粉體密相輸送的研究成果報道較多[3-7]但工業應用情況的介紹較少，本文根據神華寧煤烯烴項目氣化裝置密相輸送系統運行情況，對煤粉的密相輸送影響條件進行探討。

1 工藝簡介

煤粉倉位于氣化裝置煤粉輸送系統的最高處，其4個隔室出口，分別對應4個鎖斗。當某個鎖斗泄壓后的壓力跟煤倉壓力一致時，煤粉倉的隔室將向該鎖斗進行卸料。從煤粉倉4個隔室下來的煤粉，分別進入相對應的鎖斗后，將進行加壓，以把煤粉倉下來的常壓煤粉，加壓到給料容器生產所要求的操作壓力（約4.35 MPa（g）,隨氣化爐負荷大小而相應升降）。這一過程，將通過每一條氣化生產線四個鎖斗的順控循環來進行，以實現給料容器向氣化爐連續輸送煤粉。鎖斗過來的泄壓氣體在加熱器由約110 ℃的熱水進行加熱，防止節流膨脹造成的低溫損壞設備。再通過泄壓過濾器進行除塵，并將鎖斗的壓力泄壓到常壓。4個鎖斗的煤粉，分別通過與給料容器相連的4根卸料管線，進入給料容器。通過跟氣化爐燃燒室之間的壓差控制，給料容器內呈流化狀態的煤粉，通過3根煤粉輸送管線密相輸送至氣化爐的組合燒嘴，進行氣化反應。3根煤粉輸送管線上布置有一系列的密度檢測、流量檢測、流量控制和安全聯鎖的儀表，確保氣化反應平穩控制和安全運行。在氣力輸送過程中的氣固兩相流受到兩相物性（如物料的密度、粘度、濕度等）、操作條件（如輸送量、流體速度、固體裝入量等）和過程環境（如過程設備的形狀、大小、相對位置及方位等）影響[8,9]。

在工業運行過程中我們?？疾斓挠绊懸蛩刂饕性诿悍哿椒植?、濕含量、系統壓差、輸送載氣以及工藝流程等。適宜的物性參數控制、優化的操作條件和合理的過程環境將能保證煤粉穩定連續的輸送。

2 干煤粉輸送的影響因素

2.1 粒徑分布

煤粉的粒徑大小、粒徑分布是影響其粉體力學特性、顆粒群聚集特性和料斗流型的重要因素。西門子在GSP氣化技術最初的設計中要求的煤粉粒徑分布如表1中優化前所示，實際運行過程，>200μ m粗顆粒較多時，易發生流化板堵塞；細顆粒過多時，易發生煤粉團聚。不管出現兩種情況中的哪一種，都制約煤粉的穩定輸送。通過長時間探索發現氣化用煤的粒徑分布如表1優化后時發生流化板堵塞和煤粉團聚的概率均要小得多,系統的穩定性也要好得多。

2.2 水含量

煤粉的含水量也是影響粉體力學特性、顆粒群聚集特性和料斗流型的重要因素。王川紅[10]在研究中發現，濕含量越大，粉煤的壓縮性和摩擦性越大，容易團聚，其流動性越差。謝曉旭等[8]也通過對三種煤粉的實驗研究指出隨著含水量的增加，煤粉的流動函數值不斷變小，其流動能力也逐漸變差。但有關粉煤密相氣力輸送技術中水含量的確定及其對密相輸送的影響研究卻鮮見公開報道，不同技術專利商提出水含量指標也不同且較籠統。GSP煤粉輸送設計要求水含量≤2%wt，實際運行中由于使用的原煤水含量較高，煤粉制備單元控制水含量通常在5%wt左右。因此系統運行超過設計指標，但從運行狀況來看，5%wt的水含量在密相輸送過程偶爾出現堵塞和下料不暢的狀況，基本滿足工藝操作要求。

表1 GSP氣化供煤粒徑分布Table 1 GSP gasification pulverized coal distribution

2.3 輸送壓差

輸送壓差是密相輸送的動力，壓差越大輸送量就越大。GSP氣化技術通過控制給料容器和氣化爐的壓差來調整氣化爐負荷，即氣化爐進煤量。但實際運行中影響氣化爐壓力的因素比較復雜，如氣化爐負荷、氧煤比、變換系統、黑水系統等諸多因素都會引起壓力波動，使氣化爐與給料容器的壓差波動，導致氣化爐負荷不穩；同時，給料容器與氣化爐壓差受鎖斗間歇進料的擾動，控制壓差系統的閥門始終處于動作之中，這樣壓差不僅不穩定，而且增加了閥門故障的概率，影響系統穩定運行。因此用壓差控制煤粉輸送量既受到系統的穩定性影響，又嚴重影響系統穩定性，導致氣化爐頻繁跳車。

為保證煤粉輸送的穩定性和可調節性，通過調整優化將煤粉輸送由壓差控制改為閥門控制，增加流量控制閥、煤粉循環管線以及提高給料容器與氣化爐的壓差。在保證煤粉輸送動力的條件下，通過閥門開度調節控制煤粉輸送量，提高了輸送穩定性。

2.4 工藝流程[11]

從上面的分析可以知道，壓差控制不能滿足工藝控制的要求，所以對GSP氣化工藝進行調整優化（圖1）。

（1）增加控制閥

在煤粉輸送管線上增設流量控制閥，同時設置吹掃氣體，防止閥門被煤粉堵塞。當氣化爐主燒嘴投料時，控制給料容器和氣化爐間壓差恒定，調節流量調節閥來控制輸送煤粉量。

（2）增設煤粉循環管線

在給料容器與氣化燒嘴的管線上設置三通閥，通過三通閥建立煤粉循環管線。通過調整優化密相輸送系統，開車時先對給料容器充壓，再注入氣體建立背壓來模擬氣化爐壓力，提前建立煤粉循環，穩定煤粉輸送系統。

圖1 優化后的密相輸送系統工藝流程Fig.1 Optimized dense phase conveying flowchart

通過加設流量控制閥和煤粉循環管線，優化了煤粉輸送系統，提高了煤粉密相輸送單元穩定性，使煤量控制精確。

2.5 輸送載氣

GSP氣化技術密相輸送單元采用兩種氣體作為密相輸送載氣，分別是N2和CO2。實際工業應用過程中，N2與CO2相比為載氣時，前者輸送穩定性好于后者，且煤粉架橋幾率較低。這可能是由于 CO2體積膨脹時，大量吸熱使局部溫度降低出現少量液態水造成煤粉流化性降低。為確保CO2輸送載氣的流動性，在載氣界區入口增設換熱器，通過換熱防止 CO2進入界區發生截流膨脹的現象。提高了 CO2為載氣的系統穩定性。

3 結束語

目前，國內規劃中的煤氣化工業中有相當部分采用了干煤粉氣化，但相對水煤漿氣化，干煤粉氣化運行經驗和技術研究畢竟還不是很充分，而且關注點多集中在水冷壁掛渣，并沒有切實意識到煤粉輸送在干煤粉氣化中的重要性，寧煤在這方面的經驗教訓相當深刻。但是寧煤通過優化粒度級配，控制水分，調整壓差，優化工藝流程等優化措施，減少了非計劃停車次數，提高了生產效益，為日益壯大的干煤粉氣化技術積累了寶貴的經驗。

［1］焦樹建. 論整體煤氣化聯合循環(IGCC)中采用的煤氣化爐的方案[J]. 燃氣輪機技術, 1994, 7 (1) : 6-20.

［2］ 徐 越, 吳一寧, 危師讓. 二段式干煤粉氣流床氣化技術的模擬研究與分析 [J]. 中國電機工程學報, 2003, 23 (10) : 187-190.

［3］Singer T. Dense-phase pneumatic conveying: Applications, system design, and troubleshooting [J]. Powder and Bulk Engineering, 2003, 17(3) : 27-33.

［4］Ostrowski k, Luke S P, Bennett M A, et al. Real time visualization and ananlysis of dense phase powder conveying [J]. Powder Technol, 1999,102 (1) : 1-13.

［5］ Solt Paul E. Comparing dilute- and dense-phase conveying [J]. Powder and Bulk Engineering, 2003, 17 (3) : 64-68.

［6］熊源泉，趙 兵，沈祥林. 高壓煤粉密相氣力輸送垂直管阻力特性研究 [J]. 中國電機工程學報，2004，24（9）：248-251.

［7］ 趙艷艷，陳 峰，龔 新，等. 粉煤濃相氣力輸送中的固氣比 [J]. 華東理工大學學報，2002, 28（3）：235-237.

［8］ 謝曉旭 .煤粉流動特性試驗研究[D]. 南京：東南大學，2007．

［9］ 郝曉琳.氣力輸送系統中粉料流動機理及實驗研究[D].青島：青島科技大學，2006.

［10］王川紅，郭曉磊，龔 新，等. 粒度、濕含量對神府煙煤煤粉流動性參數的影響 [J]. 華東理工大學學報，2008，3（34）: 377-382.

［11］神華集團有限責任公司 神華寧夏煤業集團有限責任公司.一種GSP氣化爐煤粉輸送管線及投料方法:中國，201110182670.6[P].2011-06-30.