殼牌粉煤氣化工藝磨煤與干燥系統(tǒng)(CMD)的分析建模及應(yīng)用

葛秀文 辛呈欽 惠生工程(中國)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，對于整個氣化工藝非常重要，直接影響整個氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

殼牌煤氣化CMD 系統(tǒng)與現(xiàn)行的電廠制粉系統(tǒng)存在一定的相似點，但也有其獨有的特點，二者主要區(qū)別:①現(xiàn)行的電廠大都采用直吹式制粉系統(tǒng)，即干燥熱風(fēng)隨煤粉一起進入鍋爐系統(tǒng)，兩者不需要分離，因此不存在熱風(fēng)循環(huán)的問題，而殼牌CMD 系統(tǒng)則需要采用袋式過濾器對煤粉和干燥熱風(fēng)進行分離，煤粉進入粉煤加壓與進料系統(tǒng)(1200 單元)的粉煤倉，熱風(fēng)大部分循環(huán)回系統(tǒng)，少部分放空以實現(xiàn)系統(tǒng)的平衡;②干燥熱風(fēng)的熱源不同，現(xiàn)行的電廠制粉系統(tǒng)的熱風(fēng)的熱源普遍來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，且燃燒乏氣直接進干燥系統(tǒng)作為干燥介質(zhì)。

正是由于存在上述兩點差異，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算方面都比電廠制粉系統(tǒng)要復(fù)雜得多。

1 殼牌煤氣化CMD 系統(tǒng)的介紹

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

CMD 系統(tǒng)的主要設(shè)備:磨煤機、熱風(fēng)爐、循環(huán)風(fēng)機、煤粉過濾器等;主要控制回路:石灰石粉量控制系統(tǒng)、粉煤的細度控制系統(tǒng)、磨煤機出口溫度控制系統(tǒng)、惰性氣體流量控制系統(tǒng)、磨煤機出口壓力控制系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)露點控制系統(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CMD 系統(tǒng)的影響

2.1 水分

CMD 系統(tǒng)通過高溫干燥去除原料煤中的外水和部分內(nèi)水，使煤粉的含水量達到氣力輸送的要求。原料煤的水分影響磨煤機的干燥出力，同時也是CMD 系統(tǒng)能耗的決定性因素，高水分含量既會增加系統(tǒng)的干燥負荷，也會增加循環(huán)系統(tǒng)放空負荷，從而導(dǎo)致稀釋氮氣和稀釋空氣的用量增加。

2.2 可磨性

可磨性是指煤磨碎成粉的難易程度，見表1。

表1 煤的可磨性分級(GB/T 7562 -1998)

煤的可磨性主要影響磨煤機的碾磨出力，對磨煤機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CMD 系統(tǒng)不利，可磨性太難會增加磨煤機的功耗和機械損耗;而部分太易磨碎的煤粉顆粒會在磨制過程中被擠壓成片狀顆粒，對后續(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)，它直接決定整個循環(huán)系統(tǒng)氧氣含量，爆炸性越強，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)計算

3.1 風(fēng)煤比

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

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

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

3.2 磨煤機出口溫度

磨煤機出口溫度通過調(diào)節(jié)進入熱風(fēng)爐的燃料量來控制，最終保證磨煤機出口溫度在設(shè)定的范圍。磨煤機的出口溫度影響著CMD 系統(tǒng)的熱平衡，主要計算過程如下:

CMD 系統(tǒng)熱平衡計算公式:

干燥水分所需要的汽化熱量Qr 的計算公式:

放空氣所帶走的熱量Q3計算公式:

成品煤粉所帶走的熱量Q2計算公式:

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

通過聯(lián)立上式解方程組，便可求取磨煤機的出口溫度T1。

3.3 惰性氣中氧含量

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

正常操作時，CMD 系統(tǒng)的O2輸入主要來自于稀釋空氣、磨煤機密封空氣和過量助燃空氣中的O2，而O2的輸出則主要通過放空來實現(xiàn)。

整個系統(tǒng)中的O2平衡:

過量助燃空氣中O2+稀釋空氣中O2+磨煤機密封空氣中O2=放空氣中O2

系統(tǒng)中O2含量的計算公式:

3.4 循環(huán)風(fēng)露點

循環(huán)風(fēng)的露點主要取決于其組成中的水分含量，水分含量越高，露點越高。循環(huán)風(fēng)的露點主要通過加入新鮮空氣來進行調(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，從而可以達到降低露點的目的。

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

整個系統(tǒng)的H2O 平衡:

系統(tǒng)中水分含量的計算公式:

4 CMD 系統(tǒng)的建模計算與應(yīng)用

基于以上分析可知，殼牌CMD 系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，特別是在系統(tǒng)的物料和熱平衡計算方面，由于存在熱風(fēng)循環(huán)回路，在計算過程中需要采用一定的切割方法將循環(huán)物流進行切割，然后假設(shè)一定的輸入?yún)?shù)從切割點開始采用試差法進行迭代計算，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)過程的計算，使得整個CMD 系統(tǒng)的計算比較繁瑣，因此，需要考慮通過軟件建立計算模型來解決。

4.1 物料與熱量平衡計算模型

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

基于以上分析，采用反應(yīng)器模塊來模擬熱風(fēng)爐，其他的設(shè)備分別采用Pro/II 軟件里相對應(yīng)的模塊來模擬，具體的模型界面見圖1。采用一個換熱器模塊對系統(tǒng)的熱損失進行模擬，換熱器的熱負荷需要進行計算，由專門編制的計算程序完成;采用五個控制器分別對風(fēng)煤比、磨煤機出口溫度、惰性氣中O2含量、惰性氣的露點和燃料氣與助燃空氣的比例等參數(shù)進行控制設(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)的計算結(jié)果。

圖1 CMD 系統(tǒng)物料與熱平衡計算模型界面

4.2 計算模型的應(yīng)用

應(yīng)用上述物料平衡的計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，目前該裝置已經(jīng)進入了工業(yè)化示范運行階段，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)的對比情況詳見表4。

表4 計算結(jié)果對比表

通過表4 可知，現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)比較吻合，都在合理的誤差范圍內(nèi)。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，系統(tǒng)熱負荷、氮氣消耗和放空氣量略微偏高，分析主要原因:系統(tǒng)熱負荷的差異主要由于現(xiàn)場的實際保溫伴熱情況與模型的假設(shè)熱損失有一定出入;放空氣量和氮氣消耗量偏大主要是因為系統(tǒng)在微負壓下運行，磨煤機及煤粉過濾器的漏風(fēng)系數(shù)與設(shè)計值存在一定的偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)漏入的空氣量大于設(shè)計值，進而導(dǎo)致放空量和氮氣消耗量的增加(稀釋過量空氣中所攜帶的氧氣)。

5 結(jié)語

殼牌CMD 系統(tǒng)比現(xiàn)行的電廠制粉系統(tǒng)更加復(fù)雜，增加了控制和計算的復(fù)雜性，通過采用Pro/II軟件建立的計算模型具有很好的計算準(zhǔn)確性，與現(xiàn)場運行數(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)的物料和熱平衡計算。

另外，由于氣流床粉煤氣化工藝對原料煤粉的要求幾乎相同，使得它們的磨煤和干燥系統(tǒng)也比較類似，因此，在對個別參數(shù)進行微調(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)的計算，具有一定的通用性。

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

2 DL/T 5145 -2002，火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)定［S］. 中國電力出版社，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 說 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:稀釋氮氣流量，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:磨煤機密封空氣流量，kg/s

W10:助溶劑流量，kg/s

W11:反吹氮氣流量，kg/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:磨煤機出口溫度，℃

T0:環(huán)境溫度，℃

NO8:過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·℃)