原料氨裝置升級工程褐煤預干燥系統設計

張勇杰，高亭亭，劉 棟，劉子勛，尤清華，張祖棟

(1.北京電力設備總廠有限公司，北京 102401；2.河北省廊坊生態環境監測中心，河北 廊坊 065000 )

0 引言

我國是世界第一大煤炭生產國，煤炭年產量約40 億t，其中褐煤年產量約3 億t[1-2]。內蒙古自治區是我國的主要產煤地，在我國已探明的褐煤儲量中，以內蒙古東北部地區最多，約占全國褐煤保有儲量的75%[3]。褐煤具有含水量高、易燃易爆，難以運輸和儲存的缺點，制約了褐煤資源的利用[4-5]。對褐煤進行干燥脫水提質，可提高褐煤的能量密度，降低其運輸成本，減小下游設備規模。同時，由于某些后處理設備對下游原料水分有一定要求，而干燥脫水提質可進一步滿足此類設備入口處煤質參數需求。

某新建原料氨裝置廠址選在靠近褐煤產地的內蒙古某地級市，方便獲取氣化原料，該地區年平均最高氣溫25 ℃，夏季平均最高氣溫29.1 ℃，冬季平均最低氣溫-18.8 ℃，極端最低氣溫-32 ℃。附近原有另一原料氨制備工程(以下稱為“原工程”)，原工程原煤平均水分含量最高可達36%，后工序磨煤機最高可承受水分含量20%的入料。為保證其運行穩定，預干燥系統考核指標要求干煤含水量不超過15%。原工程采用滾筒式干燥機對褐煤進行預干燥提質處理，以高溫煙氣作為干燥介質，干燥效果不穩定，干燥后褐煤水分在20%以上，難以滿足磨煤機進料要求，達不到干煤考核指標。原工程運行期間曾發生爆炸現象，爆炸時干燥機內部氣壓驟然升高，煙氣返入熱風爐，致熱風爐被炸毀。且原預干燥系統未實現全自動控制，現場有操作人員穿行，原干燥系統煤粉泄露現象嚴重，易發生粉塵爆炸，嚴重威脅操作人員人身安全。新建原料氨裝置配煤條件與原工程相同，為避免再次出現上述問題，該新建原料氨裝置工程(以下稱為“升級工程”)重新設計了預干燥生產線。

1 問題分析

經現場考察后，發現原工程褐煤預干燥系統存在以下問題：

1)滾筒式干燥機采用高溫煙氣作為干燥介質，與蒸汽相比，沒有相變潛熱可利用，干燥時間長。同時該設備物料填充系數小、體積大、筒體長，褐煤在筒體內停留時間較長且干燥程度不均勻。

2)褐煤機械強度低，運輸與干燥過程中易破碎粉化，粉化的褐煤在滾筒內停留時間長，容易引發煤粉爆炸。除此之外，干煤輸送設備、除塵器等工作溫度較高或煤粉易積聚的設備同樣存在發生爆炸的風險。

3)滾筒式干燥機筒體在工作時是轉動的，而進、出料裝置是靜置的，若接口部位設置不合理，很難做到良好密封，容易發生煤粉泄漏。泄露到環境中的煤粉聚集堆積或濃度過高，也存在爆炸的風險。

2 升級方案

因升級工程其他生產線需用到低壓蒸汽，廠內有充足蒸汽源可利用，蒸汽源壓力0.6 MPa、蒸汽溫度180 ～200 ℃。因此升級工程采用安全性能和干燥效果更好的蒸汽管式干燥機預干燥系統，干燥機入口蒸汽壓力0.5 MPa、蒸汽溫度152 ℃。

2.1 系統工藝流程

蒸汽管式干燥機預干燥系統采用蒸汽作為干燥介質與褐煤進行間接換熱，以廉價易得的空氣作為載濕氣體，褐煤預干燥系統包括原煤輸送設備、干燥機、冷凝液回收裝置、干煤輸送設備、除塵設備等。預干燥系統工藝流程如圖1 所示。

圖1 蒸汽管式干燥機預干燥系統工藝流程圖

將原煤破碎后經篩分去掉雜物，送至緩存倉，經稱重給煤機計量，進入干燥機進行干燥。外界空氣作為載濕氣體，在引風機的作用下從干燥機進料端進入干燥管內，管中原煤水分受熱蒸發，由空氣攜帶進入布袋除塵器。

低壓蒸汽由管道進入干燥機與原煤換熱，蒸汽放熱冷凝后進入冷凝液罐，經冷凝液泵送入工藝凝結水管網。干燥機排出的濕氣體(煤中水蒸汽和空氣混合物)經除塵器過濾后通過引風機排放至大氣。

2.2 干燥機選型方案

2.2.1 煤質條件

項目現場原料煤由附近幾個煤礦配煤得到，各煤礦煤質參數見表1 所列，干燥機進口原煤水分在33%～36%之間，褐煤原料處理量65 t/h。

表1 現場配煤參數

2.2.2 干燥機熱平衡

熱平衡計算是確定干燥機換熱面積、進行干燥機選型的基礎，也是除塵器、引風機等輔助設備選型的重要依據。主要包括物料、空氣消耗量、干燥機換熱量的計算等，計算方法如下[6]。

1)物料計算

褐煤干燥后會殘存一部分水分，不會完全干燥到水分為0 的狀態。但在此過程中，絕對干褐煤(不含水分的褐煤)的量是不變的，通常以絕對干褐煤量作為計算基礎。

式中：Ms、M1、M2為絕對干褐煤、干燥前和干燥后的褐煤量，kg/s；w1、w2為干燥前和干燥后褐煤的含水率，%。

2)空氣消耗量

空氣作為載濕氣體，與待干燥物料相似，進出干燥機的絕對干空氣量不變。

式中：Ma為絕對干空氣消耗量，kg/s；x1為干燥機入口空氣濕度，即環境空氣濕度，kg(水)/kg( 干空氣)；x2為干燥機出口空氣濕度，kg(水)/kg(干空氣)。

干空氣消耗量與當地自然環境有關，也與干燥機進出口溫度有關，x1具體數值可查詢當地氣象數據得到。

3)換熱量

干燥過程換熱量確定后，便可進行換熱面積計算，確定干燥機外形尺寸。其換熱面積計算方法與普通換熱器相同，本文不再進行贅述，同時，水蒸汽消耗量也可由式(3)得出。內蒙古當地氣候寒冷，需注意，當外界環境溫度小于0℃時，煤攜帶的水有可能結冰，計算時應考慮冰相變時吸收的潛熱。

式中：Q為換熱量，kJ/s；h1、h2分別為干燥機進出口空氣焓值，kJ/kg；Mcd為絕對干褐煤的比熱容，由煤的灰分、揮發分占比及其比熱容共同決定，kJ/(kg· ℃)；tm1、tm2分別為干燥前后褐煤的溫度，℃；Mw為原煤中水分含量，kg/s；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；Qn為漏氣、散熱等熱損失，kJ/s；Mg為水蒸汽消耗量，kg/s；hw1、hw2分別為干燥機進出口水蒸氣焓值，kJ/kg。

2.2.3 干燥機選型結果

干燥機熱平衡計算結果見表2 所列。

表2 熱平衡計算結果

干燥主機選用ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機，干燥機筒體直徑5 m，長度8 m，干燥管總換熱面積4 200 m2。機體內置多列干燥管，每根干燥管內布置螺旋片，煤在干燥管內流動，蒸汽在干燥管外與原煤進行間接熱交換。

2.3 預干燥系統設備密封設計

除干燥機本體外，各類輸送設備、除塵器等有煤粉存在的設備也容易發生泄露。通過合理的干燥機本體密封結構設計及輔助設備選擇，可保證從原煤倉到干煤輸送設備的整條生產線處于密封狀態，避免煤粉泄露，提高工藝系統安全性能。

2.3.1 干燥機本體密封

ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機中心軸在制造廠整體加工兩端軸頸，保證了兩端軸頸的同軸度。有利于降低機體上出料斗密封圓環相對轉動基準的徑向跳動值，提升出料斗的密封性能。

此外，該干燥機采用新型全密封進料裝置如圖2 所示，共分三步進料：來自給煤機的物料先進入圓形的落料調節裝置；再到有布料錐結構的擴散器進一步擴散均勻；最后到布料器進一步均勻分布到干燥機端面的換熱管。配合設計合理的輔助進料裝置、上擋煤板組件、下擋煤板組件、進料擋板組件、組合迷宮環等結構，可實現端部無泄漏進料。

2.3.2 干燥機內環境負壓控制

干燥機內保持負壓環境有利于減少干燥機進、出料端的粉塵泄露現象，同時有利于干燥機出汽管道排氣量和干燥管內褐煤水分蒸發量保持平衡，加速干燥管內水分排出。干燥機負壓控制回路由引風機變頻器和除塵器載氣入口管道上的壓力變送器、分散控制系統(distributed control system，DCS)控制器進行控制，通過靈活調節濕氣體管路流量，達到控制干燥機內負壓的目的。

2.3.3 輔助設備選型要求

原煤輸送裝置采用電子稱重給煤機代替皮帶輸送機，比普通皮帶輸送機增加了全封閉耐壓式圓筒形殼體，干煤輸送系統螺旋輸送機和埋刮板輸送機均為全密封機構，能有效防止煤粉泄露。同時，稱重設備選用電子皮帶秤，抗干擾強，能適應周圍粉塵及強電磁場的環境。

2.4 控制系統方案

通過分析褐煤爆炸原因、干燥過程中的物料流向和溫度分布情況可知，除對干燥機本體進行保護控制外，還需對干燥機后煤粉濃度或干煤溫度較高的布袋除塵器、干煤輸送設備等進行重點監測和保護。可采取控制除塵器出口氧含量、CO 濃度、煤粉及干煤溫度等措施，并設置相應連鎖邏輯，保證褐煤干燥系統安全穩定運行。褐煤干燥系統中的報警聯鎖主要包括除塵器出口氧含量控制聯鎖、CO 濃度控制聯鎖、干煤溫度控制聯鎖、干燥機啟停時氧含量控制聯鎖等。

2.4.1 除塵器出口氧含量控制

安裝在布袋除塵器出口的氧含量分析儀、DCS 控制器、除塵器消防氮氣閥、消防蒸汽閥等共同組成了褐煤干燥系統氧含量控制回路如圖3 所示。氧含量控制回路通過氧含量分析儀檢測氧氣含量，當氧含量超過12%時，由DCS控制器發出氧含量上限報警，并迅速打開除塵器消防氮氣閥，向布袋除塵器內通入氮氣，啟動氮氣保護系統，達到降低除塵器中的氧含量的目的。當氧含量上限報警后，若氮氣量不足或氮氣保護系統未正確啟動導致未能有效降低氧含量，氧含量繼續上升至超14%時，啟動消防蒸汽閥。

圖3 除塵器氧含量控制回路

2.4.2 CO含量控制

布袋除塵器倉內CO 含量升高時，煤粉自燃的危險程度也隨之升高。將CO 含量控制在一定范圍內，也是在控制煤粉著火燃燒的趨勢，褐煤干燥系統CO 含量控制回路由安裝在布袋除塵器出口的CO 分析儀、DCS 控制器、除塵器消防氮氣閥組成如圖4 所示。

圖4 除塵器CO含量控制回路

CO 含量控制回路通過CO 分析儀檢測含量，當CO 含量超過150 ppm 時，DCS 控制器發出CO 含量上限報警，并迅速打開除塵器消防氮氣閥，向除塵器中通入氮氣。

2.4.3 系統啟停時的氧含量控制

在干燥系統停車或重新啟動時干燥機中煤蒸發的水分較少，濕氣體中氧含量占比大，容易超標引發生自燃現象，此時應向除塵器內通入氮氣將氧含量控制在8%以內。此外，干燥系統在停車時系統內溫度仍較高，除塵器內殘留的煤粉也有自燃爆炸的風險，此時需關閉干燥機出口至除塵器進口載氣管路上的氣動插板門以及除塵器后引風機電動風門，并向除塵器中通入氮氣，使除塵器中氧含量持續低于8%，直至除塵器內溫度降至50 ℃以下。干燥機啟停時除塵器氧含量控制回路如圖5 所示。

圖5 干燥機啟停時除塵器氧含量控制回路

2.4.4 出料溫度控制

當熱電阻檢測到干煤溫度超過90 ℃時，打開干煤輸送系統消防氮氣閥向干煤輸送系統內通入氮氣。當干燥尾氣或除塵器灰斗溫度過高(大于90 ℃)時，也需向布袋除塵器中通入氮氣，確保系統安全。此外，還需對除塵器箱體、灰斗等部位設置蒸汽伴熱和保溫，控制載氣溫度使其高于載氣露點溫度，以適應項目現場冬季嚴寒環境，防止除塵器內部結露造成煤粉板結。

3 應用效果

原工程滾筒式干燥機長度近20 m，升級工程蒸汽管式干燥機筒體長度僅8 m，褐煤在干燥機內停留時間更短，減少了爆炸風險和設備占地面積。

升級工程預干燥系統中蒸汽管式干燥機等設備均設置了就地/遠程操作控制箱，現場無需工人值守操作。對原料褐煤進行預干燥提質后，干煤水分在15%以下，現場設備自2023 年6 月至今運行穩定，未發生粉塵泄露或爆炸現象。

4 結語

升級程褐煤預干燥系統采用ZGG5×8(A)型蒸汽管式干燥機進行原料煤預干燥提質，重點針對原工程中滾筒式干燥機預干燥系統中存在的干燥效果差、煤粉爆炸及粉塵泄露等問題進行了系統設計。升級后的預干燥系統干燥機筒體長度由近20 m降低至8 m，減少了爆炸風險和設備占地面積，干煤水分由原來的20%以上降至15%以下。干燥機通過全密封進料裝置及負壓控制的方式，減少煤粉泄漏，由控制室重點對除塵器內含氧量、CO 濃度和干燥后的煤粉溫度進行遠程自動控制，保證系統處于安全運行范圍內。現場設備至今運行穩定，未發生粉塵泄露或爆炸現象。