干粉煤气化粉煤制备Aspen辅助设计介绍

胡文佳，吴红亮，杜晓丹

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

近十几年来，我国煤气化技术取得了长足的发展，以水煤浆及粉煤气化为代表的气流床气化技术，具有单炉生产规模大、三废排放少等特点，被广泛应用于大型煤化工项目中。然而，随着近十年煤化工的高速发展，烟煤、无烟煤等优质不可再生能源已被大量利用，低质煤(如褐煤)、高灰含量煤、高灰熔点煤等由于受到成浆性、灰含量、灰熔点等条件的限制，不宜采用水煤浆气化技术，而干煤粉加压气化技术几乎不受煤种的限制，因而近年来得到广泛应用。

对于干粉煤加压气化技术，粉煤制备是整个工艺系统中不可或缺的部分，该工段设计的好坏，对于整个干煤粉加压气化工艺至关重要。

1 干粉煤气化粉煤制备流程及其特点

干粉煤气化由于其进气化炉原料煤采用高压密相输送，原料煤必须经过粉煤制备过程将原料煤粒度和水含量控制在适当范围，以保证粉煤输送过程的稳定性。一般而言，对于烟煤，入炉粉煤含水量控制在2%左右；对于褐煤，由于其较高的活性，入炉粉煤含水量控制在8%左右，粉煤主体粒度在20～100μm之间。

将原料煤制备成满足粉煤输送的典型流程见图1。原煤仓的碎煤经煤称重给料机进入磨煤机制粉，原煤的磨细和干燥在磨煤机中同时进行，磨煤系统的循环惰性气是从循环风机出口进入热风炉，并与热风炉燃烧产生的高温气体混合，形成合格的惰性干燥气体。惰性干燥气进入磨煤机后，把一定细度的煤粉带到位于磨煤机上部的分离器进行分离。不符合要求的粗煤粉落回到磨盘上，被再次碾磨。细度合格的煤粉随干燥气经输送管进入袋收粉器进行气固分离，分离出的粉煤进入袋式除尘器下部的灰斗后送入气化工段。

经粉煤袋式收粉器分离后的惰性气体通过循环风机加压后部分放空，以排掉粉煤干燥过程中产生的水分，剩余惰性循环气经稀释风机补入氮气/空气，调节水蒸气含量后，再次循环进入热风炉，从而形成磨煤干燥循环系统。

图1 典型的粉煤制备工艺流程

粉煤制备由于每种项目原料煤性质的不同，特别是含水量及煤的活性不同，造成粉煤制备过程中水分的干燥量及粉煤产品含水量要求均不相同。此外，由于原料煤活性不同，对于进磨煤机高温惰性气体中氧含量的要求也不同。一般而言，为防止磨煤机中煤粉的爆燃，烟煤由于其活性较低，考虑将进磨煤机高温惰性气中氧含量控制在8%以内；而对于褐煤，由于其较高的活性，氧含量需要控制在5%以内。因此，对于惰性循环气体放空后的稀释气体，也需要根据原料煤的特点选择氮气或者空气，抑或补入部分氮气、空气，以满足高温惰性气体的氧含量要求。

对于任何一个煤化工项目，由于其原料煤性质均不相同，而粉煤制备过程中设备的选型、公用工程消耗等均和煤质相关，也就是说，在项目前期，如可行性研究、总体设计阶段，在没有工艺包的前期下，需要提出初步设计条件，粉煤制备工段的消耗需要根据煤质进行模拟计算，才能提出相对合理的条件，由于以往项目资料煤质数差别较大，参考意义不是很大。

另外，根据图1中典型的粉煤制备工艺流程可以看出，粉煤制备工段除原料煤仓等少数非标设备外，几乎全部为定型设备。在定型设备询价过程中，必须提出准确的进出口条件，才能保证厂家的定型设备选型准确。然而由于一些专利商的工程经验不足，对粉煤制备工段设计的准确性较差，也需要工程设计人员在实际运行工程数据的基础上，建立合适的模型，一方面对专利商提供的数据进行校核，另一方面确保在定型设备询价过程中输入条件的准确性。

2 粉煤制备Aspen模型流程的建立

2.1 模型组分和物性的定义

用Aspen软件模拟计算时，一般将所涉及的组分分为三类物质：常规物质、常规惰性固体和非常规物质。由于煤的物性和组成千差万别，属于非常规物质，在模拟计算过程中需要选择合适的物性模型使其与本身物料性质相匹配。

Aspen采用HCOALGEN模型，根据煤的煤质组成来计算煤的焓值，采用DCOALIGT来计算煤的密度。定义煤的组分和性质见图2和图3。

图2 Aspen设置非常规组分煤(WETCOAL)

图3 Aspen非常规组分煤的模型参数设置

对于非常规组分性质设置，HCOALGEN中Option codes均设置为1，此外还需输入PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL三个参数，三个参数分别为煤的工业分析、元素分析及硫含量组成，在输入物流过程中需要进行规定。

在定义模型流股类型中，由于存在粉煤流股，需要将流股类型选择为MIXNCPSD。此外，由于粉煤制备流程操作压力在近常压(-6～7kPa(g))，因此流程模拟中大气压的设置尤为重要，务必将大气压设定为项目建设地点的大气压，否则模拟结果将会产生很大的偏差。具体设置见图4。

图4 Aspen流程模拟总体设置

2.2 模拟流程操作模块的选择

对于磨煤机而言，煤的碾磨与干燥是同时进行的，然而Aspen是一种用来模拟物料和热量平衡的软件，粒度的变化在此不考虑，仅考虑煤的干燥过程，采用RStoic反应器模块进行模拟。

对于热风炉而言，由于热风炉所燃烧的燃料气组成已知，采用微过量空气完全燃烧产生热量加热循环惰性气，也采用RStoic反应器模块进行模拟。

循环风机、助燃风机、密封风机及稀释风机均采用Compr模块，袋式收粉器采用Flash2模块。

2.3 粉煤制备流程模拟计算基础及原理

Aspen默认所有的非常规物质分子量为1，对于煤的干燥过程，相当于煤的一部分转化成了水。由于煤的分子量为1，水的分子量为18，因此磨煤机RStoic反应器反应方程如下：

WETCOAL→0.0555084H2O

在煤的干燥过程中，煤的含水量将会发生变化，由于煤质数据PROXANAL、ULTANAL及SULFANAL等三个参数除水含量外，均为干基组成，因此煤干燥前后仅需将工业分析PROXANAL中水含量组成进行修改。

2.4 粉煤制备流程模拟及控制方案

基于2.2Aspen模块的选择及2.3中的计算基础，粉煤制备Aspen模拟流程见图5，为模拟工艺过程中系统的热量损失，设置B6及B7换热器。

图5 粉煤制备工艺Aspen模拟流程

在模拟过程中，设置一些工艺控制回路，主要包含：①稀释N2(或者空气)流量DIL-N2控制磨煤机COALMILL出口惰性气体的水含量；②助燃风机空气流量RAC-AIR控制热风炉B8燃烧时氧气过量系数；③磨煤机出口流股MIX温度控制热风炉燃料气FG流量，保证高于其露点温度约20℃；④控制循环气放空量使循环气流量与原料煤量成正例。

此外，在磨煤机运行过程中，分别需要密封氮气SEAL-N2及密封空气SEAL-AIR，模拟过程中输入的量为进入磨煤机的量，并非密封风机及密封氮气的真实流量。

3 模拟计算结果分析

为了验证粉煤制备模拟的可靠性，以某项目中采用的煤质为依据，将模拟计算结果与某实际运行项目数据文件做比较，来验证模拟计算的准确性。项目煤质为榆家梁矿，煤质数据见表1。

由上表可以看出，此煤质为典型的烟煤，对于粉煤气化而言，粉煤制备过程中将烟煤干燥到水分约占2%。此外，对于放空惰性气中水含量的控制，过低时会造成较多的热量损失，过高时放空过程中若环境温度过低，会出现“冻雨”的现象，一般控制在32%以内。

设置原煤处理量为92.253t/h(项目运行参数一致)，主要工艺参数模拟结果与项目运行结果对比见表2。

表2 模拟计算结果与某实际运行项目对比

由上表可以看出，Aspen模拟计算的粉煤制备工艺计算结果和项目实际运行数据基本一致。由于热损失裕量考虑不同，热风炉热负荷结果稍有偏差。循环惰性气体流量模拟计算值在考虑设计裕量后，也和项目实际运行的数值相符合。

综上所述，建立的Aspen模拟流程能够准确地模拟粉煤制备过程中各项工艺参数，具有指导工程设计的意义。

4 粉煤制备过程中的常见问题及解决方案

4.1 磨煤机震动

磨煤机磨盘上煤量过多或过少，都会导致磨煤机磨盘上煤层不均匀，应通过调节给煤量或循环风量的参数，使磨盘上煤层厚度趋向均一。此问题通常出现在开车或者磨煤机负荷调整过程中。

4.2 粉煤在磨煤机中闪爆

当磨煤循环气系统中氧气含量控制失效后，高温循环气在磨煤机中遇到细颗粒煤粉会导致煤粉在磨机中闪爆，进而导致安全事故。

此种工况应对磨煤系统的密闭性进行检查，排查是否存在较大的泄漏点，使敞开系统中的空气进入到了磨煤系统中。同时，在磨煤机入口处设置氧含量检测，当氧含量超过限定值后，磨煤系统应进行紧急停车。

4.3 磨煤机出口温度波动大

给煤机负荷变化过大、原料煤水质变化较大，热风炉燃料波动等均会影响磨煤机出口的温度。给煤量变化的调整应与热风炉温度控制同步，避免调整幅度过大。此外，磨煤系统存在泄漏点也会导致以上问题，若出口温度波动较大，也应进行系统泄漏点消除。

4.4 磨煤系统压力异常

磨煤系统压力异常的主要原因有磨煤机分离器堵塞、放空调节阀故障、循环风机故障等。在设计过程中设置磨煤机进出口压差检测，及时检测磨煤机出入口的压差，设置磨机出口压力控制循环气放空量，控制磨煤机系统压力平衡。

5 结语

本文针对粉煤制备工艺的特点，建立了粉煤制备的Aspen全流程模拟，通过与实际运行项目数据的对比，验证了流程模拟的准确性。此外，分析了粉煤制备过程中的常见问题，并给出相应解决方案。

随着化工设计行业的发展，全流程模拟在工程设计中的作用也越来越重要，尤其对于新型工艺技术而言，通过流程模拟能够帮助设计人员尽快掌握工艺技术难点，熟悉工艺流程，保证工程设计的顺利进行。