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浅析 GSP 气化工艺煤粉输送系统稳定性操作及其对气化过程的影响

文档作者：杨会军，陈杰文档来源：神华宁夏煤业集团煤化工烯烃公司		点击数：	更新时间： 2025年05月14日
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２０１５ 年 １２ 月 化 肥 工 业 ５１　 作者简介：杨会军（１９８７—） ，男，硕士研究生，研究方向为气流床气化技术；ｎｔｅｒｎｅｔ２００７＠１２６．ｃｏｍ。浅析 ＧＳＰ 气化工艺煤粉输送系统稳定性操作及其对气化过程的影响杨会军，陈 杰（神华宁夏煤业集团煤化工烯烃公司 宁夏银川　７５０４１０）摘 要 煤粉输送系统对气流床气化炉的稳定运行至关重要，从载气流量、给料容器的流化气量、系统压差以及煤粉的性质等角度分析了影响煤粉输送系统稳定性的因素，同时对煤粉输送系统的参数进行了优化。 从气化炉内煤粉与气化剂的混合过程、煤粉在气化炉内的停留时间的角度讨论了煤粉输送系统的稳定性对气化效果的影响。关键词 粉煤气化 煤粉输送 气化效果　　中图分类号：ＴＱ５４　　　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：１００６-７７７９（２０１５）０６-００５１-０４Brief Analysis of Stable Operation of Pulverized Coal Conveying System forGSP Gasification Process and its Influence on Gasification ProcessＹａｎｇ Ｈｕｉｊｕｎ， Ｃｈｅｎ Ｊｉｅ（Ｃｏａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｏｌｅｆｉｎ Ｃｏ．ｏｆ Ｓｈｅｎｈｕａ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｙｉｎｃｈｕａｎ　７５０４１０）Abstract Ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｒｕｃｉａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ-ｆｌｏｗｇａｓｉｆｉｅｒ， ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ ｏｆ ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ， ｆｌｕｉｄｉｚｉｎｇ ｇａｓ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ， ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ， ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｇｅｎｔ ｉｎｇａｓｉｆｉｅｒ， ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｉｎ ｇａｓｉｆｉｅｒ．Keywords ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ　　ＧＳＰ 煤粉输送系统的主要设备包括煤仓、煤仓过滤器、４ 只锁斗、减压过滤器、煤粉气力输送仓、给料容器和送组合烧嘴的 ３ 根煤粉输送管线，其主要的工艺目的是通过 ４ 只锁斗的顺控循环，把煤仓内常压煤粉升压至给料容器的操作压力，并通过 ３ 根煤粉输送管线将煤粉送至气化炉的组合烧嘴，同时根据工艺需要调整煤粉的流量。 在实际运行过程中，煤粉输送系统存在稳定性较差、３ 根煤粉输送管线之间的偏差频繁波动、锁斗下料不畅、载气需求量大等问题，同时也影响了气化过程的混合、反应、热损、有效气组成等。 因此，煤粉输送过程中煤粉的密度、流速、稳定性对气化反应过程的影响至关重要。１　 煤粉输送过程稳定性操作分析１．１　 煤粉性质对输送过程的影响煤粉中的水分含量、灰分以及煤粉颗粒的粒径分布范围是影响煤粉流动性的重要参数［１］，尤其是水分对煤粉摩擦特性、流动性、压缩性、分散性起着重要的作用。 Ｃｏｅｌｈｏ 和 Ｈａｒｎｂｙ［２］ 指出，当煤粉中水分含量较高时，煤粉颗粒之间自由水主要以黏附液和毛细管上升液等方式存在，水分子５２　 化 肥 工 业 第 ４２ 卷 第 ６ 期 表面张力的收缩会引起煤粉颗粒之间的牵引力，形成液桥，造成煤粉颗粒的团聚，出现结块的现象，进而引起煤粉与煤粉之间、煤粉与载气之间、煤粉与输送管内壁之间的摩擦系数和黏度的增大。 煤粉中水分含量越高，颗粒之间的液桥作用就越强［３］，致使颗粒间的附着力增大，从而更容易形成二次甚至三次粒子等，致使煤粉输送管线阻力和单位长度压力损失增加。通过长时间的生产运行观察，当煤粉含水分质量分数 ＞５％时，出现锁斗下料不畅、给料容器架桥等现象。 综合对比其他同类装置，为了利于煤粉的稳定输送，煤粉含水质量分数均要求控制在 ２％以下。 目前，经过调整，在保证煤粉正常输送的前提下，尽可能降低煤粉含水量（控制在质量分数 ４％左右）。 由于装置设计能力是按含水质量分数 ６％设计的，因热风炉热负荷、材质、循环风量等条件受限，将煤粉含水质量分数控制在２％以下较困难，只能控制在 ５％以下。煤粉中水分含量在宏观上的表现主要有：①当煤粉中水分含量较高或在冬季及阴雨天时，极易延长原煤仓向锁斗进料的时间、锁斗下料不畅、单个锁斗在下料过程中需要不断处理等情况，同时锁斗与给料容器的平衡管线容易堵塞；②煤粉管线角阀开度出现波动，３ 根煤粉输送管线之间的偏差频繁波动。１．２　 载气流量与煤粉质量流量的关系煤粉质量流量随载气流量的增加而增大，在给料容器流化气量和输送气量一定的条件下，煤粉输送管线载气主要来自于给料容器连接锁斗的下路升压气、锁斗疏松气以及来自给料容器自身的升压气。 载气流量与煤粉质量流量的关系见图 １。从图 １ 可看出：当单根煤粉输送管线的载气流量在 ２ ２００ ～２ ５００ ｍ３／ｈ（标态）时，煤粉输送管线的煤粉质量流量相对稳定；当载气的流量过大或较小时，会引起单根煤粉输送管线的煤粉质量流量发生变化，即引起气化炉负荷的波动。１．３　 输送系统压差对煤粉质量流量和速度的影响１．３．１　 输送管道压力损失的计算和分析煤粉输送系统的管道压力降是气力输送设计计算及实际操作的重要参数之一。 由于密相气力图 １　载气流量与煤粉质量流量的关系输送的固气比较高，运动状态比较复杂，流型之间相互叠加，故密相气力输送管道压力损失的研究也是个难点。 查阅文献发现，高速、低固气比的气力输送压降研究成果较多，而低速、高固气比气力输送压降研究相对较少，对于密相粉体输送的压降在工程应用上尚无统一的计算方法［４］。 然而对于煤粉密相气力输送，附加压降法是目前气力输送设计及操作中常用的管道压降计算方法。 经查阅文献［５］，所推导的附加压降公式 ΔPｓｆ ／ΔL ＝２fｓρｓ（１ －ε） uｓ２／D 及其附加摩擦系数公式 fｓ ＝０．０４６u －１ｓ 较适合煤粉高压密相输送过程。从以上公式可发现，煤粉输送管线单位长度上的压力损失是煤粉密度和速度的函数，而这２ 个参数是在设定的区间内随时变化的，因此，讨论单个点的压力损失没有实际意义，故选择在煤粉密度 ３００ ～５５０ ｋｇ／ｍ３、速度 ６．０ ～９．５ ｍ／ｓ 的区间内对压力损失的情况进行分析。给料容器与气化炉之间的压差是煤粉输送过程中的重要参数。 煤粉输送系统的压差不仅要克服输送过程中煤粉输送管线的压力损失，同时也是煤粉输送系统的动力来源，使其有足够的能量进入气化炉与高压氧气、次高压蒸汽进行混合并发生反应。 当输送系统的压差较小时，会出现煤粉输送系统的实际负荷较设计值偏低的情况；若输送系统的压差较大时，煤粉输送管线的角阀开度波动较大，煤粉的速度和密度也随之波动。 因此，控制好输送系统的压差对气化炉的稳定运行有着重要的作用。 控制给料容器与气化炉的压差在 ０．５６ ～０．８４ ＭＰａ、气化炉运行负荷在 ６８ ｔ／ｈ 左２０１５ 年 １２ 月 杨会军等：浅析 ＧＳＰ 气化工艺煤粉输送系统稳定性操作及其对气化过程的影响 ５３　 右，考察煤粉输送系统的压差与煤粉质量流量和速度变化规律，从中找出最优的压差范围。１．３．２　 输送系统压差与煤粉密度的关系输送系统压差与煤粉密度的关系见图 ２。图 ２　输送系统压差与煤粉密度的关系从图 ２ 可以看出，将输送系统压差控制在０．６５ ～０．７０ ＭＰａ 时，煤粉密度变化相对平缓，同时此区间对应的气化炉负荷为 ６８ ｔ／ｈ 左右。 因此，从煤粉输送系统稳定的角度考虑，应将输送过程的压差控制在 ０．６５ ～０．７０ ＭＰａ。１．３．３　 输送系统压差与煤粉速度的关系从气化过程的反应动力学角度考虑，较高的煤粉速度必然会使煤粉与氧气、蒸汽的混合更加均匀，气化炉内的流场分布更加合理；但较高的煤粉速度必然导致固气比下降，即需要较大的输送气量，此过程不利于节能降耗，同时也影响合成气的组成。 输送系统压差与煤粉速度的关系见图 ３。图 ３　输送系统压差与煤粉速度的关系　　从图 ３ 可以看出，将输送系统的压差控制在０．６５ ～０．７０ ＭＰａ 时，煤粉速度相对比较平稳，同时也利于节能降耗。１．４　 流化气量对煤粉密度及煤粉速度的影响给料容器底部的流化气量对煤粉输送系统的煤粉密度和速度的稳定性有着重要的作用，在系统运行过程中，可通过调节流化气的流量来稳定３ 根煤粉输送管线的煤粉密度和速度。 流化气量与煤粉密度和速度的关系见图 ４。图 ４　流化气量与煤粉密度和速度的关系从图 ４ 可看出，随着流化气量的增加，煤粉的密度下降，煤粉速度增大。 从煤粉输送系统的稳定性及经济效益的角度考虑，存在一个最优的流化气量范围，可将煤粉密度和速度控制在合适的区间内，此时煤粉输送系统稳定、固气比较高、流化气消耗量较低。 根据图 ４，该最优的实际工况下的流化气量范围在 １２０ ～１３０ ｍ３／ｈ。２　 输送系统稳定性对气化效果的影响２．１　 输送系统波动对气化过程的影响当给料容器压差、煤粉输送管线之间的偏差发生变化时，煤粉输送系统的动力发生变化，给料容器内原有的压力梯度及压差分布情况被破坏，引发煤粉管线内的煤粉质量流量和流速及 ３ 根煤粉管线之间的偏差发生变化，进而影响煤粉进入气化炉的初始速度，导致气化炉内原有的流场及平衡状态发生改变，最终导致气化炉的热损失、甲烷含量和合成气组成都会发生变化［ ６］。 输送系统波动对气化效果的影响见图 ５。从图 ５ 可看出：当给料容器与气化炉的压差在短时间内发生较大的波动时，首先气化炉的负荷开始波动，一般是先上升后下降；然后 ３ 根煤粉输送管线之间的偏差发生变化，偏差波动可能超５４　 化 肥 工 业 第 ４２ 卷 第 ６ 期 注：φ（ＣＨ４ ）为扩大 １００ 倍后的数值。图 ５　输送系统波动对气化效果的影响过 ２０％，甚至更大。 当煤粉输送管线的负荷短时间内上升过快，氧气的控制系统反应滞后，煤粉与高压氧气、次高压蒸汽的混合不均匀，煤粉在气化炉内的停留时间较短，部分区域没有完全混合，反应进行得不充分；当煤粉输送管线的负荷短时间回落至正常值时，同样也是氧气控制系统自我调节滞后，此时气化炉内可能存在暂时的过氧状态，直 接 表 现 出 气 化 炉 的 炉 温 较 高， 热 损 从２．７ ＭＷ 缓慢上升至 ４．９ ＭＷ，φ（ＣＯ２ ）从 ３．７３％提高至 ６．８４％，φ（ ＣＨ４ ） 从 ０．０１９ １％ 上升至０．３０３ ０％，待系统稳定以后，φ（ＣＨ４ ） 又重新恢复至０．０１７ ４％。采取优化措施后的变化趋势见图 ６。从图 ６ 可看出，当给料容器的压差、煤粉输送管线之间的偏差控制比较稳定时，气化炉内的流场保持原有的平衡状态，混合过程较好，气化反应充分，气化炉的热损、炉温波动较小，此时合成气中 ＣＨ４ 和 ＣＯ２ 含量平稳。 这说明气 －固两相射流流场中相间的动量传递是个动态平衡过程，在进入气化炉瞬间，气体速度的急剧减小为煤粉颗粒提供了动量，此时气相对固相起加速作用；当颗注：φ（ＣＨ４ ）为扩大 １００ 倍后的数值。图 ６　采取优化措施后的变化趋势粒速度达到峰值后，气相速度开始小于颗粒速度并对颗粒扩散起阻碍作用，直至射流充分发展后相间动量交换才达到稳态平衡。 综上所述，控制好煤粉输送管线压力和煤粉流量偏差的波动对气化过程的稳定性至关重要。参考文献［１］　龚欣，郭晓镭，代正华，等．高固气比状态下的粉煤气力输送［ Ｊ］．化工学报，２００６（３） ：６４０-６４４．［２］　Ｃｏｅｌｈｏ Ｍ Ｃ， Ｈａｒｎｂｙ Ｎ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆｗａｔｅｒ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｐｏｗｄｅｒ［ Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９７８，２０：２０９-２１７．［３］　王川红，郭晓镭，龚欣，等．粒度、湿含量对神府烟煤煤粉流动性参数的影响 ［ Ｊ］．华东理工大学学报：自然科学 版，２００８（３） ：３７７-３８２．［４］　郭晓镭，龚欣，代正华，等．竖直上升管中密相气力输送压降特性［ Ｊ］．化工学报，２００７（３） ：６０２-６０７．［５］　Ｒｅｄｄｙ Ｋ Ｖ Ｓ， Ｐｅｉ Ｄ Ｃ Ｔ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｄｙａｎｍｉｃｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄｓ-ｇａｓＦｌｏｗｓ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｉｐｅ ［ Ｊ ］． Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ，１９６９（８） ：４９０-４９７．［６］　屈强．气流床气化炉内熔渣流动及炉体导热过程研究［ Ｄ］．上海：华东理工大学，２００３．（收到修改稿日期　２０１５-１０-２８）声明　　近期，本刊发现有不法分子为达到其不可告人的目的，非法建立有关本刊在线投稿的网站，已造成部分作者上当受骗，严重侵害了本刊的合法权益。为维护广大作者和本刊的合法权益，本刊谨此声明如下：（１）本刊尚未建立独立网站，没有在线投稿系统，所有投稿请发送至本刊投稿专用邮箱ｈｕａｆｅｉｇｏｎｇｙｅ＠１２６．ｃｏｍ，务请广大作者明辨真伪。（２）侵权者必须立即停止侵权行为，消除不良影响。（３）对于侵权者已经给本刊造成的损害，本刊保留依法追究其法律责任的权利。枟化肥工

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