摘要：粉煤加压和输送用气主要用于粉煤锁斗加压和粉煤输送，这对输送气的压力和缓冲供应能力都提出了要求。根据气化下游不同产品的需求，粉煤加压和输送气主要采用氮气或者二氧化碳，下游产品为氨等含氮产品时采用氮气输送，除此以外，通常采用二氧化碳气体输送，以提高合成气品质和有效气含量。氮气来自空分单元，二氧化碳来自下游低温甲醇洗的副产品二氧化碳，这两种来源的输送气均需要压缩机加压才能满足粉煤输送单元的需要。基于此，本文主要对粉煤加压和输送用气的压力选择与优化进行分析探讨。
关键词：粉煤加压；输送用气；压力选择；优化
1、前言
输送气压力高会导致输送气压缩单元投资及运行成本的增加，但输送气缓冲系统的投资则会有所降低；反之亦然。通过对输送气压力的研究，分析输送气系统的投资成本和运行成本关系，寻找投资和运行成本的最佳匹配点，合理设置输送气的压力，同时研究减少输送气的用量，对于粉煤气化节能降耗有重要意义。
2、输送气流程和用量分析
粉煤气化装置中，输送气主要用于3个方面：
①对粉煤输送中的煤锁斗进行充压，将粉煤锁斗由常压加压至与粉煤给料罐平衡的压力后将粉煤送入粉煤给料罐。粉煤从低压系统向高压系统的输送，是通过锁斗的“充压—泄压—充压”过程实现的。此气量是间歇用量，而且锁斗充压过程中会产生较大的瞬时气量，对于日投煤1500t型粉煤气化锁斗进行加压时，瞬时用气量28000~30000m3／h；②作为粉煤输送用输送气，将粉煤连续稳定的送入气化炉内进行反应，此气量为压力稳定（通常在表压5.1~5.2MPa）、流量稳定的连续用量，主要是确保粉煤和二氧化碳气体的气固混合物速度稳定、混合密度稳定进入气化炉；③少量吹扫用气。主要包括气化炉环形空间等的密封吹扫气；接触含固物料的高压非液相的仪表、阀门的吹扫，防止阀门仪表堵塞。
锁斗充压为间歇过程，充压用气为间歇用气，且瞬时气量较大，为保证整个输送气系统压力稳定，使锁斗充压过程不对其他正常用量产生影响，需要设计二氧化碳输送气缓冲罐，主要流程如图1所示。自酸性气体脱除单元的低压二氧化碳经二氧化碳压缩机加压后进入二氧化碳缓冲罐，出缓冲罐的二氧化碳分两条管线，一条供锁斗充压用，另一条去稳定用户（煤线和阀门仪表吹扫用二氧化碳），两条管线相互分开，消除充压过程对稳定用户的影响。
图 1 输送气系统流程
3、输送气系统投资和运行成本分析
3.1输送气缓冲罐的容量分析
输送气缓冲罐容量主要考虑以下两个方面：缓冲气体的容量能满足一次锁斗充压的需求，还要考虑安全停车吹扫用气量和吹扫压力。在锁斗充压过程中，短时间内二氧化碳用气量巨大，造成缓冲罐压力降低。为防止对稳定用户压力造成波动，输送气缓冲罐的储备气量至少能够满足一次锁斗充压的要求。当锁斗充压结束时，输送气缓冲罐的压力是低的，一旦出现紧急情况（如气化炉跳车），缓冲罐的气量还应满足一定的安全吹扫用气量，特别是气化跳车或停车时的首次安全吹扫用量。上述两个过程的任何时间，缓冲罐的压力都需高出粉煤输送系统的正常操作压力，防止出现合成气高压高温气返窜造成事故。以单系列SE-东方炉1500t／d、气化压力（表压）4.0MPa气化装置为例进行分析研究，粉煤输送用气为二氧化碳气，单系列CO2输送气总用量平均为16000m3／h。其中，锁斗充压用气、粉煤输送和吹扫用气、安全吹扫用气的压力以及气量见表1。
表 1 粉煤输送二氧化碳气用量
由表1可知，粉煤输送气需要缓冲量为4270m3，输送气的正常使用压力（表压）为5.1MPa，为此，需要设置输送气气体缓冲罐。对于气体缓冲罐，决定其缓冲能力的是压差（气体来源压力和气体使用压力）与容积，缓冲量一定时，压差越大，缓冲罐体积越小；反之亦然。
3.2输送气缓冲罐的大小和来源压力确定
设：缓冲罐的容积为V，缓冲气来源压力为P1、密度为ρ1，缓冲气使用压力为P0、密度为ρ0，缓冲气分子量为M，则缓冲量为：
将（3）式带入（2）式，得：
将缓冲罐的操作温度T=110℃带入（4）式，得：
u＝7.036×（P1／Z1-P0／Z0）×V（5）
式中：m—缓冲罐质量气量，kg；
u—缓冲罐体积气量，m3；
M—缓冲气平均分子量；
P—二氧化碳压力，MPa；
R—气体常数；
T—操作温度，℃；
Z1—压缩系数；
Z0—压缩系数；
P1—输送气来源压力，MPa；
P0—用气压力，MPa。
二氧化碳气的来源温度为110℃，使用的温度为90℃。根据PRO／Ⅱ软件计算在110℃时、不同压力的CO2气体压缩系数Z，Z=0.9974-0.0201P。选取表压6.0，6.5，7.0，7.8，8.0，8.5MPa共6组压力数据作为输送气系统的压力进行分析。气体缓冲罐设计温度选为160℃，设计压力按操作压力的1.11倍确定。根据CO2的缓冲量即可确定不同压力下的缓冲罐容积大小，缓冲罐材质选用Q345R。根据上述公式和GB150—2011《压力容器》进行计算重量，优化后的缓冲罐尺寸、重量与成本如表2所示。
4、输送气系统的进一步优化
输送气的优化从降低输送气功耗的角度可以从两方面考虑进行：降低加压输送气压力，减少加压输送气用量。
4.1降低加压输送气压力
由表1可知，粉煤输送气的用户主要是锁斗加压气与粉煤输送气，锁斗加压气是间歇瞬时用量，需要加压后缓冲。粉煤输送和吹扫气为稳定用量，压力（表压）需求是5.2MPa，可以用压缩机加压到表压5.2MPa，不经过缓冲罐直接供气化使用，有利于降低能耗，节省运行成本。将压缩机三级出口的二氧化碳进行分流，仅60%的二氧化碳气直接送往气化装置做连续用气使用，余下气体再进行第四级压缩。
从压缩机三级出口引出一条中高压二氧化碳管线，接入出二氧化碳缓冲罐去稳定用户调节阀的下游，并设立一个调节阀，满足正常工况下二氧化碳连续用量的要求。通过缓冲罐出口调节阀还可以调节缓冲罐去稳定用户的二氧化碳流量，对中高压二氧化碳进行补充调节，满足下游装置的需要。
表 2 缓冲罐体积和成本估算
按此措施优化，输送气缓冲罐大小不变，但压缩机功耗将减少。按二氧化碳压缩机高压出口压力（表压）6.5MPa考虑，压缩机功率将由2938kW减少为2904kW，年节省运行费用46万元。
4.2减少加压输送气用量
输送气中的粉煤输送气和吹扫气进入气化系统，不能减少也无法回收。粉煤锁斗的循环进料过程中，加压进料给料后进行泄压，加压气泄压至大气，在泄压过程中，压力由表压4.8MPa泄压至常压。如果对泄压气进行回收利用，将减少加压输送气量，有利于节能降耗。为此，考虑增设泄压气回收罐，对泄压气进行回收并对粉煤锁斗进行加压。另外，还可以采用以下泄压气回收流程，回收后的泄压气可用于系统的低压用气设备，如磨煤干燥的煤粉输送气、煤筒仓吹扫隔离气等。经分析计算，对于日投煤1500t气化单系列来说，此优化流程将减少惰性气用量3292m3／h，同时节省惰性气压缩的投资和压缩功耗。对于多系列气化流程来说，磨煤干燥采用制粉站设置，粉煤通过惰性气送至气化常压粉仓，惰性气多采用压力（表压）为0.3~0.5MPa的氮气，如果采用锁斗泄压气，不但可节省氮气，而且可省去氮气增压压缩机，以及相应的氮气加压运行费用。
5、结语
为进一步减少输送气用量，降低能耗，可以对粉煤锁斗泄压气进行回收和利用，针对不同用途，有多种利用方案，这可以作为SE粉煤气化在粉煤加压和输送工段、以及装置单元间的下一步优化措施和方向，提升装置能效，进一步提高SE粉煤气化技术的竞争力。
参考文献：
［1］章晨晖.通气锥在粉煤气化中的应用及其改进［J］.大氮肥，2008，31（1）：66-69.
［2］陈智，许世森，刘刚，等.新型煤粉加压密相输送系统试验研究［J］.热力发电，2013，42（5）：42-45.
论文作者:张其
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
标签：粉煤论文; 压力论文; 气量论文; 用量论文; 二氧化论文; 气体论文; 氮气论文; 《基层建设》2018年第35期论文;