粉煤气力输送在壳牌煤气化中的应用

14氨肥技术2008年第29卷第5期粉煤气力输送在壳牌煤气化中的应用邱晋刚(河南龙宇煤化工公司永城476600)摘要简要介绍粉煤气力输送的两种流动形式,重点介绍壳牌煤气化粉煤输送系统及其控制回路,并就系统运行中存在的问题和解决方法进行了总结。关键词粉煤气力输送速度密度1概述颗粒全部悬浮,均匀分布于气流中,呈现悬浮流气力输送是指利用气流的能量,在密闭管道状态;气速减小到临界值(沉积速度)时,颗粒将内沿气流方向输送颗粒状物料,是流态化技术的开始在管壁下部沉积,整个管的截面上出现上部一种具体应用。工业上常用粉体密相输送形式，颗粒稀 薄,下部颗粒密集的两相流动状态;当气在水泥厂物料输送、电厂粉煤灰输送、钢铁厂高速进一步降低时,将有颗粒从气流中分离出来沉炉煤粉喷吹系统等领域广泛应用。于管底部,形成“小砂丘”向前推移,产生团块流。近年来,高压粉煤浓相输送逐渐兴起,应用此时流道截面减少,在沉积层上方气流仍按沉积于煤化工加压气化工艺领域，成为粉煤加压气化速度运行。工艺过程的核心技术之- -。国际上商业化的气流在垂直管道中作向上气力输送,气速较高时床粉煤加压气化技术如Shell、GSP气化技术等均颗粒分散悬浮于气流中。在固体颗粒量- -定时降采用较大管径、浓相输送方式将粉煤送人气化低气速,管道中固体含量随之增高。当气速降低炉，其输送管内径约为40 ~ 50mm,固气比高达到临界值(噎塞速度)时,气流已不能使密集的颗300 ~ 500kg/m2。例如在SHELL煤气化装置中,利粒均匀分散,颗粒汇合成柱塞状,出现腾涌现象,用氮气在高固气比条件下，将粉煤加压到约压力降急剧升高。这是垂直气力输送的气速下4.0MPa,连续地输送到气化炉中进行反应,而其限。粒径均匀时颗粒的沉积速度与噎塞速度基本产出合成气中氮气仅占约4%,如此高的固气比相同。已经远超传统气力输送领域50 ~ 100kg/m2的范非栓塞式密相气力输送管道截面图见图1。围。关于粉体的密相输送,虽然有许多有价值的研究成果，但是对于其输送机理的了解不够深人、设计方法不很成熟,特别是对于粉煤加压气界面化工艺,可借鉴的资料和经验更少见。滑动休层2密相气力输送理论与实践上世纪初很多行业就开始研究密相气力输(a)横截面(b)轴截面送,对其流动模型及机理进行了分析,分为非栓图1非栓塞式密相气力输送管道截面图塞式和栓塞式两种流动形式。由上述分析看出,要想得到完全悬浮的气流2.1非栓塞式密相气力输送输送状态,必须有足够的气流速度。但气速过大非栓塞式密相气力输送主要是密相动压输会造成输送阻力、管道磨损急剧上升,所以也不送,物料在管道内非均匀分布,呈密集状态,但管可取。道并未被物料堵塞，而仍靠空气动能来输送,气2.2 栓寒式密相气 力蝓逆流速度一般为8~ 15m/s，固气比一般在30~中国煤化工静压输送,物料70kg/m2'之间。在输HC N M H G全之间充满了空通常认为在水平管道中,当气流速度很大时气,完全依靠两端的静压差推动前进。这种输送第5期邱晋刚:粉煤气力输送在壳牌煤气化中的应用5方式气流速度在8m/s 以下，输送压力一般为管壁上。下层为粉煤沉积相,浓度较高而完全不0.2MPa左右,固气比在25 ~ 250kg/m3之间。透光,只可见分界面呈波浪状的轴向运动。a图为在水平密相输送的流动过程中,料栓前面的管内气流速度较大、固相浓度较低时分界面较为空气栓上层是分散颗粒，下层是静止的料层;料清晰的状况。. 上层空间有稀相粉煤呈漂移状流.栓向前移动时,堆起前面的静止料层,同时又在动,下层有沙丘状煤团在煤层表面流动,二者分其后留下一定量的物料。料栓堆起的物料等于留界面并不平整。b、c分别为气流速度较小、固相浓下的物料时,料栓稳定输送,平衡被破坏时可能度较高时,同- -输送过程的不同时刻的粉煤流动形成长料栓或料栓破坏。形态,管内分界面高度有明显的起伏变化，有时栓塞式密相气力输送管道截面图见图2。会出现局部粉煤几乎充满管道的状态。料栓移动方面在流化气量偏小时,管底粉煤个别时刻处于分散的小颗粒静止或极低速滑动状态,滑动的粉煤之间有丝丝十-裂缝,粉煤的流动减小并且不连续,甚至短时间内中断,此时管内压力波动剧烈,可视段的压降静止层料栓值减小。粉煤输送完毕时管底会沉积0.1 ~ 0.3D围2栓塞式密相气力输送管道截面圉厚的粉煤层,再想使这层静止的粉煤流动就必须加大吹扫气量，否则易造成粉煤缓慢分段推进,2.3最新实验研究( 见图3)华东理工大学煤气化实验室在中39mm的管因缺乏动力而堵塞管道。道中，进行了浓相气固两相流动特性实验研究。3壳牌煤气化粉煤输送系统通过石英玻璃管观察管道中的粉煤流型,发现浓.1 输送流程简介相输送时流动形态以分层流为主,管内下层粉煤在壳牌干煤粉加压气化装置的供煤系统中,浓度要远远高于上层,以密集沉积状态流动,上首先将煤粉加压到4.6MPa并送到高压煤粉给料层粉煤以稀相悬浮态流动。虽然上、下层的分界罐中，然后通过密相输送系统将煤粉送到煤喷面比较清晰，但由于管内湍流程度较大,该分界嘴。系统中共有两套给料罐,每个给料罐同时向面处于剧烈而快速变化之中。同时沿轴向运动的两个烧嘴供煤,输送固气比约为480k/m2.粉煤存在明显的不规则的径向脉动;多数时间.高压氮气分两路进人给料罐,一路从给料罐里,粉煤在气流作用下对管壁的冲刷呈秒级的周上部补充进入，使给料罐的压力稳定在4.6MPa,为粉煤下料提供稳定背压;另- -路从给料罐下部期性波动。进入,作为粉煤流化气。粉煤在背压推动和流化作用下,进人输煤管道。输煤管道上设置有粉煤流量调节阀,调节阀开度变化时会使进入管道的粉煤质量流量同步变化。对粉煤还设置了速度调(a)u=53kg*kg',Ug=9.1m's-'节回路,是通过控制补充氮气流量来实现的。如下图4所示。.3.2输送系统中主要控制回路3.2.1粉煤速度测控(b)u=136kg-kg",Ug=3.5m.s"对于粉煤速度的测量,有多普勒相关法、空间滤波核磁共振示踪法等方法。其中以相关技术为基础的速度测量系统,尤其是静电式相关测速仪,在先进性、重复性、可靠性和低成本等方面(c)u=136kg-kg",Uk=3.5m.s4具有突出优越性.在T业H得到了广泛应用。圈3气固两相流动特性实验圄中国煤化工都体颗粒的静电输送管内分为悬浮相和沉积相两种状态,在化!YHC N M H G于颗粒之间以及上层悬浮相中粉煤量较少,并有一些粉煤附着在颗粒与 管壁之间的碰撞和分离,颗粒上将产生静16氮肥技术2008年第29卷测量值偏大。所以速度计应首选安装在垂直管道上,尤其对于高浓度和低流速颗粒来讲,这样会去煤烧嘴使粉煤流动平稳波动更小,测量结果比较准确。IN对于粉煤的速度控制,是通过调节给煤管线的送风流量来实现的。该回路由粉煤速度-氮气流量调节组成-一个串级回路,以粉煤速度为主调节参数,通过副回路调节氮气流量,来实现粉煤粉煤给料罐速度的控制。3.2.2质量流量控制-N:圆要想得到粉煤的质量流量,还必须测量出粉中化气图-圆煤的密度。其计算公式是:粉煤质量流量(kg/s)=圖粉煤补偿后密度(kg/m2) x粉煤速度(m/s) x管道截面积(m2)。调节气对于粉煤的密度采用放射仪表来实现,在管良粉煤流量调节道-端放置Cs137放射源,在管道的另- -端放置接收器,当射线穿过管道时,会受到粉煤和气体围4壳牌煤气化粉煤输送流程简囝的吸收作用而产生衰减,衰减程度取决于粉煤和电荷。而在静电速度计中有两条相距L的金属圆气体密度。所以应该对粉煤密度进行补偿,剔除环(见图5),当颗粒经过第-个金属圆环时,将引掉输送气体的衰减影响,就可以得到准确的粉煤起静电场的波动，圆环上感应电势随之变化而产密度值。根据上述公式就可计算出粉煤质量流生-个信号波形,- -定时间后这部分颗粒到达下量,此数值和粉煤称重计量值对比、校准后才会-金属环,仍然会产生近似的波形。传感器内置得到准确的质量流量。的数字处理器分析这两段波形,认定为同-部分粉煤的质量流量是通过粉煤调节阀的开度粉煤。并根据交叉纠正算法得出粉煤在两金属环来控制的,此调节阀为专门制造,阀门内衬高硬间花费的时间i,根据V=L/t便可以计算出粉煤度碳化钨材料,阀芯完全采用碳化钨制造,能够流动速度。耐粉煤长时间的强烈冲刷和腐蚀。3.2.3给料罐压力控制通过由进口和出口两个调节阀组成的分程调节来实现，当给料罐压力上升时,输出增加。经过分程器后输出到进出口两个调节阀。如图6所示,当给料罐压力上升时，调节器输出增加,此时氨气人口阀逐渐关小以减小进气量,降低给料罐压力;在45% ~ 55%之间存在一个死区,此时进口阀和出口阀均关闭;当输出>55%时，出口阀↓逐步打开而泄放给料罐内的气体,使给料罐压力阀开度.速度状态信号输出100圈5静电速度计测控原理圈进口阀门出口阀门需要注意的是，静电速度计只有在流动稳定、颗粒分布均匀时,才能获得理想测量效果。当中国煤化工1输出信号速度计在水平管道测量时,由于下部颗粒浓度较大甚至发生沉积，流通截面积减小,会导致速度.YH.CNMHG图6绍科喝 压刀控制图第5期邱晋刚:粉煤气力输送在壳牌煤气化中的应用17下降。4.3 压力阀门磨损3.2.4粉煤给料罐流化 气控制在粉煤给料罐的压力调节回路中，由于放采用流量-差压超驰调节,当处于正常状态气阀的频繁动作，其阀芯受到粉煤的剧烈冲刷，时,由两侧进人给料罐的N2流量调节,使粉煤经很短时间内就会损坏而报废。为了减少不必要的充分流化后进人输煤管道。当氮4弋总管与给料罐损坏,就必须避免放气阀的频繁开启。内部差压过大时，差压调节器则取代流量调节据此原则对控制方案进行改进,增加对放气器,关小氮气调节阀开度,防止高压氮气对给料阀压差调节器。当给料罐与气化炉压差<罐内部设备造成损坏。0.75MPa时,压差调节器输出为零,放气阀无法打4输送系统运行状况小结开;而当压差>0.75MPa时,压差调节器逐步输出在我公司的2 100 tld壳牌煤气化装置中,粉增大,放气阀才会打开。更改后的实践证明,放气煤输送系统自2008年2月肝始运行以来,到目阀的开启次数大为减少,有效延长了放气阀的使前一直保持稳定运行。但由于粉煤输送性质的特用寿命。殊性,在运行过程中也出现了-一些问题。4.4阀门卡堵4.1速度计失灵在输送系统运行过程中,曾经发生煤流量调粉煤输送系统运行中,出现的较大问题在于节 阀卡堵的现象,经拆检阀门后发现管道中夹杂速度计指示失真，表现为指示值漂移到极限,无有金属、石头等杂物。后来对于粉煤的质量加强法判断真实的粉煤流量,严重影响煤气化装置的监控,杜绝磨煤机中混入金属、石头等杂物,再未安全运行。对此进行了多方面分析结合其它厂发生此现象。另外对粉煤流量调节阀，要保持阀家的运行经验，认为可能的原因是煤粉粒径较芯处的反吹气量,使阀芯保持清洁状态,否则也小、水份大、温度低等,造成粉煤粘附在管壁上,会出现堵塞调节阀的现象。使速度计根据相关性原理而无法正常工作。4.5 氮气加入量对此分别采取了提高粉煤温度、加大粉煤粒在流化气调节以及速度调节中,氮气的加人径、降低粉煤水份等措施。一方面将磨煤机出口量是一个重要的参数。当氮气量过小时会导致温度由70C提高到90C以上,并对粉煤管线进粉煤无法正常流化流动，但过大的氮气量也不行蒸汽伴热,使管道温度保持在70心以上;其次可取，这样不仅造成了巨大消耗,而且还会造成提高了粉煤和石灰石粉末的粒度,其中粉煤由原给料罐附属设备(充气锥、管道充气器等)因为过来的粒径<90μ m部分控制在90%以上，改为控压而损坏。制在70% ~ 85%之间;最后将粉煤的水份指标由5结束语原来的≤2.0%更改为0.2% ~ 0.5%之间。经过以随着国内煤化工产业的迅猛发展,粉煤加压上处理措施后,速度计恢复了正常工作。气化技术得到了跳跃式发展,粉煤气力输送也随4.2 密度计问题之被广泛应用。经过化工行业对其进行的不懈研粉煤密度的测量采用γ射线仪表来完成,究和不断改进,将使用中的问题逐步克服,就一在实际工作中常常发生大幅漂移。经检查原因主定会提高粉煤气力输送的发展水平,达到-个新要有两方面，一方面由于粉煤管道直径较小的应用层次。(54mm),要求放射源和探头的安装精度极高,二者位置稍有偏移，就会造成射线强度的偏差,导参净文献致密度测量值产生较大误差,所以要将放射源和1肖为国,郭晓镭等.<工业级管道中粉煤依相流动特性).《化工学报》,2007,11探头固定牢靠。另一方面,接收器之前混人其他物体也会影2高敬国,徐德龙,赵江平.粉体密相气力输送理论与技响显示值。曾发生雨水浸人管道保温石棉,导致术进展.《中国粉体技术), 199,5中国煤化工射线被保温棉中雨水吸收，密度读数值发生偏二波法测量固体颗粒差。后将保温石棉拆除,并重新标定密度仪表后YHCNMHG恢复正常。(收稿8期:2008 -07-17)