基于Aspen Plus 软件的磨煤干燥过程模拟与分析

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[1.惠生工程(中国)有限公司，湖北 武汉 430073；2.航天科工武汉磁电有限责任公司，湖北 武汉 430073]

当今国内煤气化领域，应用最广泛的是气流床加压气化技术，主要包含水煤浆加压气化技术和干煤粉加压气化技术。低质煤由于受到成浆性、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。干粉煤加压气化领域，磨煤及干燥是整个工艺系统不可或缺的部分，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 磨煤及干燥流程(图1)

碎煤仓中经预干燥的原料煤通过称重给煤机送入中速磨煤机，原料煤由碾子在磨台上碾磨；来自惰性气体发生器的热烟气以一定的流速进入干燥空间，对湿煤粉进行干燥。干燥后的煤粉，被热惰性气体带入旋转分离器，粗颗粒被分离下来后返回磨煤机；惰性气流夹带着细颗粒粉煤进入煤粉袋式除尘器，煤粉和惰性气体在袋式除尘器中进行气固分离，合格的粉煤送入下游工序，分离后的尾气则经循环风机增压后大部分循环至惰性气体发生器循环使用，小部分排放至大气。

磨煤机的干燥热源是工艺系统外排的可燃气体在惰性气体发生器燃烧产生的热烟气。在惰性气体发生器中，热烟气与循环气、低低压氮气和由稀释风机送入的冷空气混合，调配到需要的温度，并控制氧含量，变成安全的热惰性气体送入中速磨煤机，作为煤粉干燥的热源。

图1 磨煤及干燥工艺流程框图

2 煤干燥过程模型的建立

2.1 模型组分和物性的定义

用Aspen Plus 软件模拟计算时，一般将所涉及的组分分为三类物质，分别是常规物质、常规惰性固体和非常规物质。对于常规组分，包括常规固体组分( 即组成单一、有确定摩尔质量的物质)，用IDEAL方程计算物质的相关热力学性质；对于非常规物质，Aspen Plus软件作了简化处理, 认为这类物质不参与化学平衡和相平衡，只计算密度和焓。Aspen Plus一般用HCOALGEN模型来计算煤的焓值，这个模型包含了燃烧热、标准生成焓和热容的不同关联式；采用DCOALIGT模型计算煤的真实的干基密度[1,2]。

2.2 操作单元模块的选择

煤干燥模块选用化学计量模型(Rstoic反应模块)，惰性气体发生器选用Rgibbs反应器，袋式除尘器选用两相分离模块(flash2)，混合器选用mixer模块，循环风机、稀释风机、燃烧风机选用Compr模块，放空气分流器选用Fsplit模块。

2.3 Aspen Plus 干燥模拟的计算基础

Aspen Plus是通过Rstoic绝热反应器对煤进行干燥模拟计算的。Rstoic反应器主要针对已知化学计量数和反应程度但化学动力学关系未知的情况，通过模块内部的Fortran语句来计算入炉煤的含水量。其内部定义的Fortran语句如下：

COALIN*H2OIN/100=COALOUT*H2OOUT/100+COALIN*CONV

(1)

COALIN=COALOUT+COALIN*CONV

(2)

CONV=(H2OIN-H2OOUT)/ (100-H2OOUT)

(3)

式中：COALIN，湿煤粉的质量流量；COALOUT，出口物流中煤粉质量流量；H2OIN，湿煤粉中水含量；H2OOUT，干煤粉中水含量；CONV，干燥模块中煤粉转化成水的转化分率。

2.4 煤干燥过程模型的建立

尽管煤干燥不是真正意义上的化学反应过程，但是Aspen Plus假定运用化学计量模型将煤的一部分转化成水，近似表示非常规组分煤的干燥过程。煤干燥过程化学反应方程[3]表示如下：

基于上述假定，煤粉干燥过程模拟流程如图2所示。

图2 磨煤及干燥工艺模拟流程图

本文采用上述的干燥模型对所用煤种进行干燥过程模拟计算，原料煤的投煤量(使用煤种)为66.24 t/h，含水量为12%；据干煤粉加压气化工艺煤粉输送工段要求入炉干煤粉的含水率≤2%的要求，确定煤干燥后含水量为1.5%。模拟过程中进磨煤机的热风量为287 144 kg/h，温度控制在178 ℃，干燥后煤粉含水量为1.5%；通过稀释空气调节系统中水蒸气含量，使其在露点之下；通过低低压氮气调节系统中氧含量，控制在8%以下。所用煤种的元素分析和工业分析如表1所示。

表1 煤样的元素分析和工业分析 %

3 模拟结果与分析

3.1 模拟计算

Aspen Plus模拟计算结果如表2所示。由表2可以看出，66 240 kg/h的原料煤(使用煤种)经过磨煤干燥后，水分由12%下降到1.5%，最终得到的煤粉量为59 179 kg/h；进入磨煤机热气体的氧含量约为6.4%，循环风机下游的气体的水含量为32.3%。进入磨煤机的热气体温度由燃料气的用量控制，本系统燃料气用量为1 224 kg/h，惰性气体发生器热负荷约为12.8 MW。

表2 Aspen Plus模拟计算结果

注：位号/介质均对应于图2。

3.2 校核计算

3.2.1使用煤种的校核计算

为了判别所建模型模拟结果的准确性，将专利商提供的技术参数与模拟的结果进行对比分析。由表3可知，模拟结果与专利商提供的技术参数的偏差均在允许的范围内。

表3 模拟结果与专利商技术参数的对比(使用煤种)

注：① 煤粉干燥后的含水量；② 循环惰性气体中的氧含量；③ 惰性气体发生器的热负荷。表5同。

3.2.2设计煤种的校核计算

为了进一步验证模型的可靠性，将设计煤种的参数(如表4所示)输入模型，模拟低低压氮气、稀释空气、助燃空气消耗，露点及氧含量、惰性气体发生器热负荷等工艺参数。由表5可知，燃料气、稀释空气、低低压氮气的消耗与专利商提供的参数非常接近，个别参数偏离PDP参数稍微大一点，但总体上看，误差仍在可接受的范围内，证明模型具有一定的可靠性。

表4 设计煤种的元素分析和工业分析 %

表5 专利商技术参数与模拟结果的对比(设计煤种)

4 结 论

(1)本模拟利用氮气和热惰性气体进入磨煤机和袋式除尘器进行煤粉的干燥及输送。模拟计算热力学方程选用IDEAL模型，运用绝热反应器Rstoic进行煤中水分干燥过程的定义。进入磨煤机干燥空间的气体，其温度控制在178 ℃左右。

(2)本文讨论了煤粉干燥过程全流程的模拟计算方法，通过Aspen Plus内部的Fortran语句进行煤干燥过程的模拟计算，获得了较好的结果。

(3)通过Aspen Plus对整个磨煤及干燥过程进行模拟分析，有利于对干燥过程进行优化控制，提高整个过程的热效率；同时，可以预测不同条件下氮气、燃料气、电力等公用工程的消耗，过程的安全控制等情况及废气的排放，为工程设计和生产操作提供指导。

参考文献：

[1]沈玲玲，姜秀民，王辉，等．IGCC 示范工程煤气化炉的数值模拟[J].煤炭转化，2009，32(1)：14～19.

[2]Peter S.Dynamic modeling and control of integrated coal gasification combined cycle units[D].Ph.D.Thesis, Netherlands, The Laboratory for Thermal Power Engineering of Delft University of Technology.1993.

[3]刘娜，黄雪莉．基于Aspen Plus的煤干燥过程的模拟计算[J]．煤炭转化，2013，36(1)：65～67.