褐煤干燥安全保护控制系统的研究

董清生

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 甘肃省兰州市 730060）

褐煤干燥安全保护控制系统的研究

董清生

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 甘肃省兰州市 730060）

褐煤干燥技术对于解决全球能源问题具有重要意义。由于褐煤燃点低，干燥过程中有燃烧爆炸的危险，合理且可靠的安全联锁控制系统是保证褐煤干燥系统安全稳定运行的关键环节。本文分析了褐煤干燥控制系统中的关键控制点及设计过程中对联锁逻辑的分析改进。

褐煤干燥；氧含量；联锁逻辑

1 引言

目前我国褐煤预测资源量约1903亿t，占全国煤炭预测资源量的41.18％，主要分布在内蒙、云南、东北等地[1]。褐煤是煤化程度较低的煤种，具有含水量高（20～50％）、热值低、挥发性强、热稳定性差、易自燃等特点，难以运输、存储和销售。褐煤的高含水量直接增加了运输成本、装置建设和运行成本，甚至影响生产装置的正常运行，降低了以褐煤为原料的发电或煤化工项目的经济性。如何高效地脱除褐煤的水分是解决上述问题的重要途径之一。

通过干燥降低褐煤的水分，一方面可以提高热值和能量密度，降低运输成本，另一方面还可以提高下游装置的利用效率，降低设备规模。因此，褐煤干燥技术的开发有利于扩大褐煤的综合利用途径，可以很大程度上提高褐煤的市场竞争力。对此，我院对褐煤干燥进行了多年研究并成功开发了蒸汽管回转干燥机褐煤干燥技术，经过实践证明该技术具有良好的经济效益和社会效益。

控制系统是褐煤干燥技术中的一个重要组成部分。由于褐煤含水量高、挥发性强及易自燃等特性，褐煤干燥控制系统必须具有相应的特殊性，其中的尤其以安全保护系统复杂和重要。安全联锁保护控制系统能够保证褐煤干燥工艺过程正常的开、停，以及在异常情况下确保人员和设备安全或尽可能地减少损失。

2 褐煤干燥工艺介绍

2.1 工艺概述

我院为云南某铝厂煤气化站设计了两套蒸汽管干燥机褐煤干燥系统。单套设计处理湿褐煤能力为75t/h，原料湿褐煤含水量为35％，产品干煤粉含水量低于12％。褐煤蒸汽管回转干燥系统主要由蒸汽管回转干燥机、煤粉计量给料单元、空气预热单元、产品冷却单元、载气处理单元、凝液回收单元、干燥水分控制单元、安全保护单元及润滑油单元等组成，简化后的工艺流程图见图1。

2.2 褐煤干燥中危险及原因分析

褐煤具有高挥发份、高水分、低灰份、低硫分和发热量稍低等特点。干燥过程中存在自燃、爆炸的危险。煤粉爆炸的原因主要是煤缓慢氧化导致煤的热解，产生可燃气体，可燃气体与空气混合，达到一定浓度比例后遇火发生连锁爆炸。煤粉的燃烧爆炸需要三个基本条件，即煤粉的存在、合适的氧浓度和足够的点火能量。影响煤粉爆炸的因素主要包括煤质特性、煤粉温度、煤粉细度和煤粉浓度等。表1给出了引起煤粉爆炸的浓度极限及爆炸压力[2]。通过对褐煤的煤质特性分析，根据煤粉爆炸的原因、发生爆炸条件、影响因素等方面进行了分析，在褐煤干燥过程中我们主要采取的措施包括控制载气中的氧含量和煤粉温度，使其始终处于安全范围内。

图1 简化后的工艺流程图

表1 引起煤粉爆炸的浓度极限及爆炸压力

根据干燥过程中物料走向和温度分布，可分析出干燥系统需要重点监测和保护的设备为布袋除尘器、干燥机出料箱和屋脊式冷却器。布袋除尘器中载气含有较高浓度的悬浮煤粉，载气温度必须高于载气露点防止结露造成煤粉粘壁，故设置氮气和蒸汽保护控制氧含量在安全范围内并掺混干净载气降低煤粉浓度是一种有效的保护措施。在干燥机出料箱和屋脊式冷却器煤粉堆积多，温度过高会有煤粉自燃的危险，监测出料温度，在温度过高时通入氮气降低氧含量和启停喷淋系统降温都是可行的安全保护措施。

3 控制系统介绍

褐煤干燥控制系统采用FOXBORO公司的I/A Series DCS系统，该控制系统吸收了最先进的通信和微电子技术，应用了最新的信号处理和高速网络通信技术，可靠的软件平台以及现场总线技术，并采用高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，其数字化、结构灵活和完善的功能可以适应广泛、复杂的现场需求。冗余和实时故障同步诊测等特殊功能，提高了系统网络的可靠性。

4 主要联锁逻辑及控制的实现

褐煤干燥控制系统的联锁逻辑程序是干燥系统安全运行的保障，联锁逻辑程序能够保证褐煤干燥工艺过程正常的开、停，以及在异常情况下确保人员和设备安全或尽可能地减少损失。本系统设置了必要的运行状态显示，尤其是非正常工况下的报警提示。为了确保安全联锁和重要生产环节可靠，系统对重要的监测点和控制回路设置冗余。褐煤干燥流程中的联锁包括：除尘器出口氧含量报警联锁、出料温度联锁、主电机启停联锁、凝液泵压力联锁及计量罐料位联锁等。本文只以其中几个较为重要的联锁为例来说明。

4.1 除尘器出口氧含量报警联锁

由于氧含量是褐煤煤粉发生燃烧爆炸极为重要的因素，在干燥系统运行时控制系统内氧含量是杜绝煤粉燃烧爆炸发生的有效方法之一。为此，在褐煤干燥系统中设置氧含量联锁控制回路，联锁回路由安装在布袋除尘器出口的氧含量分析仪AT1103、DCS的控制器AIC1103A、氮气两位阀AV1103A和XV1103A及蒸汽两位阀AV1103B和XV1103B组成，氧含量联锁控制回路图见图2。

当氧含量分析仪AT1103检测到氧含量超过11％时，DCS的控制器AIC1103A立即发出氧含量上限报警，并启动氮气保护迅速打开氮气两位阀AV1103A和XV1103A分别从干燥机载气入口和除尘器载气入口向干燥系统注入氮气，稀释干燥载气中的氧含量。为确保系统安全，干燥系统增加蒸汽保护系统。当氧含量上限报警后，氮气保护系统未正确启动或氮气量不足未能有效降低氧含量，氧含量继续升至13％时，DCS的控制器AIC1103A立即发出氧含量上上限报警，并启动蒸汽保护迅速打开蒸汽两位阀AV1103A和XV1103A分别从干燥机载气入口和除尘器载气入口向干燥系统注入过热蒸汽，稀释干燥载气中的氧含量。

为防止联锁动作时氧含量在联锁值左右振荡，造成阀门频繁动作，设置报警联锁回差值为2％。

另外，在干燥系统停车后重新启动时氧含量不应超过8％，因为启动时干燥机内蒸发的水分较少，载气氧含量容易超标，增加了系统的不安全性，此时应向干燥机内通入氮气控制系统氧含量。另外在停车时，系统内温度仍较高，要注意关闭载气回路上的调节阀、电动风门和物料管路上的电液动插板阀，使系统仍保持较低的氧含量。

图2 氧含量联锁控制回路图

4.2 屋脊式冷却器入口温度报警联锁

由于干燥后的煤粉温度较高存在发生自燃的危险，不利于输送和储存，此次首次将自主开发的屋脊式冷却器用于干燥后的煤粉冷却。但煤粉在进入屋脊冷却器之前温度仍然可能超标，增加了系统的不安全性。因此必须在屋脊冷却器入口设置温度保护联锁。

此处的联锁为：当屋脊冷却器入口煤粉温度超过85℃时，打开干燥机出料箱内的水喷淋系统，向干燥机出料箱内喷水，降低煤粉温度，确保系统安全。在施工图设计时对此处的联锁做了改进，将启动喷淋系统改为打开氮气阀门向屋脊式冷却器内通入氮气。水喷淋系统改为只在确认发生着火时人工手动启动。因为喷水很容易造成煤粉粘壁、堵料和产品污染，清理难度大，甚至造成整个干燥系统停车，损失较大。

4.3 干燥机内负压控制

控制干燥机内负压时为了保持排气量和蒸发量的平衡，使蒸发的水分能更快的排出，也避免或减少了干燥系统的煤粉泄漏。这样避免了粉尘污染，保证了操作人员安全。负压控制回路由安装在除尘器载气入口管道上的压力变送器PT1112、DCS的控制器PIC1112和引风机入口的电动调节风门组成，控制方式为PID控制。此外载气回路上的三台风机均由变频器控制，载气入口均设置流量调节回路，可以灵活调节载气压力、流量和温度。

5 结语

上述褐煤干燥安全联锁保护系统系统已在国内多个钢厂的煤调湿项目中运行，无重大安全事故发生。褐煤干燥系统的控制系统并不复杂，但安全保护联锁对干燥系统安全稳定运行十分重要，生产中对这部分必须格外重视，同时，在目前褐煤干燥应用中，须不断总结系统生产特性，总结经验，不断完善安全保护系统，以保证生产的安全连续运行。

[1]高俊荣，陶秀祥，侯彤，万永周.褐煤干燥脱水技术的研究进展[J].洁净煤技术，2008，14（6）：73～75.

[2]王胜.燃用印尼煤时直吹式制粉系统安全运行探讨[J].锅炉制造，2006（12）；21～23.

TP273

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1004-7344（2016）23-0258-02

2016-7-20