多层流化床低阶煤热解气化提质装置

[align=center][size=16px][b]流化床制粒[/b][/size][size=16px][b]发展现状[/b][/size][/align]药品是人们常备的不可或缺的日常用品。近年来，随着国民生活水平的提高，人们对药品质量和药物安全问题广泛关注，制药领域也随之越来越多的进入到我们的视野中。长期以来，制药行业都采用传统的方式进行生产，无论是自动化、信息化水平还是认知观念水平都与其他行业存在着一定的差距。“十三五”规划以来，国家大力发展智能制造，制药行业作为制造业的一部分，需要紧跟发展潮流，朝着信息化、智能化方向发展。固体制剂是目前最常见的剂种之一，其生产过程是将原料通过一系列操作包括粉碎、混合、制粒、包衣及压片等过程转化成药物制剂。无论是制作胶囊还是压片，制粒都是非常重要的关键步骤。制粒是将药物粉末与相关的辅料进行混合，待混合均匀后再喷入润湿剂或者粘合剂，在设备中制成具有颗粒形态的过程。干法制粒和湿法制粒是目前固体制粒中最常用的两种方法[font='calibri'][size=13px][1][/size][/font]。干法制粒不需要使用粘合剂，常用于对水分比较敏感的制剂；湿法制粒是常用的制粒方法，在混合均匀的粉末中喷入粘合剂，将粉末表面打湿，粉末通过粘合剂的媒介作用聚结在一起可以慢慢形成颗粒。流化床制粒是常见的湿法制粒方法之一。流化床制粒过程中使用的工艺参数较少、且操作方法简单，广泛应用于固体制粒中。然而，目前的流化床制粒大多依靠于人工经验，对于制粒过程中颗粒的质量属性的变化都是离线进行分析，严重滞后于生产过程。制粒过程信息不透明，对制粒过程影响因素不能准确把握，容易导致药物疗效达不到预期甚至造成制粒批次的失败。随着计算机信息技术、人工智能、传感器技术的发展，及时获取流化床制粒过程工艺参数与颗粒的关键质量属性，通过数据挖掘出工艺参数变化对于流化床制粒过程的影响，通过质量属性的变化及时调整工艺参数，从而可以大大提高制粒成功率，打破国外技术封锁，实现连续化、智能化生产的目标。针对流化床制粒信息化、自动化水平低，数据采集困难等问题，合理改造设备以及通过机器学习等人工智能算法了解工艺参数的内部机理，达到准确调控，对流化床制粒连续化、智能化生产具有重要指导意义。流化床制粒技术只在一个腔体中就可以完成整个制粒过程。药物粉末和辅料等一次性的投入到密封的腔体中，在腔体内进行混合，直至腔体内的各种物料都混合均匀，接着从底部通入热空气，药物粉末在从下方而来的热空气作用下能够保持悬浮，从而达到理想的流化状态。接着将按照一定比例配成的黏合剂液体在蠕动泵和一定压力的压缩空气作用下，以雾化的形式从喷枪中向流化层喷入，使药物粉末聚结成颗粒。在整个制粒过程中，颗粒只受到流化床内部气流的作用，上下流动，因此形成的颗粒之间的粘合度较低，颗粒密度比较小，粒度比较均匀，并且有较好的可压缩性和流动性。流化床制粒设备的整体情况都大同小异，主要的不同在于雾化的粘合剂喷入的方式。按照喷嘴所在位置的不同，可以大体将流化床分为顶喷式、底喷式和流化床三类，这三类流化床的示意图如下图1-1所示。顶喷式流化床是将喷枪从腔体外部伸入到制粒室中，从流化层的上方自上而下进行喷液。颗粒通过气流的作用上升至喷嘴的位置，雾化的粘合剂从喷嘴喷出并将颗粒包裹起来，颗粒上升到一定的高度后回落，如此往复，顶喷式流化床一般用于制粒。底喷式流化床是喷枪中粘合剂的喷洒方向与进风气流的方向一致，侧喷式流化床的喷嘴安装在制粒室的内壁上，最明显的特点是在其底部安装有布风板，底喷式流化床和侧喷式流化床一般用于包衣。[align=center][font='times new roman']图[/font][font='times new roman']1-[/font][font='times new roman']1 [/font][font='times new roman']制粒[/font][font='times new roman']流化床[/font][font='times new roman']分类[/font][/align][font='times new roman'][size=16px][b]流化床制粒技术研究现状[/b][/size][/font]1959年，美国的Wurst首先提出了流化床技术，该技术以其工艺简单，操作时间短，劳动强度低等特点广泛应用于固体制药领域。我国于上世纪八十年代才引入流化床制粒设备，相对于国外来说起步较晚，因此对于流化床制粒技术的研究也相对较少。石海涛[font='calibri'][size=13px][3][/size][/font]等人使用流化床制粒技术解决了采用传统的湿法制粒批次间颗粒质量属性差异大，制粒终点难以把握的缺点，制出崩解性能良好的甲磺酸吉米沙星片。申楼[font='calibri'][size=13px][4][/size][/font]等人把颗粒的流动性、表面性状和崩解时限作为衡量颗粒质量的标准，采用正交试验的方法确定出流化床制粒的最佳工艺参数。东北大学的王正松[font='calibri'][size=13px][5][/size][/font]以颗粒的粒度为研究对象，建立并验证了流化床制粒最终颗粒粒度的机理模型，并且建立了预测颗粒粒度的回归模型。浙江大学的周家辉[font='calibri'][size=13px][6][/size][/font]针对流化床制粒室温度难以控制的问题，分析了流化床制粒温度影响因素，对流化床进行了热力学分析，并且设计了温度控制器。在国外近几年的研究中，Neugebauer[font='calibri'][size=13px][7][/size][/font]等人针对流化床分层制粒过程中颗粒形成干燥区的问题，提出了一种用于研究各种工艺参数对粒子动力学和工艺稳定性的影响的模型。Hayashi[font='calibri'][size=13px][8][/size][/font]等人对流化床造粒过程中颗粒生长和破碎的机理进行了研究，提出了一种基于离散元法和计算流体动力学相结合的粒子碰撞频率函数的粒子平衡模型。Heidari[font='calibri'][size=13px][9][/size][/font]等人考虑液滴蒸发过程引起的体积变化等因素，综合考虑粘合剂粘性与液滴表面张力的平衡力，建立了流化床制粒过程中液滴蒸发的力学模型，利用该模型研究了不同温度、蒸汽压力、接触角和液滴直径条件下蒸发速率对液滴扩散时间的影响。Teixeira[font='calibri'][size=13px][10][/size][/font]等人研究了提高姜黄素溶解度的多种策略并且以姜黄素为原料，采用流化床制粒法，制备姜黄素颗粒。国外的流化床技术已经取得了一定的成就，然而国内的流化床制粒领域中相关的文献报道却比较少，这种现状对于我们来说既是机遇也是挑战。通过文献可以看出，越来越多的学者都针对流化床制粒工艺进行研究，这也必将会是未来研究流化床制粒技术的一个趋势。

循环流化床锅炉(CFB)具有高效、低污染、煤种适应性广、负荷调节性好、不易灭火、灰渣可利用等特点，采用洁净燃烧技术，符合国家环保产业政策，再加上其较好的煤种适应性，在我国得到迅速推广，配套机组在向300MW及以上方向发展。　　　　循环流化床锅炉由于其结构的特殊性，所安装的热工仪表测量、保护仪表与常规煤粉炉相比，有许多类似之处也有明显的区别。CFB锅炉汽水系统的测点及其作用与普通煤粉炉相同，烟风系统增加了一些为CFB锅炉专设的风机风道的压力、温度和流量的测点，其测量方法也同普通煤粉锅炉相同。CFB锅炉在参数测量方面的特别之处在于对炉膛、分离器、回料阀和冷渣器等固体流道参数的检测。　　　　一、循环流化床锅炉的运行特点　　　　CFB锅炉在运行过程中特别要注重对床温、分离器入口温度、风煤比以及床压的监测、调节及控制，注重对影响物料流化、循环及燃烧的各种风量的监控，确保建立一个平稳、足够的热物料循环，从而完成锅炉燃烧的燃料燃烧及热量传递过程。　　　　按照循环流化床锅炉的特点，设置炉膛温度、床温、床料高度及其它有关测量仪表测点，以保证机组的安全、经济运行。压力测点应提供接口和防堵设施，温度测点要求留有热电偶插座，对有防磨要求的温度测点应加装防磨装置。　　　　二、主要热工参数的作用和意义　　　　2.1床温　　　　床温是CFB锅炉的重要运行参数。所谓床温主要是指燃烧密相区内流化物料的料层温度，床温值是由锅炉结构、灰熔点、排放物指标(因煤种不同而有所区别)等综合因素决定的，通过调节流经布风板的一次风量和直接进入炉膛的二次风量之比来维持床温，同时注意控制给煤量，保证温度在850-925℃，使其处于最佳燃烧状态，并有利于炉内石灰石脱硫。床温过高或过低将造成锅炉结焦灭火。影响床温的因素主要有煤种、给煤量、一/二次风量、返料量及冷灰循环。在循环倍率一定时，主要与煤量和风量有关，其中一次风量起主要作用。　　　　以一台480t/h容量的东锅锅炉为例，它设置了2层床温测点，下层24个测点，上层24个测点，左右侧分为四列三排。它们均在二次风口以下，密相区之内，每层测点沿炉膛前中后三排均匀、对称布置，每层测点的输出送入平均值计算回路，以计算床温平均值。同时各测点均进入DCS显示。当有点与平均温度相差150度时，判断此为坏点。　　　　2.2床压　　　　床压是料层高度的反映。运行中通常通过调整排渣量的多少控制床压的高低。床料多、床压高，对于稳定燃烧、减小短时间断煤波动的影响、减少排渣可燃物含量有利；但同时床压高会增大一次风压头，电耗增加，同时也大大增加了启动点火阶段加热床料的时间，降低运行经济性。床料薄、床压低，易造成布风不均匀，引起结焦。　　　　床压一般是指密相区的床压，床压测孔一般布置在距布风板上端面250mm处，左侧3个，右侧3个，将3个压力测量值通过3取中逻辑判断后送至显示及报警回路；3者取平均值作为床压调节系统的反馈信号。控制床压的方法，通过控制排渣系统来维持炉膛床压恒定，也即确保炉内的灰平衡和床料构成。　　　　2.3风量　　　　循环流化床锅炉的运行基于流态化的高温物料悬浮燃烧。燃烧风量是运行人员调整燃烧的的重要依据，其测量的准确性直接影响到锅炉的经济安全运行。在机组安装完成后，调试运行前，应当对一、二次风机性能进行测定，并对风量的标定，主要是鉴定风机的出口风量、风压能否达到设计要求，能否满足燃烧需要，并且校正测量装置的准确性。有效的测量风量，有利于一二次风比例的调整，能改善炉内风、煤、灰的混合程度，达到最佳的燃料、供风混合方式。　　　　2.4点火风道温度　　　　由于CFB锅炉的炉膛密相区和旋风分离器等多个部位设有较厚的耐磨耐火材料，因此，在启动过程中必须严格控制加热升温速度，以防止这些非金属材料因受热不均而爆裂脱落。这就要求CFB锅炉的启动燃烧器设计既要位置合理又要有较宽的调节比，而且操作灵活，可控性高。　　　　CFB锅炉的启动燃烧器一般有3类，即布置在布风板上的床上启动燃烧器、床枪和布置在布风板下的热烟发生器。东锅早期设计的流化床采用床上加床下点火器，但后来的产品仅仅保存了床下燃烧器，床下燃烧器的风温是个重要的监测参数。　　　　在DG490/13.8-II2型锅炉，设计有风室温度和点火风道温度各二支，分为左右侧。在点火时，通过调整燃烧将床下油点火器出口烟气温度控制在980℃以下，且风室温度在870℃以下，在此期间，温升率建议不超过28/每20～30分钟。　　　　三、运行情况与改进措施　　　　由于CFB锅炉内进行固体燃料的循环燃烧，流动的物料极容易堵塞压力测点和测压管线，同时对测温元件产生强烈的磨蚀，用常规手段难以进行准确可靠的连续测量，床温和床压测量元件均采用耐热防磨及防堵措施使所测数据准确、可靠。而床温、床压等参数对保证CFB锅炉的安全经济运行至关重要，因此必须采用特殊的防堵、防磨测量手段。　　　　3.1床温测量的改进　　　　东锅的循环流化床炉膛床温元件通常是采用多点铠装热电偶，在布风板的前、中、后三个位置横向各安装8套铠装热电偶，每套热电偶由伸出布风板的距离为300mm，由耐磨保护套管保护；每套热电偶有双只铠装热电偶组成，一点测上床温，一点测下床温。热电偶安装方式为由前后墙平插入风室，经90°直角向上穿过并固定在布风板上的耐磨保护套管内。中间的测温元件从前墙插入。在机组启动调试期间，由于温度元件在风室内的部分太长，在一次风力作用下晃动太大，首批安装的24套热电偶全部损坏。经分析：床温元件在风室内的部分太长且不能很好固定，床温元件容易被风室内的高温风冲刷，造成损坏。后虽经过采取增加不锈钢保护套管、用耐磨浇筑料及钢丝网包裹、用耐火砖固定等方法进行处理，使床温元件的工作条件有所改善，但仍然没有从根本上解决问题。　　　　因此，在大修期间我们建议对床温元件进行改造，安装方式均为炉底直插向上穿过布风板方式，同时加装耐磨保护套管，在套管外侧再增加耐磨浇筑料。如图所示，这种方式不但能有效保护测温元件，而且能够实现温度元件的在线更换。　　3.2床压测量的改进　　　　在国内440t的流化床锅炉在运行过程中，床层差压，床层密度，床层压力等几个测点经常结焦。在最初的安装中，测点取样与炉壁成45度向上，加装风烟自动分离器。但是使用时间较长后，依然会堵塞。后经改进后，采用自动吹扫装置，向测孔引入一股恒压吹扫空气，通过调节取样管与吹扫管的距离，实现自动补偿，解决了既要取压防堵又要测量准确的问题。如图所示，通过前后调节吹扫管在取样装置锥口的位置，实现自动吹扫补偿。　　　　在吹扫口的吹扫气源上，特别且加装了调压稳压器，完全解决了电厂气源不稳的问题，确保了流量控制器的正常运行。　　　　3.3点火风道温度的改进　　　　在运行过程中，点火风道温度元件插入深度过长，被高温风吹刷，以致于保护管和热电偶同时损坏。经检查，热电偶保护管已穿过浇筑料80MM，测量的已不是壁温，而是烟温。后将热电偶保护管调整，露出浇筑料10-20MM，同时在测量元件对侧又加装一个测温点，构成A、B二点，即保证测量的灵敏度，又提高元件应用的可靠性，有利用缩短启动时间，为经济运行提供基础。　　　　3.4风量测量元件的改进　　　　风量对于流化床锅炉来说，无疑是一个重要参数，无论是设计还是调试、运行人员，都希望表计的读数能真实的反应实际的工状。一、二次风机性能的测定和风量的标定，主要是鉴定风机的出口风量、风压能否达到设计要求，能否满足燃烧需要，并且校正测量装置的准确性。在测量中应注意，虽然一般都采用标准的测风装置进行风量测量(目前最普遍的是采用机翼型测风装置)。　　　　但是在实际施工中，设计的安装在锅炉风道上的风量测量装置，往往由于锅炉风道截面大，直管段长度短，弯头多，按厂家要求管道直段不能满足测量，在加上装置加工误差等原因使流量系数偏离设计值，因此必须对其进行标定。由于流量与风温、差压、风压的关系较大，有的采用了三种取样元件分别测量其参数，造成测量装置折线系数公式相当繁琐，其故障自检能力也基本没有。因此当然，有必要采用先进的测量元件器可以减少测量误差。　　　　在实际应有中，我们选用了热式质量流量计，经过一年多的运行，相比于其它测量风量的元件相比，具有性能优良、可靠性高的特点。该产品基于热扩散技术，其典型传感元件包括两个热电阻，当这两个热电阻被置于流体中时，其中一个被加热，另一个用于感应过程温度。两个热电阻之间的温差与过程流速及过程介质的性质有关，保持该温差恒定，则电子单元加热热电阻的能量与质量流量成一定的比例，我们就能推算出风量。　　　　3.5给煤系统的改进　　　　在锅炉试运过程中出现最频繁的问题是煤仓堵煤，为保证正常运行，在煤仓开设人工捅煤孔，有一次断煤时，就地观察员工打开捅煤孔捅煤，破坏了给煤机的压力平衡，炉内烟气反窜到给煤机，造成一台给煤机皮带及其它部件烧损。给煤机厂家对此进行了改造，在给煤机进煤口安装了测温元件，信号送入DCS作为是否超温的判断条件，同时联锁快关阀。当炉内有热烟气反窜到给煤机时，通过温度信号使快关阀迅速关闭。原来的电接点双金属温度计作为给煤机就地控制柜的报警信号。　　　　通过调试，对电厂运行人员建议：六台给煤机尽量采用对称投运和两侧炉膛给煤量比