助熔劑對殼牌煤氣化合成氣中有效氣含量的影響研究

武占強

(河南能源化工集團鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

我國是一個富煤、貧氣、少油的國家，近些年，隨著煤炭資源利用技術的不斷革新，高效潔凈的煤炭利用技術成為社會關注的熱點。煤氣化作為現代煤化工先進技術，國內外都重點對此進行了深入的研究。現有煤氣化技術主要包括固定床型煤氣化、流化床型煤氣化、氣流床型煤氣化，就利用率、環保來說氣流床氣化無疑是其中的最優選擇，而Shell煤粉加壓氣化技術為當今世界上較為先進的高效、潔凈煤氣化技術之一。

Shell煤粉加壓氣化技術是采用氮氣或二氧化碳氣體輸送的方法，將煤粉通過加壓、流化然后送入氣化爐，與氧氣、蒸汽在氣化爐內反應，在短時間內迅速完成干燥、燃燒、熱解以及氣化等物理、化學變化，最終產出以一氧化碳、氫氣、二氧化碳為主的多種氣體混合物。這種技術擁有氧耗低、產量高、煤種適應率高、碳轉化率高等多種其他類型氣化技術所不具備的優點。Shell氣化爐雖然煤種的適應率廣，但不同煤種在Shell氣化爐內的反應狀況都不相同，煤氣化有效氣產率不同[1-3]。

根據四種煤的物性和殼牌氣化爐對灰熔點、硅鋁比、酸堿比的要求可知，單一煤種無法滿足殼牌氣化爐的運行要求，需進行摻配。本文選用比例1∶1和1∶3的趙固-小莊配煤、比例為3∶1和1∶1的趙固-神木配煤、比例為1∶3的鵲山-趙固配煤為入爐煤，考察助熔劑石灰石的添加量對煤氣化裝置合成氣中有效氣組分含量的影響，并討論了石灰石對有效氣組分含量作用機理分析。

1 試驗材料與方法

1.1 主要的試驗材料

表1 煤種的灰熔融特征溫度Table 1 ash fusion characteristic temperature of coal

本試驗以工業品石灰石做為助熔劑，選用小莊煤、鵲山煤、趙固煤、神木煤做為研究對象，各種原料煤的物性見表1和表2。

表2 四種煤灰的化學組成Table 2 Chemical composition of four coal ash

1.2 試驗方法

煤粉試燒程序如下：

(1)將四種煤按照選用的比例進行復配。

(2)將復配的煤和石灰石共同送至磨煤系統，并通風干燥，控制煤粉粒度在10～90 μm之間，外水含量降至1%～2%。

(3)將合格的煤粉送至煤粉倉。

(4)配置好的煤粉經過高壓的CO2加壓后輸送至Shell氣化爐內燃燒。

被譽為“高端家電潮流趨勢標桿”的紅頂獎由中國家用電器協會指導舉辦，近10年來以其公平性、專業性和權威性成為各大品牌競相角逐的年度大獎。所有入選產品都歷經消費者投票、媒體評審、專家評審及綜合評定的嚴苛流程，從技術先進性、外觀設計、節能環保、市場影響力和使用體驗等5個不同維度進行全面評審。此次惠而浦獲紅頂獎提名的兩款洗衣機產品：光芒洗衣機WG-F120881B和新睿洗衣機WG-F100887BHCIEP，從參評的39個品牌、共計200余款產品中脫穎而出，獲得近20萬消費者投票，再一次表明消費者和行業專家對惠而浦產品的認可和喜愛。

2 試驗結果與討論

煤氣化反應所處的高溫、高壓環境下，試驗數據的檢測收集難以實現，本試驗所用到的Shell氣化爐膛內的溫度高達1600℃以上，現有的監測設備難以承受如此的高溫，無法對氣化爐內的一系列化學反應及反應過程中各物質性狀的變化等等進行直觀有效的監測。針對此情況并結合工業化試燒采集幾處主要的氣化爐運行參數，通過這些參數來間接的研究判斷氣化爐內的化學燃燒反應情況，進一步細化研究助熔劑對合成氣中有效氣含量的影響。

殼牌氣化爐主要運行參數為：氣化爐膛副產蒸汽量(13FI0047)、有效氣CO含量、氧煤比、氣化爐膛底部排渣口溫度(13TI0037)、排渣口上下壓差(13PDI0065)、合成氣冷卻器進口溫度(13TI0019)、合成氣冷卻器出口溫度(13TI0018)、輸氣段水汽密度(13DI0040)，這些參數所在的氣化爐位置如圖1。

圖1 氣化爐及合成氣冷卻器運行控制流程圖

Fig.1 Gasification furnace and syngas cooleroperation control flow chart

2.1 助熔劑對有效氣組分的影響

H2和CO作為合成氣中的有效氣組分，H2的多少主要受限于煤粉中H元素的含量及固有的內水含量，跟煤種的產地及固有的原生、次生礦物種類有關，實際工業化生產中的各種調整對H2含量的影響微乎其微，故本文對有效氣含量的研究主要考察CO。

在不同配煤試燒所產合成氣中的有效氣CO含量，見表3及圖2。

根據表3和圖2分析可得，配煤均能滿足氣化爐基本運行要求，產出合格有效氣。雖然因為不同煤種的碳含量、揮發分、灰分等組分的不同，造成其不同配比產出的有效氣量不同，但5種配比都有一個基本的共同點，即隨著助熔劑投加量的增多，有效氣組分隨之增大。比例1∶1的趙固配神木配煤、石灰石添加5%的配比在入爐燃燒實驗時出現有效氣產量降低的現象。

其中有效氣產量最大的配煤工藝為趙固配神木比例為1∶1的配煤，石灰石添加量為4%。通過上述實驗能夠得到有效氣含量最佳的配煤及助熔劑添加量。

表3 有效氣CO含量Table 3 Effective gas CO content

圖2 石灰石添加量對有效氣CO含量的影響Fig.2 Effect of limestone addition on effective gas CO content

2.2 助熔劑對有效氣含量作用分析

在比例1∶1的趙固配神木配煤，添加不同比例的助熔劑石灰石，氣化爐氧負荷保持不變，進行入爐燃燒實驗的過程中觀察了各項氣化爐的運行參數并收集了相關主要數據，發現有效氣體含量的變化不僅與石灰石添加量有關，還與氣化爐膛副產蒸汽量(13FI0047)、氧煤比兩項參數呈一定的線性關系。收集的相關運行數據見表4和圖3，以此考察石灰石添加量對有效氣含量的影響及氣化爐運行參數相應的變化情況。

表4 石灰石添加量對煤氣化過程的影響Table 4 Effect of limestone addition on coal gasification process

圖3 石灰石添加量對氣化爐運行參數的影響Fig.3 Effect of limestone addition on operating parameters of gasifier

從表4和圖3可看出隨著助熔劑石灰石添加量的變化，煤的灰熔點、氧煤比、有效氣CO含量及爐膛副產蒸汽量(13FI0047)隨之發生改變。煤的灰熔點、氧煤比、爐膛副產蒸汽量(13FI0047)隨著石灰石添加量的變化三者變化趨勢相同；有效氣CO含量隨著石灰石添加量的變化與其余三者的變化趨勢相反。

分析上述氣化爐運行參數，進而判斷氣化爐內的燃燒反應狀況，考察研究助熔劑添加量變化對有效氣含量的影響。

隨著助熔劑石灰石添加量的變化，改變了煤灰的化學組成比例，在氣化爐內反應生成的各項化合物種類及比例隨之改變，進而改變了煤灰熔點。煤灰熔點改變，在實際生產中，為確保氣化爐液態排查及“以渣抗渣”的順利實現，氣化爐的操作溫度即產氣量也將隨著煤灰熔點的改變而改變，氣化爐在實際運行中爐膛的操作溫度是通過改變氧煤比來實現的。

氣化爐內氧氣和煤的主要熱化學反應為以下兩種：

C+O2=CO2ΔH=-393.5 kJ/mol (1)

2C+O2=CO ΔH=-110.5 kJ/mol (2)

在氣化爐氧負荷不變的情況下，改變氧氣量和煤量入爐燃燒的比例，將改變煤炭參與上述兩種反應的比重，即：煤量大，煤炭更多的參與反應(2)，放出的熱量少，氣化爐膛溫度隨之降低；煤量小，煤炭更多的參與反應(1)，放出的熱量多，氣化爐膛溫度隨之升高。所以，在灰熔點較低的情況下，所需操作溫度相對較低，不需要過多的反應熱，即可減小氧煤比，讓煤炭更多偏向于反應生成CO，從而增加了有效氣CO的總量。試驗中爐膛溫度的變化可通過爐膛副產蒸汽量(13FI0047)間接觀測到，驗證了氧煤比的調整對爐膛溫度的影響，此現象從圖3趨勢中可明顯看出。

從上述可知，在保證氣化爐穩定運行的前提下，適當增大助熔劑添加量，下調氧煤比，降低爐膛操作溫度，減少熱量的釋放，有利于提高有效氣總量，提高產品產量，提高企業經濟效益。

但助熔劑石灰石不宜添加過量。石灰石改變灰熔點的基本原理為石灰石分解后的CaO與煤中其他元素生成灰熔點更低的硅鋁酸鹽類低灰熔點共熔物，從而降低整個灰渣的灰熔點，但石灰石過量的情況下，使煤灰中CaO過量，CaO本身的熔點較高(2572℃)，故將導致煤灰熔點升高，降低有效氣產量。從實驗結果中可明顯看出此結果，所以石灰石不宜過量。本實驗中有效氣含量最高的石灰石添加量為4%[5-6]。

3 結論

(1)通過對小莊、鵲山、趙固、神木等四種煤互相摻配試燒，分析合成氣有效氣CO含量，得到最適合殼牌氣化爐的煤種為趙固∶神木為1∶1的配煤。

(2)通過研究改變石灰石添加量對趙固∶神木為1∶1的配煤燃燒所生成合成氣有效氣CO含量的影響，最佳的石灰石添加量為4%。

(3)本次殼牌煤氣化裝置試燒趙固∶神木為1∶1配煤、石灰石添加量4%，合成氣有效氣CO含量最高達到68.2%。