粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的影響

張皓然

（廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

近年來，為提高煤炭資源的綜合利用效率，煤氣化技術(shù)取得較快發(fā)展，這種技術(shù)主要基于氣化爐加以實現(xiàn)，而在氣化爐這類設(shè)備中，殼牌氣化爐的應(yīng)用比例相對較高。在實際應(yīng)用過程中，受到煤炭在粒度上的差異，氣化爐的最終應(yīng)用效果也受到一定的影響，如何降低氣化爐氣化過程受到的粒度上的負面影響就成為重點關(guān)注的一項內(nèi)容。為此，本次研究將以粒度波動為變量，對其如何影響殼牌氣化爐氣化過程作進一步探究[1]。

1 基礎(chǔ)分析部分

某煤化工企業(yè)主要應(yīng)用殼牌氣化爐開展煤炭的CO2氣化反應(yīng)工藝，為提升CO2氣化反應(yīng)的效率和最終效果，技術(shù)人員擬采取措施，對煤炭的粒度進行控制。在此基礎(chǔ)上，為探究煤炭的合適粒度范圍，經(jīng)過研究后決定，探究粒度對殼牌氣化爐氣化過程的影響。

在研究初始階段，為確定入爐煤樣的煤質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，技術(shù)人員首先自磨煤系統(tǒng)旋風(fēng)分離器后部進行煤炭樣品的采集，共計采集12 d，并對相關(guān)參數(shù)進行分析。分析結(jié)果顯示，本階段內(nèi)入爐煤的煤質(zhì)整體穩(wěn)定，水分質(zhì)量分數(shù)均控制在2%以下，無水無灰基揮發(fā)分在3%以內(nèi)，煤灰熔融溫度在40 ℃范圍內(nèi)波動，證明煤質(zhì)未出現(xiàn)明顯改變[2-3]。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進一步分析入爐煤炭樣品的粒度分布，分析結(jié)果顯示，入爐煤粒徑的中位數(shù)在30～50 μm 范圍內(nèi)波動，整體分布較為穩(wěn)定，其中，5～40 μm 顆粒占比最高，占比約為45%，其次是40～60 μm 和60～90 μm 之間的顆粒，占比約為25%。但大于90 μm 的顆粒存在較明顯的波動，其波動范圍位于13%～30%內(nèi)，但整體波動趨勢與顆粒波動趨勢基本保持一致[4-5]。

為探究粒度波動可能對煤炭礦物組成的影響，本次選取該企業(yè)在8 月27 日、8 月31 日和9 月3 日的留存煤樣進行分析，這3 個工作日內(nèi)的煤樣分別為30、52、46 μm，利用緩慢灰化法對其進行制樣，并對制成的樣品進行XRD 分析，分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 3 種不同粒徑的留存煤樣的XRD 圖

從圖1 可見，3 種煤樣的發(fā)射峰處于高度一致的狀態(tài)，證明粒徑變化對礦物組成的影響并不顯著。

另一方面，基于已有的研究結(jié)果，選取以上3 個煤樣，對其CO2氣化反應(yīng)特性進行探究，探究結(jié)果如表1 所示。

表1 3 種煤樣的CO2 氣化反應(yīng)特性參數(shù)分析結(jié)果

從表1 中的數(shù)據(jù)可見，煤樣粒徑越低，起始反應(yīng)及終止反應(yīng)溫度也相應(yīng)降低，碳轉(zhuǎn)化率也隨之提升。同時，從反應(yīng)性指數(shù)來看，3 種煤樣均具有較高的反應(yīng)活性。整體而言，為提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，降低粒度是最為可行的措施。

2 合成氣中甲烷含量對氣化爐內(nèi)溫度的影響

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗可知，氣化爐溫度是決定其運行質(zhì)量的關(guān)鍵因素，但由于氣化爐內(nèi)溫度過高，因此通常采用合成氣組成成分和經(jīng)驗方程分析的方式判斷溫度變化情況。因此，在本次研究中，應(yīng)用甲烷含量的變化進行分析，在氣化爐內(nèi)，甲烷化過程主要指一氧化碳與氫氣在催化條件下反應(yīng)生成甲烷和水，結(jié)合化學(xué)平衡理論可知，爐溫與甲烷含量呈負相關(guān)，即爐溫升高時，甲烷含量將降低。就此，選擇2022 年3—5 月的工況數(shù)據(jù)進行研究，研究結(jié)果如表2 所示。

表2 工況數(shù)據(jù)顯著性檢測結(jié)果

從表2 中可見，在本年度5 月的數(shù)據(jù)中，甲烷含量與頂部溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，與客觀規(guī)律相悖，這表明此時間段內(nèi)存在其他較為突出的影響因素，考慮到礦物組成和煤質(zhì)等方面不存在差異，因此確定該影響因素為粒度波動變化，據(jù)此，采用5 月的工況數(shù)據(jù)，對粒度波動影響做進一步研究。

3 粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的影響探究

根據(jù)以往經(jīng)驗可知，氣化爐工作的兩個重要指標(biāo)分別為“比氧耗”和“比煤耗”，如果以上兩項指標(biāo)存在劇烈波動，則證明操作上仍需要進行調(diào)整。通過調(diào)出數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，該時間段內(nèi)，兩項指標(biāo)的波動均較為明顯（圖2）。

圖2 氣化爐比氧耗和比煤耗波動情況

據(jù)此分析后推測，造成這種波動的主要原因是，由于煤炭在粒度上的波動，導(dǎo)致堆積密度存在較為突出的變化，造成進煤量的變化，最終影響到氣化爐內(nèi)氧煤比的變化而使得指標(biāo)存在波動。而氧煤比是氣化爐運行過程中的重要指標(biāo)，因此，研究人員進一步分析氧煤比對爐溫的影響，本次采用甲烷含量進行對比分析，明確各變量之間的相關(guān)性，分析結(jié)果如表3 所示。

表3 各變量之間的相關(guān)性分析

從表3 中的數(shù)據(jù)可見，噴嘴流量與氧煤比、甲烷含量與合成氣產(chǎn)量之間呈現(xiàn)出較為明顯的負相關(guān)性，證明兩個要素之間的相關(guān)性較高。同時，氧煤比與甲烷之間的正相關(guān)性較為突出，這些因素都從數(shù)據(jù)上證明了粒度波動對合成氣產(chǎn)量的影響較為突出。

在此基礎(chǔ)上，對粒度波動與合成氣產(chǎn)量之間的關(guān)系進行整合分析，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 粒度波動與合成氣產(chǎn)量之間的關(guān)系圖

從圖3 上可見，在不同粒度下，合成氣產(chǎn)量的波動也較為突出，最大值與最小值之差接近30 000 m3，由此可知，粒度的輕微波動即可能影響氣化爐的運行狀態(tài)。與此同時，結(jié)合本次采集數(shù)據(jù)也可獲知，煤炭樣品粒徑對氣化過程影響是非線性的，粒度處于中位時，其合成氣含量相對更高，初步推斷，導(dǎo)致這種情況的主要原因是，當(dāng)粒度較低時，氣化爐噴嘴流量較低，氣化爐缺乏足夠反應(yīng)原料；而當(dāng)粒度較高時，材料的比表面積較低，反應(yīng)效果相對降低。由此可知，對于殼牌氣化爐而言，將粒度指標(biāo)確定在40～50 μm 區(qū)間或?qū)⒊蔀橐粋€較為合理的舉措。

4 結(jié)語

整體來看，在本次研究中，結(jié)合殼牌氣化爐的實際運行參數(shù)，以及入爐煤樣的基本性質(zhì)，對粒度波動如何影響殼牌氣化爐氣化過程進行了初步的探究。探究結(jié)果表明，粒度波動所影響到的因素指標(biāo)相對較多，會導(dǎo)致入爐氧煤比發(fā)生波動，最終造成比煤耗比氧耗的波動，進而影響氣化過程的最終效果，為避免上述問題，控制粒度波動，并將粒度指標(biāo)維持在居中水平則較有必要。