影響魯奇爐反應平衡計算的因素研究

馬云鵬（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司,內蒙古 赤峰 025350）

單純地就煤氣化工產業而言，我國已經成為世界上規模最大的煤質天然氣及可燃氣的國家。進入21世紀以后，隨著我國社會經濟的發展和人民生活水平的提高，對能源的需求也發生了變化，這種變化不僅體現在龐大的數量上，還體現在多樣化的形式上。魯奇爐是當今在煤化工產業中廣泛應用的裝置，在工業制氨、天然氣、煤氣等方面較為常見。

多元化的能源形式需求，在滿足社會大眾需求的同時，也帶來了聯合生產和對資源的更深一步應用，這對與我國的經濟能源發展形式而言是利好消息。

我國的能源分布形式是“煤炭多、石油少、燃氣缺”，在我國一次型消費能源中，煤炭占據了70%的比例。大量煤炭資源的使用會造成對環境的影響，水體污染、大氣污染等成為煤炭能源發展的主要障礙。

魯奇爐工藝的運用，可以將煤炭資源進行轉化，而魯奇工藝本身需要的煤種和煤質也是有要求的，這對我國這樣一個蘊含豐富種類煤炭資源的環境而言，更應該從工藝上提高，以適應更多的煤炭原材料生產。

1 魯奇爐工藝中反應平衡分析

魯奇爐是德國魯奇工程公司生產的煤氣化裝置，最早成形于19世紀30年代，進入我國是在上世紀70年代。從技術角度來說，魯奇爐的是經過對多種煤炭資源測試試驗后發明的煤氣化裝置，通過魯奇爐的氣化加工功能，拓寬了煤炭工業的發展范圍，豐富了煤炭工業產品類型。在最初采用燃燒值較低的褐煤進行實驗，并取得了成功，在十九世紀50年代到70年代，魯奇工程公司進行了一系列的改造，其中魯奇Ⅳ型汽化爐的技術已經相當成熟，目前在國內應用的魯奇爐設備大多是這一型號。

要保證魯奇爐工藝中反應平衡，可以從兩方面入手，一是物料平衡，二是熱平衡。

1.1 物料平衡作用

首先，物料平衡對魯奇爐工藝反應平衡的影響分析。物料平衡最簡單的是指在一定時間內，反應中的物料維持生產不變，通過新添物料改變爐內環境影響，產品或者物料的實際產量和用量以及損耗，維持在一個理論上的平衡區間。

平衡區間就證明這是一個允許偏差的存在的情況，事實上，魯奇爐工藝中最主要的上高端進料口和翻板，是在不斷填料過程中完成循環過程的。魯奇爐作為一個主體反應裝備，首先要做的是反應穩定，而物料平衡的方式是一種全負荷運轉方式，它在一定范圍內允許排渣過程和進料過程同時進行，但在實際操作中幾乎不操作。所以物料平衡更重要的是體現在連續不斷、質量保證和產量保證的煤氣化生產過程中的。物料平衡同時是循環流程化的基礎，這其中不包括液態和固態的形式。

1.2 熱平衡

熱平衡是更注重操作技術的一種確保反應平衡方式，是以爐內輸入熱量和輸出熱量關系維持的。和物料平衡相比，這種平衡掌控更加的科學，它不會去計算煤料的多少和灰渣的多少，而是以作用煤氣化過程的熱量損失來加以計算。

理論上說，熱量的輸出速度要小于熱量的輸入速度，在一定時間內維持整個爐內反應的平衡。熱平衡的損耗主要有爐內各部件的吸收傳到，以及熱輻射造成的失散，地面工質對熱量的吸收等。

無論是物料平衡還是熱平衡，都是作為反應平衡計算的一個區間設定，當然，不同的設備和生產工藝、目標產品對平衡計算的指標也是不同的。討論魯奇爐反應平衡計算是建立在連續生產、高負荷運轉的基礎上的，一般來說，現實中的魯奇爐主爐體的首次進料、點火驅動等需要的時間很漫長，需要消耗大量的人力，物力，財力，因此一旦運轉起來會在較長的一段時間內維持下去。

為了維護整個設備的穩定性，確保生產安全，無論是填料行為還是排渣行為，都應該建立在反應平衡計算的基礎上。之所以這么做，并不是單純地保證生產，還因為經過平衡計算的狀態下，是整個爐內溫度、壓力及其他指數最為穩定的時間段。

2 魯奇爐反應平衡計算的影響因素分析

2.1 煤料種類及品質因素

魯奇爐作為一種煤化工業常用的氣化設備，在發明初期，選擇了不同的煤種和煤質進行了測試，現有有褐煤、貧煤等二十多種煤種的數據得到了驗證，同一種煤種在預處理階段所表現出來的煤質，也會形成不同的反應現象。因此，要討論反應平衡計算的問題，首先要對預處理的煤種和煤質進行研究。

不同的煤種和煤質中，影響反應平衡的因素包括了灰分、揮發分、水分和固定碳四種主要因素，同時對于煤粉的粒度也有一些要求。

褐煤是最常見的魯奇爐反應煤料，在標準褐煤的四種因素下，粒度不同對反應平衡計算的影響也不同。一般而言，在粒度直徑為13毫米以下，容易造成反應不充分的表現，粒度之間的空隙較大，容易凝結，粘連在爐內壁，揮發現象不明顯；而在粒度直徑為50毫米以上的情況下，煤粉加壓煤氣化的過程需要更多的氣化劑來提高溫度，物料投入與產出相對較低。

2.2 溫度因素

魯奇工藝中溫度常量的最低值為65攝氏度，用來作用于點火驅動，四型最佳作業溫度為1280攝氏度。溫度影響的調節主要依靠汽氧調節，溫度在低于300攝氏度一下的情況下，魯奇爐反應處于起步狀態，達到1300攝氏度以上，原有的氣化反應速率就開始降低，因此整體的反應曲線是在300攝氏度到1300攝氏度之間（理想狀態）。從這個角度說，可以在這個區間內尋找最佳的反應平衡點，由于涉及不同的操作流程和預處理煤料及其他因素，溫度調節的最佳狀態也是以區間形式出現的；魯奇爐爐體內部的溫度切換也需要一定的系數指明，一旦換熱指數確定，爐膛截面和溫度、循環物料等內容就會得到分布要求，這本質上說是一種定性的手段。

2.3 壓力因素

壓力因素是影響魯奇爐反應平衡計算的物理因素，在已經運行穩定的魯奇爐設備中，內陸的壓力變化對不同部分的作用是不同的。從爐內上部一直到底部，壓力呈現出逐漸遞減的趨勢，同時對爐膛內的壓力值有一定的平衡要求。除掉煤氣化濃度自身產生的壓力范圍之外，中部的壓力變化是產生波動最大的部分。

壓力在0.5千帕到4千帕區間內，是理論上的最佳變化區域，以此從下向上，在正常情況下爐內只維持了中部的壓力平均分布。當魯奇爐在滿負荷運行的狀態下，會按照一定壓力分布的規律進行調整，主要的調整方式是底部泄氣閥。

3 結語

涉及到魯奇爐壓力平衡計算的內容，是對魯奇工藝的深層次研究，與一般的加壓氣化改進方式不同的是，這一研究對象主要針對的是長時間、連續性和滿負荷的運轉狀態進行的。在得到的分析結果方面體現出了定量的特征，通過定量來對工藝定性，可以較大程度上得到針對不同煤種、煤質和預處理效果的數據，便于長期研究開發。

隨著我國城鎮化發展，能源多樣化的需求市場也越來越大，尤其是針對煤氣、天然氣方面的需求更加往生，大型人造煤氣項目對魯奇工藝的需求非常往生，因此積極研究這一課題，對我國的經濟發展和化工產業有重要的實踐意義。

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