工藝條件對殼牌氣化爐出口參數的影響分析

曾健云

（廣發化學工業有限公司，山西 大同 037008）

0 引言

近年來，為提高煤炭資源的綜合利用效率，煤氣化技術取得較快發展，這種技術主要基于氣化爐加以實現，而在氣化爐這類設備中，殼牌氣化爐的應用比例相對較高[1-2]。在實際應用過程中，受到各種工藝條件參數的影響，殼牌氣化爐出口參數將出現較為顯著的變化。如何有效控制殼牌氣化爐出口參數，使之處于合理水平則是需要重點研究的一項內容。為此，應當從工藝條件著手，對此展開進一步探究。

1 項目概況

某煤化工企業主要應用殼牌氣化爐開展煤炭的CO2氣化反應工藝，為提升CO2氣化反應的效率和最終效果，技術人員擬采取措施對工藝條件進行優化。在本次研究的初始階段，為確保煤樣處于穩定狀態，最大程度上消除無關因素的干擾，技術人員首先自磨煤系統旋風分離器后部進行煤炭樣品的采集，共計采集12 d，并對相關參數進行分析[3]。分析結果顯示，本階段內入爐煤的煤質整體穩定，水分質量分數均控制在2%以下，無水無灰基揮發分質量分數在3%以內，煤灰熔融溫度在40 ℃范圍內波動，證明煤質未出現明顯改變。由此，研究人員決定通過改變相關工藝條件，分析工藝條件變化如何影響殼牌氣化爐出口參數。

2 實驗測試部分

2.1 煤樣制備

在本環節的實驗測試中，主要選取該企業長期應用的穩定煤種進行分析。經初步檢測得知，該煤樣中，酸性氧化物質量分數在70%左右，堿性氧化物含量相對較高，煤灰熔融溫度相對較低。至此，選取一定量的該種煤炭材料，進入磨煤機進行磨制，再將磨制的煤樣放入球磨機進行磨制。為探究工藝條件的變化，分別對該煤樣制備3 個粒度的樣品，各個級別粒度的中位數分別為60、40、20 μm，并利用BT-2003 型激光粒度分布儀進行粒度測定，根據測試結果，調整磨制時間并矯正煤樣粒度。

2.2 實驗測試環節

在實驗測試環節開始前，首先將不同粒度級別的煤樣放置在105 ℃恒溫干燥箱下，在氮氣氣氛保護下進行2 h 的恒溫干燥，而后將其放置于干燥器中冷卻，除去煤樣內部的水分，再將煤樣中埋入金屬細線接地，進行粉體內部的靜電消除。

在前處理環節完成后，由于氣化反應性能指標可直接關聯到氣化爐出口參數，因此首先對不同粒度煤樣的氣化反應性能進行分析，該分析部分應用STA 449F3 型同步熱分析儀進行分析測定，基本參數設置如表1。

表1 熱重分析基本參數

其次是對氧煤比條件的影響進行分析，在此環節的分析中，主要通過固定投煤量調節供氧量的方式進行測試，以調整氧煤比，對氣化爐的出口參數進行分析和測定。

3 測試結果與討論

3.1 不同粒度下的氣化反應特征參數分析

在本環節中，應用熱重分析方法，對3 種不同粒度的煤樣進行氣化反應特性參數分析，分析環節按照表1 中的參數進行，分析結果如表2 所示。

表2 3 種煤樣的CO2 氣化反應特性參數分析結果

從表2 中的數據可見，煤樣粒徑越小，起始反應及終止反應溫度也相應降低，碳轉化率也隨之提升。同時，從反應性指數來看，3 種煤樣均具有較高的反應活性。整體而言，為提高反應轉化率，降低粒度是較為可行的措施。

在此基礎上，考慮到上述指標參數尚難以準確描述氣化反應過程，因此對不同粒度級別的煤樣進行氣化反應動力學計算。在本環節的測試中，使用流量恒定的二氧化碳氣體作為氣化劑，且氣化反應在常壓下進行，因此基于這一條件，對煤樣反應活化能進行分析計算[4-5]。同時為便于比較，統一取反應900～1 200 ℃的數據進行計算，計算結果如表3 所示。

表3 煤樣反應活化能

從表3 中可知，在煤樣粒度降低后，其反應活化能也隨之降低，但在煤樣粒徑中位數由40 μm 降低至20 μm 的過程中，樣品的反應活化能降低不明顯，證明活化能降低的主要環節在粒度由60 μm 降低至40 μm 的過程中，該過程或將成為工藝條件優化的重要方向。

3.2 煤氧比因素的影響分析

為探究煤氧比因素對殼牌氣化爐運行質量的影響，在實驗過程中，按照“2.2”中的所述內容進行試驗。同時，考慮到爐溫對殼牌氣化爐出口參數的影響較為突出，而爐溫變化通常以甲烷含量變化予以表述，因此，應用煤氧比和甲烷含量兩項參數，選取一定時間內進行測量，測量結果如圖1 所示。

從圖1 中可見，在本次試驗期間，爐內氧煤比隨甲烷含量波動而出現波動，但整體呈現正相關。當甲烷含量較低時，氧煤比也相對較低，反之亦然。造成這一情況的主要原因是，技術人員會根據甲烷含量對氧煤比進行調整，避免爐溫出現波動，因此可初步推測，當甲烷出現波動時，合成氣的產量也將出現同步波動。針對這一情況，研究人員進一步分析合成氣產量與甲烷的關聯，分析結果如圖2 所示。

圖2 甲烷與合成氣產量的關系

從圖2 可見，當甲烷含量出現波動時，甲烷與合成氣產量呈現較為明顯的負相關，由此可推斷出，在適當降低氧煤比的情況下，合成氣的產量將有所提升，有助于改善殼牌氣化爐出口參數。但為了保持爐溫，氧煤比仍需要控制在一個相對合理的水平。

3.3 總結與討論

通過本環節的試驗研究可知，對于殼牌氣化爐而言，其工藝條件應當從以下兩方面予以考慮：一方面，針對入爐煤粒度參數，應當使之具有一個較為合適的范圍，建議控制中位粒徑在40 μm 左右，并控制小于40 μm 的粒徑占比在35%～45%，大于90 μm 的顆粒占比不超過20%，且粒徑不大于200 μm。另一方面，應當對氧煤比這一參數加強控制，為避免氧煤比出現較為明顯的波動，對氣化爐噴嘴流量進行控制則是一個切實可行的策略，而為了實現氣化爐噴嘴流量的有效控制，則關鍵在于提高煤種在指標參數上的穩定性。

4 結語

整體來看，在本次研究中，初步探究了入爐煤粒度和殼牌氣化爐運行時氧煤比兩項參數對殼牌氣化爐出口參數（主要分析合成氣產量）的影響。通過相關實驗測試后，對兩項參數的具體影響情況進行了初步的探究，預計本次研究結果能夠為后續的研究，以及殼牌氣化爐工藝條件參數等的優化提供路徑參考。當然在今后的工作中，仍需要引入信息技術和人工智能技術等進一步研究，以探尋更為有效的參數優化路徑。