粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的影響

張皓然

（廣發化學工業有限公司，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。在實際應用過程中，受到煤炭在粒度上的差異，氣化爐的最終應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注的一項內容。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 基礎分析部分

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，對煤炭的粒度進行控制。在此基礎上，為探究煤炭的合適粒度范圍，經過研究后決定，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處于穩定狀態，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。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[2-3]。

在此基礎上，研究人員進一步分析入爐煤炭樣品的粒度分布，分析結果顯示，入爐煤粒徑的中位數在30～50 μm 范圍內波動，整體分布較為穩定，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，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 種煤樣的發射峰處于高度一致的狀態，證明粒徑變化對礦物組成的影響并不顯著。

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

表1 3 種煤樣的CO2 氣化反應特性參數分析結果

從表1 中的數據可見，煤樣粒徑越低，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，降低粒度是最為可行的措施。

2 合成氣中甲烷含量對氣化爐內溫度的影響

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

表2 工況數據顯著性檢測結果

從表2 中可見，在本年度5 月的數據中，甲烷含量與頂部溫度呈現正相關，與客觀規律相悖，這表明此時間段內存在其他較為突出的影響因素，考慮到礦物組成和煤質等方面不存在差異，因此確定該影響因素為粒度波動變化，據此，采用5 月的工況數據，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

根據以往經驗可知，氣化爐工作的兩個重要指標分別為“比氧耗”和“比煤耗”，如果以上兩項指標存在劇烈波動，則證明操作上仍需要進行調整。通過調出數據后發現，該時間段內，兩項指標的波動均較為明顯（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氧煤比的變化而使得指標存在波動。而氧煤比是氣化爐運行過程中的重要指標，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性，分析結果如表3 所示。

表3 各變量之間的相關性分析

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

在此基礎上，對粒度波動與合成氣產量之間的關系進行整合分析，分析結果如圖3 所示。

圖3 粒度波動與合成氣產量之間的關系圖

從圖3 上可見，在不同粒度下，合成氣產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。與此同時，結合本次采集數據也可獲知，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，導致這種情況的主要原因是，當粒度較低時，氣化爐噴嘴流量較低，氣化爐缺乏足夠反應原料；而當粒度較高時，材料的比表面積較低，反應效果相對降低。由此可知，對于殼牌氣化爐而言，將粒度指標確定在40～50 μm 區間或將成為一個較為合理的舉措。

4 結語

整體來看，在本次研究中，結合殼牌氣化爐的實際運行參數，以及入爐煤樣的基本性質，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。探究結果表明，粒度波動所影響到的因素指標相對較多，會導致入爐氧煤比發生波動，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，并將粒度指標維持在居中水平則較有必要。