工藝條件對(duì)殼牌氣化爐出口參數(shù)的影響分析

曾健云

（廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037008）

0 引言

近年來(lái)，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(shí)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(duì)較高[1-2]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受到各種工藝條件參數(shù)的影響，殼牌氣化爐出口參數(shù)將出現(xiàn)較為顯著的變化。如何有效控制殼牌氣化爐出口參數(shù)，使之處于合理水平則是需要重點(diǎn)研究的一項(xiàng)內(nèi)容。為此，應(yīng)當(dāng)從工藝條件著手，對(duì)此展開進(jìn)一步探究。

1 項(xiàng)目概況

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(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。在本次研究的初始階段，為確保煤樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大程度上消除無(wú)關(guān)因素的干擾，技術(shù)人員首先自磨煤系統(tǒng)旋風(fēng)分離器后部進(jìn)行煤炭樣品的采集，共計(jì)采集12 d，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析[3]。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?jǐn)?shù)均控制在2%以下，無(wú)水無(wú)灰基揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%以內(nèi)，煤灰熔融溫度在40 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，證明煤質(zhì)未出現(xiàn)明顯改變。由此，研究人員決定通過(guò)改變相關(guān)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(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分

2.1 煤樣制備

在本環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，主要選取該企業(yè)長(zhǎng)期應(yīng)用的穩(wěn)定煤種進(jìn)行分析。經(jīng)初步檢測(cè)得知，該煤樣中，酸性氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右，堿性氧化物含量相對(duì)較高，煤灰熔融溫度相對(duì)較低。至此，選取一定量的該種煤炭材料，進(jìn)入磨煤機(jī)進(jìn)行磨制，再將磨制的煤樣放入球磨機(jī)進(jìn)行磨制。為探究工藝條件的變化，分別對(duì)該煤樣制備3 個(gè)粒度的樣品，各個(gè)級(jí)別粒度的中位數(shù)分別為60、40、20 μm，并利用BT-2003 型激光粒度分布儀進(jìn)行粒度測(cè)定，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，調(diào)整磨制時(shí)間并矯正煤樣粒度。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)開始前，首先將不同粒度級(jí)別的煤樣放置在105 ℃恒溫干燥箱下，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)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(nèi)部的水分，再將煤樣中埋入金屬細(xì)線接地，進(jìn)行粉體內(nèi)部的靜電消除。

在前處理環(huán)節(jié)完成后，由于氣化反應(yīng)性能指標(biāo)可直接關(guān)聯(lián)到氣化爐出口參數(shù)，因此首先對(duì)不同粒度煤樣的氣化反應(yīng)性能進(jìn)行分析，該分析部分應(yīng)用STA 449F3 型同步熱分析儀進(jìn)行分析測(cè)定，基本參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 熱重分析基本參數(shù)

其次是對(duì)氧煤比條件的影響進(jìn)行分析，在此環(huán)節(jié)的分析中，主要通過(guò)固定投煤量調(diào)節(jié)供氧量的方式進(jìn)行測(cè)試，以調(diào)整氧煤比，對(duì)氣化爐的出口參數(shù)進(jìn)行分析和測(cè)定。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 不同粒度下的氣化反應(yīng)特征參數(shù)分析

在本環(huán)節(jié)中，應(yīng)用熱重分析方法，對(duì)3 種不同粒度的煤樣進(jìn)行氣化反應(yīng)特性參數(shù)分析，分析環(huán)節(jié)按照表1 中的參數(shù)進(jìn)行，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種煤樣的CO2 氣化反應(yīng)特性參數(shù)分析結(jié)果

從表2 中的數(shù)據(jù)可見，煤樣粒徑越小，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(shí)，從反應(yīng)性指數(shù)來(lái)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，降低粒度是較為可行的措施。

在此基礎(chǔ)上，考慮到上述指標(biāo)參數(shù)尚難以準(zhǔn)確描述氣化反應(yīng)過(guò)程，因此對(duì)不同粒度級(jí)別的煤樣進(jìn)行氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。在本環(huán)節(jié)的測(cè)試中，使用流量恒定的二氧化碳?xì)怏w作為氣化劑，且氣化反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，因此基于這一條件，對(duì)煤樣反應(yīng)活化能進(jìn)行分析計(jì)算[4-5]。同時(shí)為便于比較，統(tǒng)一取反應(yīng)900～1 200 ℃的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 煤樣反應(yīng)活化能

從表3 中可知，在煤樣粒度降低后，其反應(yīng)活化能也隨之降低，但在煤樣粒徑中位數(shù)由40 μm 降低至20 μm 的過(guò)程中，樣品的反應(yīng)活化能降低不明顯，證明活化能降低的主要環(huán)節(jié)在粒度由60 μm 降低至40 μm 的過(guò)程中，該過(guò)程或?qū)⒊蔀楣に嚄l件優(yōu)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(duì)殼牌氣化爐運(yùn)行質(zhì)量的影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照“2.2”中的所述內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，考慮到爐溫對(duì)殼牌氣化爐出口參數(shù)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(yīng)用煤氧比和甲烷含量?jī)身?xiàng)參數(shù)，選取一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 中可見，在本次試驗(yàn)期間，爐內(nèi)氧煤比隨甲烷含量波動(dòng)而出現(xiàn)波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)正相關(guān)。當(dāng)甲烷含量較低時(shí)，氧煤比也相對(duì)較低，反之亦然。造成這一情況的主要原因是，技術(shù)人員會(huì)根據(jù)甲烷含量對(duì)氧煤比進(jìn)行調(diào)整，避免爐溫出現(xiàn)波動(dòng)，因此可初步推測(cè)，當(dāng)甲烷出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，合成氣的產(chǎn)量也將出現(xiàn)同步波動(dòng)。針對(duì)這一情況，研究人員進(jìn)一步分析合成氣產(chǎn)量與甲烷的關(guān)聯(lián)，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 甲烷與合成氣產(chǎn)量的關(guān)系

從圖2 可見，當(dāng)甲烷含量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，甲烷與合成氣產(chǎn)量呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)，由此可推斷出，在適當(dāng)降低氧煤比的情況下，合成氣的產(chǎn)量將有所提升，有助于改善殼牌氣化爐出口參數(shù)。但為了保持爐溫，氧煤比仍需要控制在一個(gè)相對(duì)合理的水平。

3.3 總結(jié)與討論

通過(guò)本環(huán)節(jié)的試驗(yàn)研究可知，對(duì)于殼牌氣化爐而言，其工藝條件應(yīng)當(dāng)從以下兩方面予以考慮：一方面，針對(duì)入爐煤粒度參數(shù)，應(yīng)當(dāng)使之具有一個(gè)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(guò)20%，且粒徑不大于200 μm。另一方面，應(yīng)當(dāng)對(duì)氧煤比這一參數(shù)加強(qiáng)控制，為避免氧煤比出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，對(duì)氣化爐噴嘴流量進(jìn)行控制則是一個(gè)切實(shí)可行的策略，而為了實(shí)現(xiàn)氣化爐噴嘴流量的有效控制，則關(guān)鍵在于提高煤種在指標(biāo)參數(shù)上的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，在本次研究中，初步探究了入爐煤粒度和殼牌氣化爐運(yùn)行時(shí)氧煤比兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)殼牌氣化爐出口參數(shù)（主要分析合成氣產(chǎn)量）的影響。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，對(duì)兩項(xiàng)參數(shù)的具體影響情況進(jìn)行了初步的探究，預(yù)計(jì)本次研究結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)的研究，以及殼牌氣化爐工藝條件參數(shù)等的優(yōu)化提供路徑參考。當(dāng)然在今后的工作中，仍需要引入信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等進(jìn)一步研究，以探尋更為有效的參數(shù)優(yōu)化路徑。