粒度波動(dòng)對(duì)殼牌氣化爐氣化過程的影響分析

劉 智

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

當(dāng)前，殼牌氣化爐已成為多數(shù)煤化工企業(yè)所應(yīng)用的一類重要設(shè)備，而在其實(shí)際應(yīng)用過程中，氣化爐的運(yùn)行效果受到多種因素的影響，其中較為突出的影響因素則是煤樣的粒度，這也是煤質(zhì)分析中較為基本但頗具重要性的一類煤質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，煤樣的粒度波動(dòng)對(duì)粉煤的物理性質(zhì)影響較為顯著，進(jìn)而影響到殼牌氣化爐的運(yùn)行質(zhì)量。因此在實(shí)際工作中，需要對(duì)粒度波動(dòng)如何影響殼牌氣化爐氣化過程問題做進(jìn)一步深入探究。

1 樣品制備

為充分探究入爐煤粒度波動(dòng)如何影響殼牌氣化爐的氣化過程，本次選取某煤礦企業(yè)編號(hào)為SH 的煤樣作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研究。根據(jù)殼牌氣化爐入爐煤粒度基本在20～60 μm 范圍內(nèi)波動(dòng)的特點(diǎn)，按照如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：利用堆錐法對(duì)SH 煤炭材料進(jìn)行細(xì)分，以獲得代表性煤樣，而后依次使用磨煤機(jī)與球磨機(jī)對(duì)煤炭材料進(jìn)行磨制；在磨制完成后，使用BT-2003 型激光粒度分布儀，對(duì)磨制完成的煤炭材料進(jìn)行粒度測(cè)定，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果，選取三個(gè)粒度等級(jí)（三個(gè)等級(jí)的粒徑中位數(shù)分別為60、40、20 μm），以完成材料選??；將不同粒度級(jí)別的煤樣放置在105 ℃恒溫通氮干燥箱干燥2 h，然后放置于干燥器中冷卻，除去粉煤樣內(nèi)部的水份。最后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，以此得到用于煤樣氣化反應(yīng)特性的樣品，再將其用于氣化爐反應(yīng)[1-2]。

2 入爐煤樣的基礎(chǔ)分析

在基礎(chǔ)分析環(huán)節(jié)中，為確保煤質(zhì)穩(wěn)定性，研究人員首先對(duì)氣化爐運(yùn)行期間的入爐煤樣進(jìn)行分析，析煤樣采自磨煤系統(tǒng)旋風(fēng)分離器后部，進(jìn)入筒倉之前的管道。采集完成后，仍應(yīng)用BT-2003 型激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理后，得到入爐粉煤粒度變化，如圖1 所示。

圖1 入爐粉煤粒度變化

根據(jù)圖1 的數(shù)據(jù)變化可見，煤樣粒徑的中位數(shù)波動(dòng)趨勢(shì)與90 μm 以上的顆粒波動(dòng)趨勢(shì)基本保持一致，這表明大顆粒含量對(duì)于入爐煤樣粒徑中位數(shù)的影響因素相對(duì)更為突出。但整體而言，入爐煤粒徑的中位數(shù)在30～50 μm 范圍內(nèi)波動(dòng)，整體分布較為穩(wěn)定，其中5～40 μm 顆粒含量占比最高，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%。因此初步判斷煤樣符合入爐要求。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究粒度波動(dòng)如何影響入爐煤的二氧化碳?xì)饣磻?yīng)特性。在該環(huán)節(jié)中，選取中位數(shù)分別為52、46、30 μm 三個(gè)級(jí)別的煤樣進(jìn)行熱重反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如下：在天平室通入流量為40 mL/min 的二氧化碳?xì)怏w，設(shè)置初始溫度為40 ℃，并以每分鐘15 ℃的速率升溫至1 400 ℃，以此觀察不同煤樣的TG-DTG 曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同粒徑煤樣的TG-DTG 曲線圖

根據(jù)圖2 可知，當(dāng)煤樣粒徑降低后，由于其與熱空氣的接觸面積增大，因此較低的反應(yīng)溫度即可使得煤樣發(fā)生反應(yīng)，且反應(yīng)可在更低的溫度下終止。同時(shí)這也減少了未反應(yīng)碳的含量，提高了碳轉(zhuǎn)化率。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合圖2 中的曲線進(jìn)一步分析知，52、46、30 μm 三個(gè)級(jí)別的煤樣對(duì)應(yīng)的反應(yīng)性指數(shù)分別為6.84、6.99 和7.13，這表明三種煤樣均具有較高的反應(yīng)活性，但相對(duì)而言，粒徑較低的煤樣在反應(yīng)活性方面也更具優(yōu)勢(shì)。綜合上述已知數(shù)據(jù)信息推斷后確定，粒度的降低不僅能顯著提高反應(yīng)速率加快反應(yīng)歷程，而且能夠提高轉(zhuǎn)化率，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)當(dāng)盡量降低煤炭材料的粒徑[3]。

3 入爐煤粒度波動(dòng)對(duì)殼牌氣化爐氣化過程的主要影響

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)后綜合判斷，氣化爐氣化過程的兩個(gè)主要評(píng)估指標(biāo)分別為“比氧耗”和“比煤耗”，對(duì)于上述兩項(xiàng)指標(biāo)而言，其波動(dòng)情況越突出，則證明殼牌氣化爐的氣化過程質(zhì)量越低，也就越需要進(jìn)行操作上的調(diào)整。據(jù)此，首先對(duì)上述兩項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取和匯總，得到結(jié)果如圖3 所示。

圖3 殼牌氣化爐比煤耗與比氧耗變化情況

根據(jù)圖3 中的變化趨勢(shì)線可知，在分析時(shí)間內(nèi)，比煤耗與比氧耗兩項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)出較為顯著的波動(dòng)。針對(duì)這一問題，進(jìn)一步結(jié)合此時(shí)間段內(nèi)的入爐煤基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果顯示，入爐煤的工業(yè)分析、灰熔點(diǎn)、礦物組成均不隨磨制煤樣粒度的改變而發(fā)生較大的變化，保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；同時(shí)，入爐煤的流動(dòng)性能非常接近，松裝密度和振實(shí)密度隨粒徑的降低而有所降低。因此推測(cè)造成比煤耗與比氧耗兩項(xiàng)指標(biāo)波動(dòng)的主要原因是，在實(shí)際生產(chǎn)的過程當(dāng)中，粒度的波動(dòng)導(dǎo)致堆積密度（松裝密度）的波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)進(jìn)煤量的改變，影響到氣化爐內(nèi)氧煤比的變化，最終造成波動(dòng)影響[4]。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步分析氧煤比波動(dòng)因素，通過單因素實(shí)驗(yàn)判斷氧煤比波動(dòng)因素是否直接來源于粒度波動(dòng)。就此，調(diào)出與噴嘴流量同一時(shí)間內(nèi)爐內(nèi)氧煤體積比的變化，并與粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 入爐煤粒度與氧煤比的數(shù)據(jù)對(duì)比圖

根據(jù)圖4 可見，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，殼牌氣化爐中的氧煤比指標(biāo)隨著入爐煤粒度指標(biāo)的波動(dòng)而波動(dòng)，且二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即氧煤體積比隨著粒度的減小而增加。初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，當(dāng)粒度較低時(shí)，煤樣的堆積密度較低，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)煤量較少，而氣化爐在運(yùn)行過程當(dāng)中，空壓機(jī)的制氧量始終保持不變，所以，當(dāng)粒度波動(dòng)時(shí)，氣化爐內(nèi)氧煤體積比發(fā)生了同步波動(dòng)。這也充分印證了上文中的推斷。

由于氧煤體積比是氣化爐中的重要指標(biāo)，其在數(shù)值上的變化可能引起爐內(nèi)溫度的較大波動(dòng)，不僅會(huì)影響氣化爐內(nèi)正常的掛渣情況，而且也極易對(duì)爐內(nèi)的氣化效率產(chǎn)生影響。對(duì)此，針對(duì)這一問題，收集氧煤體積比、甲烷產(chǎn)量、合成氣產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，使用SPSS 對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探究氧煤體積比指標(biāo)如何影響甲烷產(chǎn)量與合成氣產(chǎn)量，得到分析結(jié)果如表1 所示。

表1 變量相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)表1 中的分析結(jié)果可知，氧煤體積比指標(biāo)與合成氣產(chǎn)量之間的顯著性相對(duì)較為突出，這種關(guān)聯(lián)性能夠從數(shù)據(jù)上證明粒度波動(dòng)對(duì)殼牌氣化爐合成氣產(chǎn)量存在顯著影響。對(duì)此，進(jìn)一步分析粒度波動(dòng)與合成氣產(chǎn)量之間的關(guān)系，分析結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可知，在不同粒度下，合成氣產(chǎn)量的波動(dòng)也較為突出，證明了粒度波動(dòng)對(duì)合成氣產(chǎn)量指標(biāo)的顯著影響。當(dāng)然這種影響的非線性特點(diǎn)較為突出，在粒度處于較低水平時(shí)并不能取得較高的合成氣產(chǎn)量，初步推斷，其主要原因是，當(dāng)粒度較低時(shí)，氣化爐噴嘴流量較低，氣化爐缺乏足夠反應(yīng)原料[5]。因此，為提升合成氣產(chǎn)量，則需要將粒度保持在適中水平，通常維持在40～50 μm 區(qū)間較為合理。

圖5 粒度波動(dòng)與合成氣產(chǎn)量之間的關(guān)系

4 結(jié)語

在本次研究工作中，通過結(jié)合殼牌氣化爐的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和入爐煤樣的基本性質(zhì)，探究了粒度波動(dòng)對(duì)殼牌氣化爐氣化過程的影響。研究結(jié)果顯示，粒度波動(dòng)會(huì)對(duì)多個(gè)因素指標(biāo)產(chǎn)生影響，其中包括入爐氧煤比的波動(dòng)，進(jìn)而引起比煤耗和氧耗的波動(dòng)，從而對(duì)氣化過程的最終效果產(chǎn)生影響。為避免這些問題，控制粒度波動(dòng)并將粒度指標(biāo)保持在適當(dāng)?shù)乃绞欠浅１匾摹ｎA(yù)計(jì)通過上述措施，可以提高氣化過程的穩(wěn)定性和效率。