粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的影響分析

劉 智

（晉能控股煤業集團有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

當前，殼牌氣化爐已成為多數煤化工企業所應用的一類重要設備，而在其實際應用過程中，氣化爐的運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，這也是煤質分析中較為基本但頗具重要性的一類煤質數據。根據相關研究文獻可知，煤樣的粒度波動對粉煤的物理性質影響較為顯著，進而影響到殼牌氣化爐的運行質量。因此在實際工作中，需要對粒度波動如何影響殼牌氣化爐氣化過程問題做進一步深入探究。

1 樣品制備

為充分探究入爐煤粒度波動如何影響殼牌氣化爐的氣化過程，本次選取某煤礦企業編號為SH 的煤樣作為實驗材料進行研究。根據殼牌氣化爐入爐煤粒度基本在20～60 μm 范圍內波動的特點，按照如下步驟進行實驗：利用堆錐法對SH 煤炭材料進行細分，以獲得代表性煤樣，而后依次使用磨煤機與球磨機對煤炭材料進行磨制；在磨制完成后，使用BT-2003 型激光粒度分布儀，對磨制完成的煤炭材料進行粒度測定，并根據測定結果，選取三個粒度等級（三個等級的粒徑中位數分別為60、40、20 μm），以完成材料選??；將不同粒度級別的煤樣放置在105 ℃恒溫通氮干燥箱干燥2 h，然后放置于干燥器中冷卻，除去粉煤樣內部的水份。最后將煤樣中埋入金屬細線接地，進行粉體內部的靜電消除，以此得到用于煤樣氣化反應特性的樣品，再將其用于氣化爐反應[1-2]。

2 入爐煤樣的基礎分析

在基礎分析環節中，為確保煤質穩定性，研究人員首先對氣化爐運行期間的入爐煤樣進行分析，析煤樣采自磨煤系統旋風分離器后部，進入筒倉之前的管道。采集完成后，仍應用BT-2003 型激光粒度分布儀進行測定，對測定數據進行匯總整理后，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

根據圖1 的數據變化可見，煤樣粒徑的中位數波動趨勢與90 μm 以上的顆粒波動趨勢基本保持一致，這表明大顆粒含量對于入爐煤樣粒徑中位數的影響因素相對更為突出。但整體而言，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。

在此基礎上，進一步探究粒度波動如何影響入爐煤的二氧化碳氣化反應特性。在該環節中，選取中位數分別為52、46、30 μm 三個級別的煤樣進行熱重反應性實驗，實驗條件如下：在天平室通入流量為40 mL/min 的二氧化碳氣體，設置初始溫度為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，實驗結果如圖2 所示。

圖2 不同粒徑煤樣的TG-DTG 曲線圖

根據圖2 可知，當煤樣粒徑降低后，由于其與熱空氣的接觸面積增大，因此較低的反應溫度即可使得煤樣發生反應，且反應可在更低的溫度下終止。同時這也減少了未反應碳的含量，提高了碳轉化率。在此基礎上，結合圖2 中的曲線進一步分析知，52、46、30 μm 三個級別的煤樣對應的反應性指數分別為6.84、6.99 和7.13，這表明三種煤樣均具有較高的反應活性，但相對而言，粒徑較低的煤樣在反應活性方面也更具優勢。綜合上述已知數據信息推斷后確定，粒度的降低不僅能顯著提高反應速率加快反應歷程，而且能夠提高轉化率，因此在實際運行過程中，應當盡量降低煤炭材料的粒徑[3]。

3 入爐煤粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的主要影響

通過查閱相關文獻資料，并結合已有經驗后綜合判斷，氣化爐氣化過程的兩個主要評估指標分別為“比氧耗”和“比煤耗”，對于上述兩項指標而言，其波動情況越突出，則證明殼牌氣化爐的氣化過程質量越低，也就越需要進行操作上的調整。據此，首先對上述兩項指標的數據進行調取和匯總，得到結果如圖3 所示。

圖3 殼牌氣化爐比煤耗與比氧耗變化情況

根據圖3 中的變化趨勢線可知，在分析時間內，比煤耗與比氧耗兩項指標均呈現出較為顯著的波動。針對這一問題，進一步結合此時間段內的入爐煤基礎分析數據進行綜合分析，結果顯示，入爐煤的工業分析、灰熔點、礦物組成均不隨磨制煤樣粒度的改變而發生較大的變化，保持相對穩定的狀態；同時，入爐煤的流動性能非常接近，松裝密度和振實密度隨粒徑的降低而有所降低。因此推測造成比煤耗與比氧耗兩項指標波動的主要原因是，在實際生產的過程當中，粒度的波動導致堆積密度（松裝密度）的波動，進而引發進煤量的改變，影響到氣化爐內氧煤比的變化，最終造成波動影響[4]。

在此基礎上，研究人員進一步分析氧煤比波動因素，通過單因素實驗判斷氧煤比波動因素是否直接來源于粒度波動。就此，調出與噴嘴流量同一時間內爐內氧煤體積比的變化，并與粒度數據進行對比，得到分析結果如圖4 所示。

圖4 入爐煤粒度與氧煤比的數據對比圖

根據圖4 可見，在實驗周期內，殼牌氣化爐中的氧煤比指標隨著入爐煤粒度指標的波動而波動，且二者呈現負相關，即氧煤體積比隨著粒度的減小而增加。初步推斷，造成這種現象的主要原因是，當粒度較低時，煤樣的堆積密度較低，單位時間內進煤量較少，而氣化爐在運行過程當中，空壓機的制氧量始終保持不變，所以，當粒度波動時，氣化爐內氧煤體積比發生了同步波動。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，其在數值上的變化可能引起爐內溫度的較大波動，不僅會影響氣化爐內正常的掛渣情況，而且也極易對爐內的氣化效率產生影響。對此，針對這一問題，收集氧煤體積比、甲烷產量、合成氣產量等相關數據，使用SPSS 對各類數據進行分析，以探究氧煤體積比指標如何影響甲烷產量與合成氣產量，得到分析結果如表1 所示。

表1 變量相關性分析結果

根據表1 中的分析結果可知，氧煤體積比指標與合成氣產量之間的顯著性相對較為突出，這種關聯性能夠從數據上證明粒度波動對殼牌氣化爐合成氣產量存在顯著影響。對此，進一步分析粒度波動與合成氣產量之間的關系，分析結果如圖5 所示。

根據圖5 可知，在不同粒度下，合成氣產量的波動也較為突出，證明了粒度波動對合成氣產量指標的顯著影響。當然這種影響的非線性特點較為突出，在粒度處于較低水平時并不能取得較高的合成氣產量，初步推斷，其主要原因是，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[5]。因此，為提升合成氣產量，則需要將粒度保持在適中水平，通常維持在40～50 μm 區間較為合理。

圖5 粒度波動與合成氣產量之間的關系

4 結語

在本次研究工作中，通過結合殼牌氣化爐的實際運行參數和入爐煤樣的基本性質，探究了粒度波動對殼牌氣化爐氣化過程的影響。研究結果顯示，粒度波動會對多個因素指標產生影響，其中包括入爐氧煤比的波動，進而引起比煤耗和氧耗的波動，從而對氣化過程的最終效果產生影響。為避免這些問題，控制粒度波動并將粒度指標保持在適當的水平是非常必要的。預計通過上述措施，可以提高氣化過程的穩定性和效率。