助熔剂对壳牌煤气化合成气中有效气含量的影响研究

武占强

(河南能源化工集团鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458000)

我国是一个富煤、贫气、少油的国家，近些年，随着煤炭资源利用技术的不断革新，高效洁净的煤炭利用技术成为社会关注的热点。煤气化作为现代煤化工先进技术，国内外都重点对此进行了深入的研究。现有煤气化技术主要包括固定床型煤气化、流化床型煤气化、气流床型煤气化，就利用率、环保来说气流床气化无疑是其中的最优选择，而Shell煤粉加压气化技术为当今世界上较为先进的高效、洁净煤气化技术之一。

Shell煤粉加压气化技术是采用氮气或二氧化碳气体输送的方法，将煤粉通过加压、流化然后送入气化炉，与氧气、蒸汽在气化炉内反应，在短时间内迅速完成干燥、燃烧、热解以及气化等物理、化学变化，最终产出以一氧化碳、氢气、二氧化碳为主的多种气体混合物。这种技术拥有氧耗低、产量高、煤种适应率高、碳转化率高等多种其他类型气化技术所不具备的优点。Shell气化炉虽然煤种的适应率广，但不同煤种在Shell气化炉内的反应状况都不相同，煤气化有效气产率不同[1-3]。

根据四种煤的物性和壳牌气化炉对灰熔点、硅铝比、酸碱比的要求可知，单一煤种无法满足壳牌气化炉的运行要求，需进行掺配。本文选用比例1∶1和1∶3的赵固-小庄配煤、比例为3∶1和1∶1的赵固-神木配煤、比例为1∶3的鹊山-赵固配煤为入炉煤，考察助熔剂石灰石的添加量对煤气化装置合成气中有效气组分含量的影响，并讨论了石灰石对有效气组分含量作用机理分析。

1 试验材料与方法

1.1 主要的试验材料

表1 煤种的灰熔融特征温度Table 1 ash fusion characteristic temperature of coal

本试验以工业品石灰石做为助熔剂，选用小庄煤、鹊山煤、赵固煤、神木煤做为研究对象，各种原料煤的物性见表1和表2。

表2 四种煤灰的化学组成Table 2 Chemical composition of four coal ash

1.2 试验方法

煤粉试烧程序如下：

(1)将四种煤按照选用的比例进行复配。

(2)将复配的煤和石灰石共同送至磨煤系统，并通风干燥，控制煤粉粒度在10～90 μm之间，外水含量降至1%～2%。

(3)将合格的煤粉送至煤粉仓。

(4)配置好的煤粉经过高压的CO2加压后输送至Shell气化炉内燃烧。

被誉为“高端家电潮流趋势标杆”的红顶奖由中国家用电器协会指导举办，近10年来以其公平性、专业性和权威性成为各大品牌竞相角逐的年度大奖。所有入选产品都历经消费者投票、媒体评审、专家评审及综合评定的严苛流程，从技术先进性、外观设计、节能环保、市场影响力和使用体验等5个不同维度进行全面评审。此次惠而浦获红顶奖提名的两款洗衣机产品：光芒洗衣机WG-F120881B和新睿洗衣机WG-F100887BHCIEP，从参评的39个品牌、共计200余款产品中脱颖而出，获得近20万消费者投票，再一次表明消费者和行业专家对惠而浦产品的认可和喜爱。

2 试验结果与讨论

煤气化反应所处的高温、高压环境下，试验数据的检测收集难以实现，本试验所用到的Shell气化炉膛内的温度高达1600℃以上，现有的监测设备难以承受如此的高温，无法对气化炉内的一系列化学反应及反应过程中各物质性状的变化等等进行直观有效的监测。针对此情况并结合工业化试烧采集几处主要的气化炉运行参数，通过这些参数来间接的研究判断气化炉内的化学燃烧反应情况，进一步细化研究助熔剂对合成气中有效气含量的影响。

壳牌气化炉主要运行参数为：气化炉膛副产蒸汽量(13FI0047)、有效气CO含量、氧煤比、气化炉膛底部排渣口温度(13TI0037)、排渣口上下压差(13PDI0065)、合成气冷却器进口温度(13TI0019)、合成气冷却器出口温度(13TI0018)、输气段水汽密度(13DI0040)，这些参数所在的气化炉位置如图1。

图1 气化炉及合成气冷却器运行控制流程图

Fig.1 Gasification furnace and syngas cooleroperation control flow chart

2.1 助熔剂对有效气组分的影响

H2和CO作为合成气中的有效气组分，H2的多少主要受限于煤粉中H元素的含量及固有的内水含量，跟煤种的产地及固有的原生、次生矿物种类有关，实际工业化生产中的各种调整对H2含量的影响微乎其微，故本文对有效气含量的研究主要考察CO。

在不同配煤试烧所产合成气中的有效气CO含量，见表3及图2。

根据表3和图2分析可得，配煤均能满足气化炉基本运行要求，产出合格有效气。虽然因为不同煤种的碳含量、挥发分、灰分等组分的不同，造成其不同配比产出的有效气量不同，但5种配比都有一个基本的共同点，即随着助熔剂投加量的增多，有效气组分随之增大。比例1∶1的赵固配神木配煤、石灰石添加5%的配比在入炉燃烧实验时出现有效气产量降低的现象。

其中有效气产量最大的配煤工艺为赵固配神木比例为1∶1的配煤，石灰石添加量为4%。通过上述实验能够得到有效气含量最佳的配煤及助熔剂添加量。

表3 有效气CO含量Table 3 Effective gas CO content

图2 石灰石添加量对有效气CO含量的影响Fig.2 Effect of limestone addition on effective gas CO content

2.2 助熔剂对有效气含量作用分析

在比例1∶1的赵固配神木配煤，添加不同比例的助熔剂石灰石，气化炉氧负荷保持不变，进行入炉燃烧实验的过程中观察了各项气化炉的运行参数并收集了相关主要数据，发现有效气体含量的变化不仅与石灰石添加量有关，还与气化炉膛副产蒸汽量(13FI0047)、氧煤比两项参数呈一定的线性关系。收集的相关运行数据见表4和图3，以此考察石灰石添加量对有效气含量的影响及气化炉运行参数相应的变化情况。

表4 石灰石添加量对煤气化过程的影响Table 4 Effect of limestone addition on coal gasification process

图3 石灰石添加量对气化炉运行参数的影响Fig.3 Effect of limestone addition on operating parameters of gasifier

从表4和图3可看出随着助熔剂石灰石添加量的变化，煤的灰熔点、氧煤比、有效气CO含量及炉膛副产蒸汽量(13FI0047)随之发生改变。煤的灰熔点、氧煤比、炉膛副产蒸汽量(13FI0047)随着石灰石添加量的变化三者变化趋势相同；有效气CO含量随着石灰石添加量的变化与其余三者的变化趋势相反。

分析上述气化炉运行参数，进而判断气化炉内的燃烧反应状况，考察研究助熔剂添加量变化对有效气含量的影响。

随着助熔剂石灰石添加量的变化，改变了煤灰的化学组成比例，在气化炉内反应生成的各项化合物种类及比例随之改变，进而改变了煤灰熔点。煤灰熔点改变，在实际生产中，为确保气化炉液态排查及“以渣抗渣”的顺利实现，气化炉的操作温度即产气量也将随着煤灰熔点的改变而改变，气化炉在实际运行中炉膛的操作温度是通过改变氧煤比来实现的。

气化炉内氧气和煤的主要热化学反应为以下两种：

C+O2=CO2ΔH=-393.5 kJ/mol (1)

2C+O2=CO ΔH=-110.5 kJ/mol (2)

在气化炉氧负荷不变的情况下，改变氧气量和煤量入炉燃烧的比例，将改变煤炭参与上述两种反应的比重，即：煤量大，煤炭更多的参与反应(2)，放出的热量少，气化炉膛温度随之降低；煤量小，煤炭更多的参与反应(1)，放出的热量多，气化炉膛温度随之升高。所以，在灰熔点较低的情况下，所需操作温度相对较低，不需要过多的反应热，即可减小氧煤比，让煤炭更多偏向于反应生成CO，从而增加了有效气CO的总量。试验中炉膛温度的变化可通过炉膛副产蒸汽量(13FI0047)间接观测到，验证了氧煤比的调整对炉膛温度的影响，此现象从图3趋势中可明显看出。

从上述可知，在保证气化炉稳定运行的前提下，适当增大助熔剂添加量，下调氧煤比，降低炉膛操作温度，减少热量的释放，有利于提高有效气总量，提高产品产量，提高企业经济效益。

但助熔剂石灰石不宜添加过量。石灰石改变灰熔点的基本原理为石灰石分解后的CaO与煤中其他元素生成灰熔点更低的硅铝酸盐类低灰熔点共熔物，从而降低整个灰渣的灰熔点，但石灰石过量的情况下，使煤灰中CaO过量，CaO本身的熔点较高(2572℃)，故将导致煤灰熔点升高，降低有效气产量。从实验结果中可明显看出此结果，所以石灰石不宜过量。本实验中有效气含量最高的石灰石添加量为4%[5-6]。

3 结论

(1)通过对小庄、鹊山、赵固、神木等四种煤互相掺配试烧，分析合成气有效气CO含量，得到最适合壳牌气化炉的煤种为赵固∶神木为1∶1的配煤。

(2)通过研究改变石灰石添加量对赵固∶神木为1∶1的配煤燃烧所生成合成气有效气CO含量的影响，最佳的石灰石添加量为4%。

(3)本次壳牌煤气化装置试烧赵固∶神木为1∶1配煤、石灰石添加量4%，合成气有效气CO含量最高达到68.2%。