粒度波动对壳牌气化炉气化过程的影响

张皓然

（广发化学工业有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

近年来，为提高煤炭资源的综合利用效率，煤气化技术取得较快发展，这种技术主要基于气化炉加以实现，而在气化炉这类设备中，壳牌气化炉的应用比例相对较高。在实际应用过程中，受到煤炭在粒度上的差异，气化炉的最终应用效果也受到一定的影响，如何降低气化炉气化过程受到的粒度上的负面影响就成为重点关注的一项内容。为此，本次研究将以粒度波动为变量，对其如何影响壳牌气化炉气化过程作进一步探究[1]。

1 基础分析部分

某煤化工企业主要应用壳牌气化炉开展煤炭的CO2气化反应工艺，为提升CO2气化反应的效率和最终效果，技术人员拟采取措施，对煤炭的粒度进行控制。在此基础上，为探究煤炭的合适粒度范围，经过研究后决定，探究粒度对壳牌气化炉气化过程的影响。

在研究初始阶段，为确定入炉煤样的煤质处于稳定状态，技术人员首先自磨煤系统旋风分离器后部进行煤炭样品的采集，共计采集12 d，并对相关参数进行分析。分析结果显示，本阶段内入炉煤的煤质整体稳定，水分质量分数均控制在2%以下，无水无灰基挥发分在3%以内，煤灰熔融温度在40 ℃范围内波动，证明煤质未出现明显改变[2-3]。

在此基础上，研究人员进一步分析入炉煤炭样品的粒度分布，分析结果显示，入炉煤粒径的中位数在30～50 μm 范围内波动，整体分布较为稳定，其中，5～40 μm 颗粒占比最高，占比约为45%，其次是40～60 μm 和60～90 μm 之间的颗粒，占比约为25%。但大于90 μm 的颗粒存在较明显的波动，其波动范围位于13%～30%内，但整体波动趋势与颗粒波动趋势基本保持一致[4-5]。

为探究粒度波动可能对煤炭矿物组成的影响，本次选取该企业在8 月27 日、8 月31 日和9 月3 日的留存煤样进行分析，这3 个工作日内的煤样分别为30、52、46 μm，利用缓慢灰化法对其进行制样，并对制成的样品进行XRD 分析，分析结果如图1 所示。

图1 3 种不同粒径的留存煤样的XRD 图

从图1 可见，3 种煤样的发射峰处于高度一致的状态，证明粒径变化对矿物组成的影响并不显著。

另一方面，基于已有的研究结果，选取以上3 个煤样，对其CO2气化反应特性进行探究，探究结果如表1 所示。

表1 3 种煤样的CO2 气化反应特性参数分析结果

从表1 中的数据可见，煤样粒径越低，起始反应及终止反应温度也相应降低，碳转化率也随之提升。同时，从反应性指数来看，3 种煤样均具有较高的反应活性。整体而言，为提高反应转化率，降低粒度是最为可行的措施。

2 合成气中甲烷含量对气化炉内温度的影响

根据以往的研究经验可知，气化炉温度是决定其运行质量的关键因素，但由于气化炉内温度过高，因此通常采用合成气组成成分和经验方程分析的方式判断温度变化情况。因此，在本次研究中，应用甲烷含量的变化进行分析，在气化炉内，甲烷化过程主要指一氧化碳与氢气在催化条件下反应生成甲烷和水，结合化学平衡理论可知，炉温与甲烷含量呈负相关，即炉温升高时，甲烷含量将降低。就此，选择2022 年3—5 月的工况数据进行研究，研究结果如表2 所示。

表2 工况数据显著性检测结果

从表2 中可见，在本年度5 月的数据中，甲烷含量与顶部温度呈现正相关，与客观规律相悖，这表明此时间段内存在其他较为突出的影响因素，考虑到矿物组成和煤质等方面不存在差异，因此确定该影响因素为粒度波动变化，据此，采用5 月的工况数据，对粒度波动影响做进一步研究。

3 粒度波动对壳牌气化炉气化过程的影响探究

根据以往经验可知，气化炉工作的两个重要指标分别为“比氧耗”和“比煤耗”，如果以上两项指标存在剧烈波动，则证明操作上仍需要进行调整。通过调出数据后发现，该时间段内，两项指标的波动均较为明显（图2）。

图2 气化炉比氧耗和比煤耗波动情况

据此分析后推测，造成这种波动的主要原因是，由于煤炭在粒度上的波动，导致堆积密度存在较为突出的变化，造成进煤量的变化，最终影响到气化炉内氧煤比的变化而使得指标存在波动。而氧煤比是气化炉运行过程中的重要指标，因此，研究人员进一步分析氧煤比对炉温的影响，本次采用甲烷含量进行对比分析，明确各变量之间的相关性，分析结果如表3 所示。

表3 各变量之间的相关性分析

从表3 中的数据可见，喷嘴流量与氧煤比、甲烷含量与合成气产量之间呈现出较为明显的负相关性，证明两个要素之间的相关性较高。同时，氧煤比与甲烷之间的正相关性较为突出，这些因素都从数据上证明了粒度波动对合成气产量的影响较为突出。

在此基础上，对粒度波动与合成气产量之间的关系进行整合分析，分析结果如图3 所示。

图3 粒度波动与合成气产量之间的关系图

从图3 上可见，在不同粒度下，合成气产量的波动也较为突出，最大值与最小值之差接近30 000 m3，由此可知，粒度的轻微波动即可能影响气化炉的运行状态。与此同时，结合本次采集数据也可获知，煤炭样品粒径对气化过程影响是非线性的，粒度处于中位时，其合成气含量相对更高，初步推断，导致这种情况的主要原因是，当粒度较低时，气化炉喷嘴流量较低，气化炉缺乏足够反应原料；而当粒度较高时，材料的比表面积较低，反应效果相对降低。由此可知，对于壳牌气化炉而言，将粒度指标确定在40～50 μm 区间或将成为一个较为合理的举措。

4 结语

整体来看，在本次研究中，结合壳牌气化炉的实际运行参数，以及入炉煤样的基本性质，对粒度波动如何影响壳牌气化炉气化过程进行了初步的探究。探究结果表明，粒度波动所影响到的因素指标相对较多，会导致入炉氧煤比发生波动，最终造成比煤耗比氧耗的波动，进而影响气化过程的最终效果，为避免上述问题，控制粒度波动，并将粒度指标维持在居中水平则较有必要。