粒度波动对壳牌气化炉气化过程的影响分析

刘 智

（晋能控股煤业集团有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

当前，壳牌气化炉已成为多数煤化工企业所应用的一类重要设备，而在其实际应用过程中，气化炉的运行效果受到多种因素的影响，其中较为突出的影响因素则是煤样的粒度，这也是煤质分析中较为基本但颇具重要性的一类煤质数据。根据相关研究文献可知，煤样的粒度波动对粉煤的物理性质影响较为显著，进而影响到壳牌气化炉的运行质量。因此在实际工作中，需要对粒度波动如何影响壳牌气化炉气化过程问题做进一步深入探究。

1 样品制备

为充分探究入炉煤粒度波动如何影响壳牌气化炉的气化过程，本次选取某煤矿企业编号为SH 的煤样作为实验材料进行研究。根据壳牌气化炉入炉煤粒度基本在20～60 μm 范围内波动的特点，按照如下步骤进行实验：利用堆锥法对SH 煤炭材料进行细分，以获得代表性煤样，而后依次使用磨煤机与球磨机对煤炭材料进行磨制；在磨制完成后，使用BT-2003 型激光粒度分布仪，对磨制完成的煤炭材料进行粒度测定，并根据测定结果，选取三个粒度等级（三个等级的粒径中位数分别为60、40、20 μm），以完成材料选取；将不同粒度级别的煤样放置在105 ℃恒温通氮干燥箱干燥2 h，然后放置于干燥器中冷却，除去粉煤样内部的水份。最后将煤样中埋入金属细线接地，进行粉体内部的静电消除，以此得到用于煤样气化反应特性的样品，再将其用于气化炉反应[1-2]。

2 入炉煤样的基础分析

在基础分析环节中，为确保煤质稳定性，研究人员首先对气化炉运行期间的入炉煤样进行分析，析煤样采自磨煤系统旋风分离器后部，进入筒仓之前的管道。采集完成后，仍应用BT-2003 型激光粒度分布仪进行测定，对测定数据进行汇总整理后，得到入炉粉煤粒度变化，如图1 所示。

图1 入炉粉煤粒度变化

根据图1 的数据变化可见，煤样粒径的中位数波动趋势与90 μm 以上的颗粒波动趋势基本保持一致，这表明大颗粒含量对于入炉煤样粒径中位数的影响因素相对更为突出。但整体而言，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 颗粒含量占比最高，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%。因此初步判断煤样符合入炉要求。

在此基础上，进一步探究粒度波动如何影响入炉煤的二氧化碳气化反应特性。在该环节中，选取中位数分别为52、46、30 μm 三个级别的煤样进行热重反应性实验，实验条件如下：在天平室通入流量为40 mL/min 的二氧化碳气体，设置初始温度为40 ℃，并以每分钟15 ℃的速率升温至1 400 ℃，以此观察不同煤样的TG-DTG 曲线，实验结果如图2 所示。

图2 不同粒径煤样的TG-DTG 曲线图

根据图2 可知，当煤样粒径降低后，由于其与热空气的接触面积增大，因此较低的反应温度即可使得煤样发生反应，且反应可在更低的温度下终止。同时这也减少了未反应碳的含量，提高了碳转化率。在此基础上，结合图2 中的曲线进一步分析知，52、46、30 μm 三个级别的煤样对应的反应性指数分别为6.84、6.99 和7.13，这表明三种煤样均具有较高的反应活性，但相对而言，粒径较低的煤样在反应活性方面也更具优势。综合上述已知数据信息推断后确定，粒度的降低不仅能显著提高反应速率加快反应历程，而且能够提高转化率，因此在实际运行过程中，应当尽量降低煤炭材料的粒径[3]。

3 入炉煤粒度波动对壳牌气化炉气化过程的主要影响

通过查阅相关文献资料，并结合已有经验后综合判断，气化炉气化过程的两个主要评估指标分别为“比氧耗”和“比煤耗”，对于上述两项指标而言，其波动情况越突出，则证明壳牌气化炉的气化过程质量越低，也就越需要进行操作上的调整。据此，首先对上述两项指标的数据进行调取和汇总，得到结果如图3 所示。

图3 壳牌气化炉比煤耗与比氧耗变化情况

根据图3 中的变化趋势线可知，在分析时间内，比煤耗与比氧耗两项指标均呈现出较为显著的波动。针对这一问题，进一步结合此时间段内的入炉煤基础分析数据进行综合分析，结果显示，入炉煤的工业分析、灰熔点、矿物组成均不随磨制煤样粒度的改变而发生较大的变化，保持相对稳定的状态；同时，入炉煤的流动性能非常接近，松装密度和振实密度随粒径的降低而有所降低。因此推测造成比煤耗与比氧耗两项指标波动的主要原因是，在实际生产的过程当中，粒度的波动导致堆积密度（松装密度）的波动，进而引发进煤量的改变，影响到气化炉内氧煤比的变化，最终造成波动影响[4]。

在此基础上，研究人员进一步分析氧煤比波动因素，通过单因素实验判断氧煤比波动因素是否直接来源于粒度波动。就此，调出与喷嘴流量同一时间内炉内氧煤体积比的变化，并与粒度数据进行对比，得到分析结果如图4 所示。

图4 入炉煤粒度与氧煤比的数据对比图

根据图4 可见，在实验周期内，壳牌气化炉中的氧煤比指标随着入炉煤粒度指标的波动而波动，且二者呈现负相关，即氧煤体积比随着粒度的减小而增加。初步推断，造成这种现象的主要原因是，当粒度较低时，煤样的堆积密度较低，单位时间内进煤量较少，而气化炉在运行过程当中，空压机的制氧量始终保持不变，所以，当粒度波动时，气化炉内氧煤体积比发生了同步波动。这也充分印证了上文中的推断。

由于氧煤体积比是气化炉中的重要指标，其在数值上的变化可能引起炉内温度的较大波动，不仅会影响气化炉内正常的挂渣情况，而且也极易对炉内的气化效率产生影响。对此，针对这一问题，收集氧煤体积比、甲烷产量、合成气产量等相关数据，使用SPSS 对各类数据进行分析，以探究氧煤体积比指标如何影响甲烷产量与合成气产量，得到分析结果如表1 所示。

表1 变量相关性分析结果

根据表1 中的分析结果可知，氧煤体积比指标与合成气产量之间的显著性相对较为突出，这种关联性能够从数据上证明粒度波动对壳牌气化炉合成气产量存在显著影响。对此，进一步分析粒度波动与合成气产量之间的关系，分析结果如图5 所示。

根据图5 可知，在不同粒度下，合成气产量的波动也较为突出，证明了粒度波动对合成气产量指标的显著影响。当然这种影响的非线性特点较为突出，在粒度处于较低水平时并不能取得较高的合成气产量，初步推断，其主要原因是，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[5]。因此，为提升合成气产量，则需要将粒度保持在适中水平，通常维持在40～50 μm 区间较为合理。

图5 粒度波动与合成气产量之间的关系

4 结语

在本次研究工作中，通过结合壳牌气化炉的实际运行参数和入炉煤样的基本性质，探究了粒度波动对壳牌气化炉气化过程的影响。研究结果显示，粒度波动会对多个因素指标产生影响，其中包括入炉氧煤比的波动，进而引起比煤耗和氧耗的波动，从而对气化过程的最终效果产生影响。为避免这些问题，控制粒度波动并将粒度指标保持在适当的水平是非常必要的。预计通过上述措施，可以提高气化过程的稳定性和效率。