武占強(qiáng)

(河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

我國(guó)是一個(gè)富煤、貧氣、少油的國(guó)家，近些年，隨著煤炭資源利用技術(shù)的不斷革新，高效潔凈的煤炭利用技術(shù)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。煤氣化作為現(xiàn)代煤化工先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究?，F(xiàn)有煤氣化技術(shù)主要包括固定床型煤氣化、流化床型煤氣化、氣流床型煤氣化，就利用率、環(huán)保來(lái)說(shuō)氣流床氣化無(wú)疑是其中的最優(yōu)選擇，而Shell煤粉加壓氣化技術(shù)為當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的高效、潔凈煤氣化技術(shù)之一。

Shell煤粉加壓氣化技術(shù)是采用氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w輸送的方法，將煤粉通過(guò)加壓、流化然后送入氣化爐，與氧氣、蒸汽在氣化爐內(nèi)反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)迅速完成干燥、燃燒、熱解以及氣化等物理、化學(xué)變化，最終產(chǎn)出以一氧化碳、氫氣、二氧化碳為主的多種氣體混合物。這種技術(shù)擁有氧耗低、產(chǎn)量高、煤種適應(yīng)率高、碳轉(zhuǎn)化率高等多種其他類型氣化技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。Shell氣化爐雖然煤種的適應(yīng)率廣，但不同煤種在Shell氣化爐內(nèi)的反應(yīng)狀況都不相同，煤氣化有效氣產(chǎn)率不同[1-3]。

根據(jù)四種煤的物性和殼牌氣化爐對(duì)灰熔點(diǎn)、硅鋁比、酸堿比的要求可知，單一煤種無(wú)法滿足殼牌氣化爐的運(yùn)行要求，需進(jìn)行摻配。本文選用比例1∶1和1∶3的趙固-小莊配煤、比例為3∶1和1∶1的趙固-神木配煤、比例為1∶3的鵲山-趙固配煤為入爐煤，考察助熔劑石灰石的添加量對(duì)煤氣化裝置合成氣中有效氣組分含量的影響，并討論了石灰石對(duì)有效氣組分含量作用機(jī)理分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 主要的試驗(yàn)材料

表1 煤種的灰熔融特征溫度Table 1 ash fusion characteristic temperature of coal

本試驗(yàn)以工業(yè)品石灰石做為助熔劑，選用小莊煤、鵲山煤、趙固煤、神木煤做為研究對(duì)象，各種原料煤的物性見(jiàn)表1和表2。

表2 四種煤灰的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of four coal ash

1.2 試驗(yàn)方法

煤粉試燒程序如下：

(1)將四種煤按照選用的比例進(jìn)行復(fù)配。

(2)將復(fù)配的煤和石灰石共同送至磨煤系統(tǒng)，并通風(fēng)干燥，控制煤粉粒度在10～90 μm之間，外水含量降至1%～2%。

(3)將合格的煤粉送至煤粉倉(cāng)。

(4)配置好的煤粉經(jīng)過(guò)高壓的CO2加壓后輸送至Shell氣化爐內(nèi)燃燒。

被譽(yù)為“高端家電潮流趨勢(shì)標(biāo)桿”的紅頂獎(jiǎng)由中國(guó)家用電器協(xié)會(huì)指導(dǎo)舉辦，近10年來(lái)以其公平性、專業(yè)性和權(quán)威性成為各大品牌競(jìng)相角逐的年度大獎(jiǎng)。所有入選產(chǎn)品都?xì)v經(jīng)消費(fèi)者投票、媒體評(píng)審、專家評(píng)審及綜合評(píng)定的嚴(yán)苛流程，從技術(shù)先進(jìn)性、外觀設(shè)計(jì)、節(jié)能環(huán)保、市場(chǎng)影響力和使用體驗(yàn)等5個(gè)不同維度進(jìn)行全面評(píng)審。此次惠而浦獲紅頂獎(jiǎng)提名的兩款洗衣機(jī)產(chǎn)品：光芒洗衣機(jī)WG-F120881B和新睿洗衣機(jī)WG-F100887BHCIEP，從參評(píng)的39個(gè)品牌、共計(jì)200余款產(chǎn)品中脫穎而出，獲得近20萬(wàn)消費(fèi)者投票，再一次表明消費(fèi)者和行業(yè)專家對(duì)惠而浦產(chǎn)品的認(rèn)可和喜愛(ài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

煤氣化反應(yīng)所處的高溫、高壓環(huán)境下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)收集難以實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)所用到的Shell氣化爐膛內(nèi)的溫度高達(dá)1600℃以上，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備難以承受如此的高溫，無(wú)法對(duì)氣化爐內(nèi)的一系列化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)過(guò)程中各物質(zhì)性狀的變化等等進(jìn)行直觀有效的監(jiān)測(cè)。針對(duì)此情況并結(jié)合工業(yè)化試燒采集幾處主要的氣化爐運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)來(lái)間接的研究判斷氣化爐內(nèi)的化學(xué)燃燒反應(yīng)情況，進(jìn)一步細(xì)化研究助熔劑對(duì)合成氣中有效氣含量的影響。

殼牌氣化爐主要運(yùn)行參數(shù)為：氣化爐膛副產(chǎn)蒸汽量(13FI0047)、有效氣CO含量、氧煤比、氣化爐膛底部排渣口溫度(13TI0037)、排渣口上下壓差(13PDI0065)、合成氣冷卻器進(jìn)口溫度(13TI0019)、合成氣冷卻器出口溫度(13TI0018)、輸氣段水汽密度(13DI0040)，這些參數(shù)所在的氣化爐位置如圖1。

圖1 氣化爐及合成氣冷卻器運(yùn)行控制流程圖

Fig.1 Gasification furnace and syngas cooleroperation control flow chart

2.1 助熔劑對(duì)有效氣組分的影響

H2和CO作為合成氣中的有效氣組分，H2的多少主要受限于煤粉中H元素的含量及固有的內(nèi)水含量，跟煤種的產(chǎn)地及固有的原生、次生礦物種類有關(guān)，實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中的各種調(diào)整對(duì)H2含量的影響微乎其微，故本文對(duì)有效氣含量的研究主要考察CO。

在不同配煤試燒所產(chǎn)合成氣中的有效氣CO含量，見(jiàn)表3及圖2。

根據(jù)表3和圖2分析可得，配煤均能滿足氣化爐基本運(yùn)行要求，產(chǎn)出合格有效氣。雖然因?yàn)椴煌悍N的碳含量、揮發(fā)分、灰分等組分的不同，造成其不同配比產(chǎn)出的有效氣量不同，但5種配比都有一個(gè)基本的共同點(diǎn)，即隨著助熔劑投加量的增多，有效氣組分隨之增大。比例1∶1的趙固配神木配煤、石灰石添加5%的配比在入爐燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)有效氣產(chǎn)量降低的現(xiàn)象。

其中有效氣產(chǎn)量最大的配煤工藝為趙固配神木比例為1∶1的配煤，石灰石添加量為4%。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫接行夂孔罴训呐涿杭爸蹌┨砑恿俊?/p>

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

圖2 石灰石添加量對(duì)有效氣CO含量的影響Fig.2 Effect of limestone addition on effective gas CO content

2.2 助熔劑對(duì)有效氣含量作用分析

在比例1∶1的趙固配神木配煤，添加不同比例的助熔劑石灰石，氣化爐氧負(fù)荷保持不變，進(jìn)行入爐燃燒實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中觀察了各項(xiàng)氣化爐的運(yùn)行參數(shù)并收集了相關(guān)主要數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有效氣體含量的變化不僅與石灰石添加量有關(guān)，還與氣化爐膛副產(chǎn)蒸汽量(13FI0047)、氧煤比兩項(xiàng)參數(shù)呈一定的線性關(guān)系。收集的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表4和圖3，以此考察石灰石添加量對(duì)有效氣含量的影響及氣化爐運(yùn)行參數(shù)相應(yīng)的變化情況。

表4 石灰石添加量對(duì)煤氣化過(guò)程的影響Table 4 Effect of limestone addition on coal gasification process

圖3 石灰石添加量對(duì)氣化爐運(yùn)行參數(shù)的影響Fig.3 Effect of limestone addition on operating parameters of gasifier

從表4和圖3可看出隨著助熔劑石灰石添加量的變化，煤的灰熔點(diǎn)、氧煤比、有效氣CO含量及爐膛副產(chǎn)蒸汽量(13FI0047)隨之發(fā)生改變。煤的灰熔點(diǎn)、氧煤比、爐膛副產(chǎn)蒸汽量(13FI0047)隨著石灰石添加量的變化三者變化趨勢(shì)相同；有效氣CO含量隨著石灰石添加量的變化與其余三者的變化趨勢(shì)相反。

分析上述氣化爐運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而判斷氣化爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)狀況，考察研究助熔劑添加量變化對(duì)有效氣含量的影響。

隨著助熔劑石灰石添加量的變化，改變了煤灰的化學(xué)組成比例，在氣化爐內(nèi)反應(yīng)生成的各項(xiàng)化合物種類及比例隨之改變，進(jìn)而改變了煤灰熔點(diǎn)。煤灰熔點(diǎn)改變，在實(shí)際生產(chǎn)中，為確保氣化爐液態(tài)排查及“以渣抗渣”的順利實(shí)現(xiàn)，氣化爐的操作溫度即產(chǎn)氣量也將隨著煤灰熔點(diǎn)的改變而改變，氣化爐在實(shí)際運(yùn)行中爐膛的操作溫度是通過(guò)改變氧煤比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

氣化爐內(nèi)氧氣和煤的主要熱化學(xué)反應(yīng)為以下兩種：

C+O2=CO2ΔH=-393.5 kJ/mol (1)

2C+O2=CO ΔH=-110.5 kJ/mol (2)

在氣化爐氧負(fù)荷不變的情況下，改變氧氣量和煤量入爐燃燒的比例，將改變煤炭參與上述兩種反應(yīng)的比重，即：煤量大，煤炭更多的參與反應(yīng)(2)，放出的熱量少，氣化爐膛溫度隨之降低；煤量小，煤炭更多的參與反應(yīng)(1)，放出的熱量多，氣化爐膛溫度隨之升高。所以，在灰熔點(diǎn)較低的情況下，所需操作溫度相對(duì)較低，不需要過(guò)多的反應(yīng)熱，即可減小氧煤比，讓煤炭更多偏向于反應(yīng)生成CO，從而增加了有效氣CO的總量。試驗(yàn)中爐膛溫度的變化可通過(guò)爐膛副產(chǎn)蒸汽量(13FI0047)間接觀測(cè)到，驗(yàn)證了氧煤比的調(diào)整對(duì)爐膛溫度的影響，此現(xiàn)象從圖3趨勢(shì)中可明顯看出。

從上述可知，在保證氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，適當(dāng)增大助熔劑添加量，下調(diào)氧煤比，降低爐膛操作溫度，減少熱量的釋放，有利于提高有效氣總量，提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

但助熔劑石灰石不宜添加過(guò)量。石灰石改變灰熔點(diǎn)的基本原理為石灰石分解后的CaO與煤中其他元素生成灰熔點(diǎn)更低的硅鋁酸鹽類低灰熔點(diǎn)共熔物，從而降低整個(gè)灰渣的灰熔點(diǎn)，但石灰石過(guò)量的情況下，使煤灰中CaO過(guò)量，CaO本身的熔點(diǎn)較高(2572℃)，故將導(dǎo)致煤灰熔點(diǎn)升高，降低有效氣產(chǎn)量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可明顯看出此結(jié)果，所以石灰石不宜過(guò)量。本實(shí)驗(yàn)中有效氣含量最高的石灰石添加量為4%[5-6]。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)小莊、鵲山、趙固、神木等四種煤互相摻配試燒，分析合成氣有效氣CO含量，得到最適合殼牌氣化爐的煤種為趙固∶神木為1∶1的配煤。

(2)通過(guò)研究改變石灰石添加量對(duì)趙固∶神木為1∶1的配煤燃燒所生成合成氣有效氣CO含量的影響，最佳的石灰石添加量為4%。

(3)本次殼牌煤氣化裝置試燒趙固∶神木為1∶1配煤、石灰石添加量4%，合成氣有效氣CO含量最高達(dá)到68.2%。