黄成浩（中石化安庆分公司  安徽安庆  246001）
摘 要：通过中石化安庆分公司Shell煤气化装置实际运行数据，分析了入炉煤粒度与Shell煤气化装置运行参数如：比煤耗、比氧耗、有效合成气产量的关系，对比了不同入炉煤粒度对气化装置经济效益的影响。对比表明：当入炉粉煤中位径为40μm~60μm时，Shell煤气化装置运行比煤耗、比氧耗较低，有效气产量较高，且气化装置的经济效益较好。
关键词：Shell煤气化；粒度；比煤耗；比氧耗
Shell煤气化技术是当今世界上最先进的洁净煤气化技术之一，采用气力输送方式将干煤粉输送入到气化炉进行反应。粉煤加压密相输送是粉煤气流床加压气化的关键技术之一，煤粉的粉体性质（如粒径、粒径分布等）对气化装置的输送系统、气化效率、工艺操作参数控制等均会产生显著影响。自Shell煤气化工艺引入中国以来，诸多企业经过长期摸索，从煤质特性、生产优化等方面深入研究与探索，运行周期逐步增大，连续运行记录不断被刷新，但是，在工厂实际运行中，因粉煤粒度波动，造成的生产故障仍时常发生。Shell技术供应商对粉煤粒度控制指标要求相对较为宽泛，相关单位关于入炉煤的粉体特性对气化装置长周期优化运行的影响研究相对较少。
通常，煤样的工业分析（水分、灰分、挥发分及固定碳）和元素分析数据（C、H、O、N及S）会随着煤粉颗粒粒度的不同而有所改变[1]，此外，煤粉粒度对煤样流动性、比表面积及孔隙率等均有较大影响[1-3]。粒度改变会影响煤中石英、高岭石、黄铁矿、方解石及赤铁矿等矿物在煤中内在矿物和外在矿物的含量，这些内在矿物和外在矿物含量的改变，使得煤灰熔融温度发生较大变化[4,5]。此外，入炉煤粒度对气化工艺长周期运行的制约因素也不容忽视[6]。针对中石化安庆分公司实际入炉煤，通过控制不同的粒度及粒度分布范围进行了工业试验，考察粒度变化对气化过程的影响。
一、概述
针对中石化安庆分公司实际入炉煤，控制不同的粒度及粒度分布范围进行工业试验，工业试验共分三个阶段：2017/9/26~2017/10/3，粉煤中位径D50＞60μm；2017/10/12~2017/10/23，粉煤中位径D50＜40μm；2017/10/27~2017/11/4，粉煤中位径D50在40μm~60μm之间。分别考察粒度变化对气化过程的影响。
二、入炉煤粒度分析
通过对2017/9/26~2017/11/4入炉粉煤煤质数据进行工业分析，发现无水无灰基挥发分、空气干燥基灰分、空气干燥基水份等没有较大波动，标准差均在2以内。说明煤质的波动很小，可以看出工业试验期间用煤煤质比较稳定，因此排除煤质波动对后续工艺产生的影响。
对2017/9/26~2017/11/4期间采集的入炉粉煤的粒度进行分析，入炉粉煤的粒度波动情况如表2-1所示，粒度波动图如图2-1所示。
表2-1 各阶段入炉粉煤粒度分析
 
日期         项目 ＜5μm含量(%(m/m)) D50 ≥90μm含量(%(m/m))   
2017/11/4 8:00
2017/11/3 8:00
2017/11/2 8:00
2017/11/1 8:00
2017/10/30 8:00
2017/10/27 8:00
2017/10/23 8:00
2017/10/22 8:00
2017/10/21 8:00
2017/10/14 8:00
2017/10/12 8:00
2017/10/3 8:00
2017/10/2 8:00
2017/10/1 8:00
2017/9/30 8:00
2017/9/29 8:00
2017/9/26 8:00
2017/9/25 8:00
 6.62 41.18 23.33   
2017/11/3 8:00
 5.78 50.58 30.58   
2017/11/2 8:00
 6.2 51.29 30.38   
2017/11/1 8:00
 5.95 44.07 27.76   
2017/10/30 8:00
 7.69 36.65 18.45   
2017/10/27 8:00
 8.26 42.27 26.36   
2017/10/23 8:00
 9.54 33.21 17.41   
2017/10/22 8:00
 8.45 32.74 15.26   
2017/10/21 8:00
 7.8 32.95 14.58   
2017/10/14 8:00
 9.11 36.5 16.19   
2017/10/12 8:00
 8.4 25.56 9.02   
2017/10/3 8:00
 5.87 70.84 42.26   
2017/10/2 8:00
 5.96 77.94 44.34   
2017/10/1 8:00
 4.56 107.26 54.57   
2017/9/30 8:00
 5.06 79.69 45.58   
2017/9/29 8:00
 3.82 101.4 53.76   
2017/9/26 8:00
 4.43 79.58 44.96 
 
图2-1 工业试验期间入炉粉煤中位径波动图
从表2-1和图2-1可以看出，工业生产中，入炉粉煤粒度难免存在波动。9月26日到10月3日期间，入炉粉煤粒度较粗，其中位径D50均在60μm以上；10月12日到10月23日期间入炉粉煤粒度较细，其中位径D50均在40μm以下；而10月27日至11月4日期间，入炉煤样为中等粒径的粉煤，其中位径D50在40μm到60μm之间。
三、粒度对比氧耗、比煤耗的影响
比氧耗与比煤耗是考察气化炉运行状况优劣的重要指标。从图3-1和图3-2可以看出，工业试验期间比氧耗和比煤耗随着粉煤粒度的变化波动明显，可以发现，粉煤粒度并非如专利商介绍的那样越细越好。9月26日到10月3日中位径D50大于60μm的粉煤，其比氧耗最高，10月12日到10月23日中位径D50小于40μm 的粉煤，其比氧耗略高于10月27日至11月4日中位径D50为40μm~60μm粉煤；10月12日到10月23日中位径D50小于40μm 的粉煤，其比煤耗最高，9月26日到10月3日中位径D50大于60μm的粉煤，其比煤耗略高于10月27日至11月4日中位径D50为40μm~60μm粉煤。
 
图3-1 比氧耗随粉煤粒度波动变化图
 
图3-2 比煤耗随粉煤粒度波动变化图
四、粒度对合成气产量的影响
粒度波动导致比氧耗、比煤耗发生变化，气化炉炉温也会发生波动，进而影响合成气产量。粒度波动对有效合成气产量变化的影响，如图4-1所示。
 
图4-1 粒度波动与有效合成气产量变化关系图
由图可见，工业试验期间随着粒度的波动，在中位径为40μm~60μm时，有效合成气产量普遍高于中位径小于40μm粉煤及中位径大于60μm粉煤；在中位径为44.07μm时，有效气产量达到最大，为109522.87Nm3/h。
五、粒度对气化装置的经济效益的影响
由以上分析可知粒度波动导致比煤耗、比氧耗及合成气和有效合成气产量均随之发生变化，当入炉煤的粒径为40μm~60μm时，比煤耗、比氧耗较低、合成气及有效合成气产量较高，由此将会带来一定的经济效益。为考察控制入炉粉煤粒度为Shell气化装置带来的经济效益，以下对不同粒度粉煤入炉后比煤耗、比氧耗、有效气产量变化及其经济性进行分析比较。
表5-1 不同粒度比煤耗、比氧耗、有效气产量对比
 
粒径/μm 比氧耗
（Nm3/kNm3） 比煤耗
(kg/kNm3) 有效气流量
(Nm3/h)   
25.56 370.23 557.52 105493.51   
32.95 366.32 555.34 103767.1   
44.07 363.57 539.52 109522.87   
51.29 364.35 530.02 108253.01   
79.69 367.31 543.25 105389.89   
107.26 372.31 546.8 106233.25 
由表5-1可以看出，粒径为44.07μm、51.29μm中等粒径入炉煤其比煤耗、比氧耗低于粒径为25.56μm、32.95μm细颗粒入炉煤及粒径为79.69μm、107.26μm粗颗粒入炉煤；粒径为44.07μm、51.29μm中等粒径入炉煤其有效气流量高于粒径为25.56μm、32.95μm细颗粒入炉煤及粒径为79.69μm、107.26μm粗颗粒入炉煤。
入炉粉煤控制合适的粒径及粒度分布有利于提高气化装置的经济效益，按三个阶段比煤耗、比氧耗平均值、全年运行8000小时，大于60μm和小于40μm的粉煤粒度时间占比2017年降低60%，气化有效气负荷按120000 Nm3/h计：当将小于40μm的入炉粉煤平均粒径控制在40μm~60μm，年节约成本231.94万元；当将大于60μm的入炉粉煤平均粒径控制在40μm~60μm，年节约成本126.40万元；合计年增效为358.34万元。
表5-2 各阶段每1000 Nm3有效气生产消耗及成本
 
粒径/μm 消耗煤量 消耗氧量 用煤综合成本 氧气成本 总成本   
 （kg） （Nm3） （元） （元） （元）   
＜40 561.32 364.79 449.06 182.39 631.45   
40~60 532.33 364.00 425.86 182.00 607.86   
＞60 554.18 366.50 443.35 183.25 626.60 
六、小结
1.Shell气化过程，比煤耗、比氧耗、有效合成气产量均随入炉粉煤粒度的波动而发生变化。中位径为40μm~60μm入炉粉煤其比煤耗、比氧耗低于中位径大于60μm及中位径小于40μm 粉煤；中位径为40μm~60μm入炉粉煤其有效气产量高于中位径大于60μm及中位径小于40μm 粉煤。
2.入炉粉煤控制合适的粒径及粒度分布有利于提高气化装置的经济效益。当将小于40μm的入炉粉煤平均粒径控制在40μm~60μm，年节约成本231.94万元；当将大于60μm的入炉粉煤平均粒径控制在40μm~60μm，年节约成本126.40万元；合计年增效为358.34万元。
综上所述，为了使气力输送稳定和气化反应高效进行，必须合理控制煤样的粒度分布，尤其对于不同煤种应当采取不同的粒度控制，优化粒度级配。对于变质程度较低的煤种，由于气化反应性优良，可以适当放宽粉煤粒度，利于粉煤的输送，防止架桥、结拱等堵塞输送的现象产生；而对于变质程度较高的煤种，则应当减少大颗粒的含量，适当减少中等颗粒的含量，增加小颗粒的含量，以便保证一定的气化反应活性。

参考文献：
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[2]刘辉、吴少华、赵广播等.煤粉粒度对元宝山褐煤燃烧特性的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2008.40(3):419-422
[3]谢晓旭.煤粉流动特性试验研究[M].东南大学，2007
[4]杨和彦、李寒旭.粒度对煤中晶体矿物组成影响研究[J].应用化工，2012.41(4):559-561
[5]杨和彦、李寒旭、武成利等.粒度对煤灰熔融特性的影响及作用机理初探[J].应用化工，2012.41(3):394-397
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