影響?hù)斊鏍t反應(yīng)平衡計(jì)算的因素研究

馬云鵬（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

單純地就煤氣化工產(chǎn)業(yè)而言，我國(guó)已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大的煤質(zhì)天然氣及可燃?xì)獾膰?guó)家。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求也發(fā)生了變化，這種變化不僅體現(xiàn)在龐大的數(shù)量上，還體現(xiàn)在多樣化的形式上。魯奇爐是當(dāng)今在煤化工產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用的裝置，在工業(yè)制氨、天然氣、煤氣等方面較為常見(jiàn)。

多元化的能源形式需求，在滿足社會(huì)大眾需求的同時(shí)，也帶來(lái)了聯(lián)合生產(chǎn)和對(duì)資源的更深一步應(yīng)用，這對(duì)與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)能源發(fā)展形式而言是利好消息。

我國(guó)的能源分布形式是“煤炭多、石油少、燃?xì)馊薄?，在我?guó)一次型消費(fèi)能源中，煤炭占據(jù)了70%的比例。大量煤炭資源的使用會(huì)造成對(duì)環(huán)境的影響，水體污染、大氣污染等成為煤炭能源發(fā)展的主要障礙。

魯奇爐工藝的運(yùn)用，可以將煤炭資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，而魯奇工藝本身需要的煤種和煤質(zhì)也是有要求的，這對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)蘊(yùn)含豐富種類(lèi)煤炭資源的環(huán)境而言，更應(yīng)該從工藝上提高，以適應(yīng)更多的煤炭原材料生產(chǎn)。

1 魯奇爐工藝中反應(yīng)平衡分析

魯奇爐是德國(guó)魯奇工程公司生產(chǎn)的煤氣化裝置，最早成形于19世紀(jì)30年代，進(jìn)入我國(guó)是在上世紀(jì)70年代。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，魯奇爐的是經(jīng)過(guò)對(duì)多種煤炭資源測(cè)試試驗(yàn)后發(fā)明的煤氣化裝置，通過(guò)魯奇爐的氣化加工功能，拓寬了煤炭工業(yè)的發(fā)展范圍，豐富了煤炭工業(yè)產(chǎn)品類(lèi)型。在最初采用燃燒值較低的褐煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并取得了成功，在十九世紀(jì)50年代到70年代，魯奇工程公司進(jìn)行了一系列的改造，其中魯奇Ⅳ型汽化爐的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的魯奇爐設(shè)備大多是這一型號(hào)。

要保證魯奇爐工藝中反應(yīng)平衡，可以從兩方面入手，一是物料平衡，二是熱平衡。

1.1 物料平衡作用

首先，物料平衡對(duì)魯奇爐工藝反應(yīng)平衡的影響分析。物料平衡最簡(jiǎn)單的是指在一定時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)中的物料維持生產(chǎn)不變，通過(guò)新添物料改變爐內(nèi)環(huán)境影響，產(chǎn)品或者物料的實(shí)際產(chǎn)量和用量以及損耗，維持在一個(gè)理論上的平衡區(qū)間。

平衡區(qū)間就證明這是一個(gè)允許偏差的存在的情況，事實(shí)上，魯奇爐工藝中最主要的上高端進(jìn)料口和翻板，是在不斷填料過(guò)程中完成循環(huán)過(guò)程的。魯奇爐作為一個(gè)主體反應(yīng)裝備，首先要做的是反應(yīng)穩(wěn)定，而物料平衡的方式是一種全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)方式，它在一定范圍內(nèi)允許排渣過(guò)程和進(jìn)料過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，但在實(shí)際操作中幾乎不操作。所以物料平衡更重要的是體現(xiàn)在連續(xù)不斷、質(zhì)量保證和產(chǎn)量保證的煤氣化生產(chǎn)過(guò)程中的。物料平衡同時(shí)是循環(huán)流程化的基礎(chǔ)，這其中不包括液態(tài)和固態(tài)的形式。

1.2 熱平衡

熱平衡是更注重操作技術(shù)的一種確保反應(yīng)平衡方式，是以爐內(nèi)輸入熱量和輸出熱量關(guān)系維持的。和物料平衡相比，這種平衡掌控更加的科學(xué)，它不會(huì)去計(jì)算煤料的多少和灰渣的多少，而是以作用煤氣化過(guò)程的熱量損失來(lái)加以計(jì)算。

理論上說(shuō)，熱量的輸出速度要小于熱量的輸入速度，在一定時(shí)間內(nèi)維持整個(gè)爐內(nèi)反應(yīng)的平衡。熱平衡的損耗主要有爐內(nèi)各部件的吸收傳到，以及熱輻射造成的失散，地面工質(zhì)對(duì)熱量的吸收等。

無(wú)論是物料平衡還是熱平衡，都是作為反應(yīng)平衡計(jì)算的一個(gè)區(qū)間設(shè)定，當(dāng)然，不同的設(shè)備和生產(chǎn)工藝、目標(biāo)產(chǎn)品對(duì)平衡計(jì)算的指標(biāo)也是不同的。討論魯奇爐反應(yīng)平衡計(jì)算是建立在連續(xù)生產(chǎn)、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上的，一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)中的魯奇爐主爐體的首次進(jìn)料、點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)等需要的時(shí)間很漫長(zhǎng)，需要消耗大量的人力，物力，財(cái)力，因此一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)會(huì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)維持下去。

為了維護(hù)整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性，確保生產(chǎn)安全，無(wú)論是填料行為還是排渣行為，都應(yīng)該建立在反應(yīng)平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上。之所以這么做，并不是單純地保證生產(chǎn)，還因?yàn)榻?jīng)過(guò)平衡計(jì)算的狀態(tài)下，是整個(gè)爐內(nèi)溫度、壓力及其他指數(shù)最為穩(wěn)定的時(shí)間段。

2 魯奇爐反應(yīng)平衡計(jì)算的影響因素分析

2.1 煤料種類(lèi)及品質(zhì)因素

魯奇爐作為一種煤化工業(yè)常用的氣化設(shè)備，在發(fā)明初期，選擇了不同的煤種和煤質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，現(xiàn)有有褐煤、貧煤等二十多種煤種的數(shù)據(jù)得到了驗(yàn)證，同一種煤種在預(yù)處理階段所表現(xiàn)出來(lái)的煤質(zhì)，也會(huì)形成不同的反應(yīng)現(xiàn)象。因此，要討論反應(yīng)平衡計(jì)算的問(wèn)題，首先要對(duì)預(yù)處理的煤種和煤質(zhì)進(jìn)行研究。

不同的煤種和煤質(zhì)中，影響反應(yīng)平衡的因素包括了灰分、揮發(fā)分、水分和固定碳四種主要因素，同時(shí)對(duì)于煤粉的粒度也有一些要求。

褐煤是最常見(jiàn)的魯奇爐反應(yīng)煤料，在標(biāo)準(zhǔn)褐煤的四種因素下，粒度不同對(duì)反應(yīng)平衡計(jì)算的影響也不同。一般而言，在粒度直徑為13毫米以下，容易造成反應(yīng)不充分的表現(xiàn)，粒度之間的空隙較大，容易凝結(jié)，粘連在爐內(nèi)壁，揮發(fā)現(xiàn)象不明顯；而在粒度直徑為50毫米以上的情況下，煤粉加壓煤氣化的過(guò)程需要更多的氣化劑來(lái)提高溫度，物料投入與產(chǎn)出相對(duì)較低。

2.2 溫度因素

魯奇工藝中溫度常量的最低值為65攝氏度，用來(lái)作用于點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)，四型最佳作業(yè)溫度為1280攝氏度。溫度影響的調(diào)節(jié)主要依靠汽氧調(diào)節(jié)，溫度在低于300攝氏度一下的情況下，魯奇爐反應(yīng)處于起步狀態(tài)，達(dá)到1300攝氏度以上，原有的氣化反應(yīng)速率就開(kāi)始降低，因此整體的反應(yīng)曲線是在300攝氏度到1300攝氏度之間（理想狀態(tài)）。從這個(gè)角度說(shuō)，可以在這個(gè)區(qū)間內(nèi)尋找最佳的反應(yīng)平衡點(diǎn)，由于涉及不同的操作流程和預(yù)處理煤料及其他因素，溫度調(diào)節(jié)的最佳狀態(tài)也是以區(qū)間形式出現(xiàn)的；魯奇爐爐體內(nèi)部的溫度切換也需要一定的系數(shù)指明，一旦換熱指數(shù)確定，爐膛截面和溫度、循環(huán)物料等內(nèi)容就會(huì)得到分布要求，這本質(zhì)上說(shuō)是一種定性的手段。

2.3 壓力因素

壓力因素是影響?hù)斊鏍t反應(yīng)平衡計(jì)算的物理因素，在已經(jīng)運(yùn)行穩(wěn)定的魯奇爐設(shè)備中，內(nèi)陸的壓力變化對(duì)不同部分的作用是不同的。從爐內(nèi)上部一直到底部，壓力呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)爐膛內(nèi)的壓力值有一定的平衡要求。除掉煤氣化濃度自身產(chǎn)生的壓力范圍之外，中部的壓力變化是產(chǎn)生波動(dòng)最大的部分。

壓力在0.5千帕到4千帕區(qū)間內(nèi)，是理論上的最佳變化區(qū)域，以此從下向上，在正常情況下?tīng)t內(nèi)只維持了中部的壓力平均分布。當(dāng)魯奇爐在滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)下，會(huì)按照一定壓力分布的規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，主要的調(diào)整方式是底部泄氣閥。

3 結(jié)語(yǔ)

涉及到魯奇爐壓力平衡計(jì)算的內(nèi)容，是對(duì)魯奇工藝的深層次研究，與一般的加壓氣化改進(jìn)方式不同的是，這一研究對(duì)象主要針對(duì)的是長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性和滿負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行的。在得到的分析結(jié)果方面體現(xiàn)出了定量的特征，通過(guò)定量來(lái)對(duì)工藝定性，可以較大程度上得到針對(duì)不同煤種、煤質(zhì)和預(yù)處理效果的數(shù)據(jù)，便于長(zhǎng)期研究開(kāi)發(fā)。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展，能源多樣化的需求市場(chǎng)也越來(lái)越大，尤其是針對(duì)煤氣、天然氣方面的需求更加往生，大型人造煤氣項(xiàng)目對(duì)魯奇工藝的需求非常往生，因此積極研究這一課題，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和化工產(chǎn)業(yè)有重要的實(shí)踐意義。

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