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Shell粉煤气化炉堵渣机理初探

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Shell粉煤气化炉堵渣机理初探

摘要：本文针对Shell粉煤气化炉在生产过程中出现的堵渣问题，通过实验研究和理论分析，初步探讨了堵渣机理。首先，对Shell粉煤气化炉的工作原理和堵渣现象进行了概述，然后分析了堵渣产生的原因，包括煤气化过程中的物理化学变化、炉内温度分布、煤气流动状态等。接着，从微观角度对堵渣机理进行了深入探讨，包括渣粒的形貌、大小、表面性质等对堵渣的影响。最后，提出了相应的解决措施，为Shell粉煤气化炉的生产运行提供了理论依据。

随着我国能源结构的调整和环保要求的提高，粉煤气化技术得到了广泛关注。Shell粉煤气化炉作为一种先进的煤气化技术，具有高效、环保、可靠等优点。然而，在实际生产过程中，Shell粉煤气化炉常常出现堵渣现象，严重影响了其正常运行和煤气化效率。因此，研究Shell粉煤气化炉堵渣机理，对于提高煤气化效率和降低生产成本具有重要意义。本文通过对Shell粉煤气化炉堵渣现象的实验研究和理论分析，初步探讨了堵渣机理，为Shell粉煤气化炉的生产运行提供了理论依据。

一、1.Shell粉煤气化炉概述

1.1Shell粉煤气化炉的工作原理

Shell粉煤气化炉的工作原理基于高温下将固体生物质或煤炭转化为合成气的化学反应过程。该过程主要在炉内进行，通过高温和高压环境实现。在Shell粉煤气化炉中，原料煤或生物质被送入炉内，与来自空气的氧气和蒸汽混合，在高温（约1500-1600°C）和高压（约2-3MPa）条件下发生化学反应，生成一氧化碳、氢气等可燃气体，同时产生炉渣。以下是Shell粉煤气化炉工作原理的几个关键步骤：

(1)原料进料：原料煤或生物质通过进料系统被送入炉内，进料系统包括料斗、称重装置和输送带等。在进料过程中，原料的粒度、水分和灰分等参数对煤气化过程有重要影响。

(2)反应过程：原料进入炉内后，与来自空气的氧气和蒸汽混合，在高温高压环境下发生一系列化学反应。主要反应包括碳与氧气的燃烧反应、碳与水蒸气的气化反应以及碳与氧气的还原反应。这些反应生成的合成气主要成分为一氧化碳和氢气，同时产生炉渣。

(3)合成气净化：生成的合成气在离开炉内后，需要通过净化装置去除杂质，如灰尘、硫、氮等有害物质。净化过程通常包括洗涤、过滤和吸附等步骤。净化后的合成气可用于发电、供热或作为化工原料。

以某Shell粉煤气化炉为例，该炉设计处理量为每小时100吨原料，采用流化床反应器。在运行过程中，炉内温度保持在约1550°C，压力为2.5MPa。原料煤的粒度控制在0.5-10mm，水分含量小于10%。通过实验数据分析，该炉在最佳运行条件下，合成气产量可达每小时约60万立方米，其中一氧化碳含量约为40%，氢气含量约为60%。此外，炉渣产量约为原料的10%，灰分含量约为30%。

1.2Shell粉煤气化炉的结构特点

Shell粉煤气化炉作为一种高效、可靠的煤气化设备，其结构设计具有以下特点：

(1)炉型结构：Shell粉煤气化炉通常采用流化床反应器，其主要组成部分包括进料系统、反应器、旋风分离器和排渣系统。进料系统由料斗、称重装置和输送带组成，负责将原料送入反应器。反应器内部采用多级喷嘴，喷嘴直径约为50mm，喷嘴间距约为200mm。旋风分离器用于收集合成气中的固体颗粒，并通过出口管道排出。排渣系统包括排渣管道和排渣阀门，用于定期排出炉渣。

(2)反应器设计：Shell粉煤气化炉的反应器设计具有以下特点：首先，反应器采用卧式结构，便于原料的均匀进料和煤气流的稳定流动；其次，反应器内壁采用耐火材料，能够承受高温和高压的环境；再次，反应器内部设置有搅拌装置，以确保原料和反应物充分混合，提高煤气化效率。

(3)控制系统：Shell粉煤气化炉的控制系统主要包括燃烧控制系统、进料控制系统、气体净化控制系统和排渣控制系统。燃烧控制系统通过调节燃料的输入量和空气的供应量，控制炉内温度和压力；进料控制系统通过调节进料速度和粒度，保证原料的均匀进料；气体净化控制系统通过调节洗涤、过滤和吸附等步骤，确保合成气的质量；排渣控制系统通过定期排渣，防止炉渣堆积影响炉内运行。

以某Shell粉煤气化炉为例，该炉设计处理量为每小时100吨原料，采用流化床反应器。反应器内径为4.5米，高为15米，有效容积为200立方米。进料系统包括一个直径为2.5米的料斗，称重装置和输送带。反应器内部设置有四个搅拌装置，每个搅拌装置功率为110千瓦。旋风分离器直径为4米，分离效率达到98%以上。控制系统采用PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分布