丁瑞鋒，丁 蕊，朱 峰，梁正玉

（1.潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450018；2.河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南 鄭州 450046）

引 言

近幾十年，國(guó)內(nèi)煤氣化技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，引進(jìn)的魯奇爐、Shel l爐、GE水煤漿氣化爐和自主研發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐、航天爐、晉華爐等均實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，氣流床氣化技術(shù)由于具有煤種適用性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、規(guī)模大、熱效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于合成化學(xué)品和制氣等領(lǐng)域[1-2]。氣流床氣化均為液態(tài)排渣，且爐內(nèi)壁多采用水冷壁結(jié)構(gòu)，要求煤灰在氣化時(shí)發(fā)生熔融并在爐內(nèi)壁形成適當(dāng)厚度的渣層以保護(hù)水冷壁。當(dāng)采用高灰熔融性溫度煤進(jìn)行氣化時(shí)，為滿(mǎn)足液態(tài)排渣的要求，一般采取配入低灰熔融性溫度煤或加入助熔劑的方法來(lái)降低煤灰熔融性溫度。在實(shí)際配煤時(shí)，通常需要對(duì)混煤的煤灰流動(dòng)溫度（FT）進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，氣化爐的操作溫度一般要求高于煤灰流動(dòng)溫度50℃左右[3-4]。

國(guó)內(nèi)外有許多專(zhuān)家學(xué)者致力于有關(guān)配煤灰熔融性溫度計(jì)算的研究工作，并總結(jié)了配煤對(duì)煤灰流動(dòng)溫度的影響規(guī)律，得出具體的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，為實(shí)際配煤提供依據(jù)[5-7]。然而，從煤灰熔融性溫度數(shù)學(xué)模型到配煤比例的計(jì)算過(guò)程存在參數(shù)多、公式繁、計(jì)算量大的特點(diǎn)，尤其是在遴選最優(yōu)配比時(shí)往往需要進(jìn)行多次反復(fù)計(jì)算，采用手工或計(jì)算機(jī)編程計(jì)算很難滿(mǎn)足計(jì)算要求。本文采用低灰熔融性溫度煤與高灰熔融性溫度煤混合配煤，對(duì)文獻(xiàn)中配煤的煤灰流動(dòng)溫度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)選，然后基于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的思想，利用Mat hCAD計(jì)算軟件基于數(shù)學(xué)模型進(jìn)行配煤灰熔融性溫度的計(jì)算，以期為配煤提供指導(dǎo)，從而提高氣化爐氣化效率、解決裝置積灰和堵渣等問(wèn)題。

1 煤灰流動(dòng)溫度數(shù)學(xué)模型的優(yōu)選

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

現(xiàn)有河南煤A、B、山西煤C和安徽煤D四種煤樣，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，煤種A、B的水分和揮發(fā)分較高，屬于褐煤，煤灰流動(dòng)溫度相對(duì)較低；煤種C、D的水分均低于3.50%，結(jié)合較高的揮發(fā)分，應(yīng)屬于煙煤，煤灰流動(dòng)溫度較高。

表1 四種煤樣的主要特性指標(biāo)

將煤種A、B分別與煤種C、D以不同比例兩兩混合成36組樣品，進(jìn)行煤灰流動(dòng)溫度的測(cè)定，用于數(shù)學(xué)模型的檢驗(yàn)篩選。

1.2 煤灰流動(dòng)溫度數(shù)學(xué)模型的優(yōu)選

煤中礦物質(zhì)組成直接影響煤灰流動(dòng)溫度，有研究表明煤灰中Si O2、A12O3、Ti O2等酸性氧化物含量越高，煤灰流動(dòng)溫度越高，CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O等堿性氧化物含量越高，煤灰流動(dòng)溫度越低[8]。Si O2、A12O3、CaO、Fe2O3、MgO為煤灰中主要的氧化物，一般質(zhì)量占比在95%以上，對(duì)煤灰流動(dòng)溫度的影響較大。

陳文敏等[9]收集了50個(gè)褐煤樣品，利用多元回歸分析等對(duì)單種煤的煤灰流動(dòng)溫度與煤灰成分之間模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的回歸式[見(jiàn)式（1）]中含五種灰分成分。李繼炳等[10]選取不同省份兩種、三種煤進(jìn)行配煤，采用最小二乘法在混煤煤灰流動(dòng)溫度與煤灰成分之間建立預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式（2）。張琨[1]選取三種低灰熔融性溫度煤和六種高灰熔融性溫度煤兩兩混配組成171組樣品，通過(guò)待定系數(shù)法求取參數(shù)，建立煤灰流動(dòng)溫度數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式（3）。

利用上述代表性經(jīng)驗(yàn)式[式（1）～式（3）]對(duì)36組混煤樣品進(jìn)行煤灰流動(dòng)溫度計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，兩者誤差比較見(jiàn)圖1。

由圖1可知，由式（1）和式（2）計(jì)算的36組混煤樣品煤灰流動(dòng)溫度與測(cè)量值誤差相對(duì)較大，而式（3）誤差較小，均在80℃以?xún)?nèi)，表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。分析原因，一方面是不同煤種的煤灰組成差異較大，各組分的物理化學(xué)作用導(dǎo)致對(duì)流動(dòng)溫度的影響不同，文獻(xiàn)[1]中用來(lái)建立式（3）的褐煤和煙煤與本研究煤質(zhì)最相近，而式（1）和（2）分別是由單煤種和不同來(lái)源的多煤種建立；另一方面，式（3）中參數(shù)x為煤灰主要組分酸堿比的變形，適用范圍主要看煤種的酸堿比范圍，本研究混煤酸堿比為0.5～3.5，與文獻(xiàn)[1]中用煤較接近。所以，優(yōu)選式（3）用于本研究Mat hCAD計(jì)算配煤灰熔融性溫度。

圖1 36組混煤樣的煤灰流動(dòng)溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差比較

2 基于MathCAD的配煤煤灰流動(dòng)溫度計(jì)算

Mat hCAD是美國(guó)PTC公司推出的一款工程計(jì)算軟件，其與專(zhuān)業(yè)的計(jì)算工具和電子表格不同，Mat hCAD允許使用詳盡的應(yīng)用數(shù)學(xué)函數(shù)等工具，同時(shí)設(shè)計(jì)和記錄工程計(jì)算過(guò)程。當(dāng)輸入數(shù)學(xué)公式、方程組、矩陣等，MathCAD將直接給出計(jì)算結(jié)果，無(wú)需考慮中間計(jì)算過(guò)程。對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，Mat hCAD運(yùn)算快捷簡(jiǎn)單，是計(jì)算和設(shè)計(jì)的理想工具，在土木工程、電氣工程、機(jī)械工程以及化工工藝工程設(shè)計(jì)計(jì)算中已得到廣泛應(yīng)用[11-12]，但是在氣化配煤設(shè)計(jì)或計(jì)算方面的應(yīng)用卻未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

2.1 由配煤比例計(jì)算混煤煤灰流動(dòng)溫度

以采用式（3）計(jì)算煤種A與C混煤（A與C質(zhì)量比為2∶8）的煤灰流動(dòng)溫度為例。

（1）已知兩種煤的混合比例、A煤與C煤的灰分含量及煤灰組成。啟用Mat hCAD，首先要賦予各個(gè)參數(shù)數(shù)值，輸入以下內(nèi)容：

煤種A和C進(jìn)行配煤，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別記為X和Y。

煤種A、煤種C的灰分分別記為Aa和Ac，混煤的灰分記為A。

（2）由單煤各項(xiàng)指標(biāo)，編輯公式計(jì)算混煤的灰分及煤灰組成。

（3）輸入FT計(jì)算式（3），即可直接計(jì)算出結(jié)果。

綜上，當(dāng)煤種A、C以質(zhì)量比為2∶8混合時(shí)，按照式（3）計(jì)算，所得混煤的煤灰流動(dòng)溫度約為1 330.9℃。當(dāng)計(jì)算公式確定后，煤種指標(biāo)改變或更改煤種時(shí)，只需相應(yīng)改變各參數(shù)的數(shù)值，就可簡(jiǎn)捷、快速地獲取FT的計(jì)算結(jié)果。

2.2 由混煤煤灰流動(dòng)溫度反推計(jì)算配煤比例

在實(shí)際生產(chǎn)的配煤環(huán)節(jié)，氣化爐的操作溫度范圍是確定的，往往是通過(guò)調(diào)變各煤種的比例來(lái)改變混煤的煤灰流動(dòng)溫度，以適應(yīng)氣化爐的操作，所以由混煤煤灰流動(dòng)溫度反推配煤過(guò)程中各煤種比例意義更大。

以煤種B與D的混煤作為某Shel l爐煤源為例，Shel l爐操作溫度為1 320℃，現(xiàn)需要混煤煤灰流動(dòng)溫度大約為1 270℃，計(jì)算煤種B與D的混合比例。

（1）已知兩種煤B與D的灰分含量及煤灰組成。啟用MathCAD，首先要賦予各個(gè)參數(shù)數(shù)值，輸入以下內(nèi)容：

煤種B、煤種D的灰分分別記為Ab和Ad，混煤的灰分記為A。

（2）現(xiàn)想得到煤灰流動(dòng)溫度為1 270℃的混煤中B、D煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可先將FT值代入式（3）求參數(shù)x。

（3）利用f or函數(shù)，由x的代數(shù)式反推煤種B和煤種D的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

即當(dāng)煤種B、D以質(zhì)量比0.189 5∶0.810 5混合時(shí)，所得混煤的煤灰流動(dòng)溫度約為1 270℃。按照2.1節(jié)中步驟對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算出混煤煤灰流動(dòng)溫度數(shù)值為1 270℃。

當(dāng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型建立后，氣化爐的操作溫度改變或更改煤種時(shí)，只需相應(yīng)改變各參數(shù)的數(shù)值，就可快速地獲取幾種煤的混合比例。當(dāng)然，并不是所有煤種混合后都能得到所需煤灰流動(dòng)溫度的混煤，即（X,Y）無(wú)實(shí)數(shù)解。為提前判定是否存在（X,Y）的實(shí)數(shù)解，可先利用該數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算各單煤的煤灰流動(dòng)溫度，其中最小值和最大值組成的區(qū)間范圍內(nèi)的煤灰流動(dòng)溫度均能通過(guò)這幾種單煤的混和得到。

3 結(jié)論和展望

3.1 36組混煤煤灰流動(dòng)溫度的測(cè)量值和利用文獻(xiàn)中式（1）、（2）、（3）計(jì)算的預(yù)測(cè)值的誤差比較結(jié)果表明，式（3）誤差較小，均在80℃以?xún)?nèi)，表現(xiàn)出對(duì)本研究煤樣較好的適應(yīng)性，其原因是文獻(xiàn)中用來(lái)建立式（3）的褐煤和煙煤與本研究煤種最相近，并且式（3）中參數(shù)x為煤灰主要組分酸堿比的變形，本研究混煤酸堿比與文獻(xiàn)中用煤也較接近。

3.2 基于式（3），利用Mat hCAD計(jì)算軟件分別進(jìn)行了由配煤比例到混煤煤灰流動(dòng)溫度和由混煤煤灰流動(dòng)溫度反推配煤比例的計(jì)算，表明了利用Mat hCAD進(jìn)行氣化配煤灰熔融性溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性。

3.3 氣化配煤除了要計(jì)算混煤的煤灰流動(dòng)溫度，還要計(jì)算可磨性指數(shù)、煤灰黏度等指標(biāo)，而這些指標(biāo)的計(jì)算都存在公式復(fù)雜、計(jì)算量大的特點(diǎn)，Mat hCAD計(jì)算軟件的應(yīng)用將大大提高工作效率和計(jì)算的準(zhǔn)確性，是配煤研究和計(jì)算領(lǐng)域的理想工具。