影响鲁奇炉反应平衡计算的因素研究

马云鹏（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司,内蒙古 赤峰 025350）

单纯地就煤气化工产业而言，我国已经成为世界上规模最大的煤质天然气及可燃气的国家。进入21世纪以后，随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也发生了变化，这种变化不仅体现在庞大的数量上，还体现在多样化的形式上。鲁奇炉是当今在煤化工产业中广泛应用的装置，在工业制氨、天然气、煤气等方面较为常见。

多元化的能源形式需求，在满足社会大众需求的同时，也带来了联合生产和对资源的更深一步应用，这对与我国的经济能源发展形式而言是利好消息。

我国的能源分布形式是“煤炭多、石油少、燃气缺”，在我国一次型消费能源中，煤炭占据了70%的比例。大量煤炭资源的使用会造成对环境的影响，水体污染、大气污染等成为煤炭能源发展的主要障碍。

鲁奇炉工艺的运用，可以将煤炭资源进行转化，而鲁奇工艺本身需要的煤种和煤质也是有要求的，这对我国这样一个蕴含丰富种类煤炭资源的环境而言，更应该从工艺上提高，以适应更多的煤炭原材料生产。

1 鲁奇炉工艺中反应平衡分析

鲁奇炉是德国鲁奇工程公司生产的煤气化装置，最早成形于19世纪30年代，进入我国是在上世纪70年代。从技术角度来说，鲁奇炉的是经过对多种煤炭资源测试试验后发明的煤气化装置，通过鲁奇炉的气化加工功能，拓宽了煤炭工业的发展范围，丰富了煤炭工业产品类型。在最初采用燃烧值较低的褐煤进行实验，并取得了成功，在十九世纪50年代到70年代，鲁奇工程公司进行了一系列的改造，其中鲁奇Ⅳ型汽化炉的技术已经相当成熟，目前在国内应用的鲁奇炉设备大多是这一型号。

要保证鲁奇炉工艺中反应平衡，可以从两方面入手，一是物料平衡，二是热平衡。

1.1 物料平衡作用

首先，物料平衡对鲁奇炉工艺反应平衡的影响分析。物料平衡最简单的是指在一定时间内，反应中的物料维持生产不变，通过新添物料改变炉内环境影响，产品或者物料的实际产量和用量以及损耗，维持在一个理论上的平衡区间。

平衡区间就证明这是一个允许偏差的存在的情况，事实上，鲁奇炉工艺中最主要的上高端进料口和翻板，是在不断填料过程中完成循环过程的。鲁奇炉作为一个主体反应装备，首先要做的是反应稳定，而物料平衡的方式是一种全负荷运转方式，它在一定范围内允许排渣过程和进料过程同时进行，但在实际操作中几乎不操作。所以物料平衡更重要的是体现在连续不断、质量保证和产量保证的煤气化生产过程中的。物料平衡同时是循环流程化的基础，这其中不包括液态和固态的形式。

1.2 热平衡

热平衡是更注重操作技术的一种确保反应平衡方式，是以炉内输入热量和输出热量关系维持的。和物料平衡相比，这种平衡掌控更加的科学，它不会去计算煤料的多少和灰渣的多少，而是以作用煤气化过程的热量损失来加以计算。

理论上说，热量的输出速度要小于热量的输入速度，在一定时间内维持整个炉内反应的平衡。热平衡的损耗主要有炉内各部件的吸收传到，以及热辐射造成的失散，地面工质对热量的吸收等。

无论是物料平衡还是热平衡，都是作为反应平衡计算的一个区间设定，当然，不同的设备和生产工艺、目标产品对平衡计算的指标也是不同的。讨论鲁奇炉反应平衡计算是建立在连续生产、高负荷运转的基础上的，一般来说，现实中的鲁奇炉主炉体的首次进料、点火驱动等需要的时间很漫长，需要消耗大量的人力，物力，财力，因此一旦运转起来会在较长的一段时间内维持下去。

为了维护整个设备的稳定性，确保生产安全，无论是填料行为还是排渣行为，都应该建立在反应平衡计算的基础上。之所以这么做，并不是单纯地保证生产，还因为经过平衡计算的状态下，是整个炉内温度、压力及其他指数最为稳定的时间段。

2 鲁奇炉反应平衡计算的影响因素分析

2.1 煤料种类及品质因素

鲁奇炉作为一种煤化工业常用的气化设备，在发明初期，选择了不同的煤种和煤质进行了测试，现有有褐煤、贫煤等二十多种煤种的数据得到了验证，同一种煤种在预处理阶段所表现出来的煤质，也会形成不同的反应现象。因此，要讨论反应平衡计算的问题，首先要对预处理的煤种和煤质进行研究。

不同的煤种和煤质中，影响反应平衡的因素包括了灰分、挥发分、水分和固定碳四种主要因素，同时对于煤粉的粒度也有一些要求。

褐煤是最常见的鲁奇炉反应煤料，在标准褐煤的四种因素下，粒度不同对反应平衡计算的影响也不同。一般而言，在粒度直径为13毫米以下，容易造成反应不充分的表现，粒度之间的空隙较大，容易凝结，粘连在炉内壁，挥发现象不明显；而在粒度直径为50毫米以上的情况下，煤粉加压煤气化的过程需要更多的气化剂来提高温度，物料投入与产出相对较低。

2.2 温度因素

鲁奇工艺中温度常量的最低值为65摄氏度，用来作用于点火驱动，四型最佳作业温度为1280摄氏度。温度影响的调节主要依靠汽氧调节，温度在低于300摄氏度一下的情况下，鲁奇炉反应处于起步状态，达到1300摄氏度以上，原有的气化反应速率就开始降低，因此整体的反应曲线是在300摄氏度到1300摄氏度之间（理想状态）。从这个角度说，可以在这个区间内寻找最佳的反应平衡点，由于涉及不同的操作流程和预处理煤料及其他因素，温度调节的最佳状态也是以区间形式出现的；鲁奇炉炉体内部的温度切换也需要一定的系数指明，一旦换热指数确定，炉膛截面和温度、循环物料等内容就会得到分布要求，这本质上说是一种定性的手段。

2.3 压力因素

压力因素是影响鲁奇炉反应平衡计算的物理因素，在已经运行稳定的鲁奇炉设备中，内陆的压力变化对不同部分的作用是不同的。从炉内上部一直到底部，压力呈现出逐渐递减的趋势，同时对炉膛内的压力值有一定的平衡要求。除掉煤气化浓度自身产生的压力范围之外，中部的压力变化是产生波动最大的部分。

压力在0.5千帕到4千帕区间内，是理论上的最佳变化区域，以此从下向上，在正常情况下炉内只维持了中部的压力平均分布。当鲁奇炉在满负荷运行的状态下，会按照一定压力分布的规律进行调整，主要的调整方式是底部泄气阀。

3 结语

涉及到鲁奇炉压力平衡计算的内容，是对鲁奇工艺的深层次研究，与一般的加压气化改进方式不同的是，这一研究对象主要针对的是长时间、连续性和满负荷的运转状态进行的。在得到的分析结果方面体现出了定量的特征，通过定量来对工艺定性，可以较大程度上得到针对不同煤种、煤质和预处理效果的数据，便于长期研究开发。

随着我国城镇化发展，能源多样化的需求市场也越来越大，尤其是针对煤气、天然气方面的需求更加往生，大型人造煤气项目对鲁奇工艺的需求非常往生，因此积极研究这一课题，对我国的经济发展和化工产业有重要的实践意义。

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