煤氣化技術

L型卧式迴轉波浪牀煤氣化生產工藝及系統 L-type horizontal rotary wave bed gasification production processes and systems

研究煤炭的組分構成是創新煤氣化工藝的基礎

煤炭是煤氣化生產的原料，其分類繁雜，有煙煤無煙煤，肥煤瘦煤，氣化煤動力煤等等，不同品種的煤炭熱值含量，機械強度密度，粘結性及灰融點等各有不同。無論多少種分類，煤炭是一個混合物，由揮發物質、固定碳、灰分和少量硫等雜質組成，這個基本的內在屬性不變。現行煤氣化工藝設計理念，對煤炭的內在屬性重視不夠，忽視煤炭組分構成與生產工藝之間的互動研究，同時對煤原料的化學性利用重視不夠。

現行煤氣化技術過多的依賴煤炭外形尺寸的前置條件 ^[1]  ，而且定形定性要求苛刻，幾乎假定煤炭是單質炭，通過不斷縮小外形尺寸，不斷提高工藝温度壓力，達到提高煤氣化產量的目的。如果煤炭是單質炭，從熱力學的角度來説，它增加了幾何面積促進了熱交換的實現，這個做法無可非議。但是在現實生產實踐中，最好的煤炭也只有70%的固定碳含量，不管把煤粉磨得再細，除了揮發物質至少還會有15%的灰分，如果選擇了“高速率”工藝手段，數秒中的急速增温，煤炭固氣轉換時間太短，碳與灰分離的時空條件過於狹窄，採用提高工藝温度壓力的方式熔融灰分，需要增加能耗約20%，這是“高速率”工藝設計付出的多餘代價。也是某些煤氣化技術成本居高不下的重要原因之一。

波浪牀煤氣化研究開發的起點是基於煤碳組分的認識，強調煤氣化工藝設計客觀性、準確性與系統化，給煤碳不同成分各自準確的工藝定位。採用分類處理的工藝理念，使工藝系統更加適度準確合理，以最小成本的外部條件，促進煤碳內在動力發揮更大的作用，不是採用外部強力高能量覆蓋“一刀切”的工藝方式，這就類似於中國古代的庖丁解牛，究其筋骨，摸清脈絡，不再把注意力集中在煤碳外形尺寸上做出淺層的判斷，按煤碳構成規律分門別類分化處理。分類處理是波浪牀煤氣化技術的一個重要理念，全面準確認識煤碳的內在屬性，關注煤碳不同成分的物理性化學性，關注煤碳與氣化工藝要素之間的關係，才是新型煤氣化技術研究開發的準確出發點。

1,熱交換質量是煤氣化工藝設計核心

在煤氣化生產工藝過程中，煤碳的組分、氣化温度、機械強度、粘結性、灰熔點都屬於內在屬性範疇；煤氣化爐體內的工藝温度、壓力、煤流量、氣流量、固氣空間、時空流程都屬於外部條件範疇。煤氣化工藝設計的過程，是尋找煤碳內在屬性與外部條件最佳匹配的過程。在工藝設計這個環節中，主要矛盾是“最佳匹配”，它決定着熱交換的質量。

“熱交換質量”的計算較為複雜，它主要是從物料之間熱交換的結構和方式的角度，來反應熱傳遞交換程度的計量。它的基本規律反映在煤氣化生產上，更接近工藝的本質，它的基本目標應該是更少資源消耗及環境影響，換取更大的工藝生產社會價值。

“熱效率”是單位時間內一定工況環境下，工藝過程的熱能量轉換比，它只包含了可以折算熱值的因素，並不包括工藝過程中的非熱值因素，比如工藝方式，基礎原料標準，工況環境花費，資源獲得難易程度，環境影響等等。

“熱效率”追求的是更快更多，是一個速度概念；熱交換質量追求的則是一個相關範圍矛盾體中的“和諧統一”，是一個質量體系概念，也是綠色發展的一個重要尺度。

例如，在一個煤氣化工藝生產過程中，使用7000大卡的優質煤要比使用5000大卡的普通煤熱效率高出很多。因為在一個生產系統中，同樣的煤碳體積流量，同樣的工藝消耗，所用的原料的質量不同，優質煤原料要高出普通煤原料生產中的熱效率是必然的。而從現實生產情況看，優質煤資源儲備少，只有解決普通煤碳的氣化高效清潔利用，才能滿足當前節能減排，高效清潔發展綠色的需要。目前要解決的主要矛盾，是破解“只能使用優質煤”的工藝缺陷，是一個體系的質量問題，所以熱效率的計算結果，在這裏形成不對稱的比較，失去了判斷的準確性。僅僅用熱效率的計算是不夠的，熱交換質量的核查和計量是必要的，它包括的相關因素更多，比熱效率更為深刻，更接近事物全過程的合理性。而不僅僅是一個局部的優異表現。

“氣化速率”是生產工藝中的一個手段參數，它是單位時間固氣轉換量的計算，是一個速度指標，它不代表“最佳匹配”的整個工藝工程。最佳匹配則是一個更全面的系統設計，它不僅包括氣化速率還包括更多的因素。尋找和發現最佳匹配，需要梳理多種要素之間的相互關係，例如：提高煤氣化產量，最佳選擇是加快煤氣化速度，還是改善熱交換環境，兩者哪個是解決矛盾的關鍵等等。煤氣化過程中要素很多，分析辨別主要矛盾是工藝設計的基本定位，它決定着整個工藝設計的成敗。“碳轉換率”常常被看做衡量煤氣化技術的一個重要指標，在生產環節中，可以理解為是工藝設計最佳匹配一個必然反應，是事物運行的結果，它有一個氣化工藝條件的能量投入產出的價值比較關係，不應該是不計算投入產出的資源形式轉化。比如：在將固體煤碳轉換成氣體生產過程中，如果生產工藝環境消耗的能量大於轉換後氣體產品所含能量的50%以上，就意味着，在不計算生產過程所需要的設備投資的前提下，完成這個生產轉換，新生成的氣體產品能量減少了50%；如果加上設備投資，再與新生成產品的能量價值比較，就可以衡量這個生產轉換過程的商業意義。所以不能只看“碳轉換率”的比值，還要考察它的轉換條件代價，它可以做為煤氣化實驗過程的一個參考尺度，但它不是判斷衡量煤氣化生產全過程的價值尺度。

煤氣化是一組存在於碳氧之間、碳與水蒸氣之間以及再生氣體之間的系列化學反應，在這一系列的化學反應中，既有放熱反應又有吸熱反應，無論是放熱還是吸熱，都是通過熱交換完成其化學性物理性的轉換，沒有熱交換固體的碳不可能變成氣體；沒有熱交換氧氣不可能參與煤氣化的化學反應；沒有熱交換也不可能有水蒸氣的身份轉變。因此熱交換是煤氣化生產的主要矛盾，熱交換的質量是煤氣化生產質量的“美學”標準，是煤碳內在屬性與外部條件匹配的結果，如何提高被氣化物之間熱交換質量是煤氣化工藝設計的“牛鼻子”。

發現熱交換質量在煤氣化生產工藝中的核心作用，是波浪牀煤氣化技術發現和堅守的理念，如何實現這個理念，需要對煤炭在氣化過程中的變化作進一步的分析。在煤氣化生產過程中，煤的固氣轉換質量，依賴於物料之間熱交換的質量，一個高質量的熱交換，需要對煤原料的內在屬性與外部條件之間，多元函數關係的分析理解與合理匹配。不同品種不同產地不同熱值含量的煤碳，不管外形顆粒大小，它的煤原料內在屬性是相同相近的。只要找到與之最佳匹配的一組外部條件，理清它們之間函數關係的變化規律，就可以實現我們的設計理念，構建我們需要的煤氣化新技術。在這裏有三個要點：❶內在屬性是客觀的，是無法改變的；❷外部條件是形式是可以創造的；❸內在屬性與外部條件的最佳匹配是可以調控的。三個要點既是對煤氣化過程的分析認識，也是提高熱交換質量的工藝準則。遵循這個準則，就能找到破解煤氣化生產技術的難題，就能找到符合投入產出規律的煤氣化技術。

2，營造空間是提高熱交換質量的基礎

爐體容量是煤氣物料實現熱交換的總空間，是一個確定的常量。在這個常量總空間中，煤碳空間和氣流空間之比，煤流量與氣流量的交流互動，固氣之間熱交換，都需要在相應的時空條件下進行，沒有一定的時空條件就談不上熱交換，恰當的時空結構是保障熱交換質量的基礎。不同的煤氣化技術有不同的爐體結構，爐體內的空間總量，固氣比例，煤流量氣流量的參數匹配，都受爐體空間結構和工藝設計思想的支配。固定牀立式圓形靜態爐體，以塊煤和型煤為原料，在爐體內上下堆放，固體空間過多，氣體空間過少是固定牀爐體結構性矛盾，其比例很難做變量調整，而且必須使用相對均等的塊煤，才能通過煤塊之間的縫隙，給氣體留出固氣反應所需要的空間。氣流牀同樣立式圓形靜態爐體，以煤粉或者水煤漿為原料，它把煤碳加工成細粉是從外部向爐體中噴射，工藝設計要求煤粉（煤漿）在進入爐體漂浮中的數秒鐘時間內，完成固氣轉換，高速率必然要有一個高能量的煤氣化空間與之相匹配，不僅帶來了高温高壓高能耗，還帶來了管道儀表一系列的設備造價費用上漲，高能量環境衍生的代價，一系列函數關係變化追問着工藝設計的商業合理性。

技術進步的理念是在長期生產實踐中，通過對現實生產難題的思辨產生的，它促進人們產生變革現實的衝動，去研究發現創造解決生產問題的新方案，新方案又需要回到生產實踐中檢驗自身的創新意義，技術創新需要一個“再知行”的反覆過程。依據“熱交換為核心的設計理念”，依照煤碳內在屬性與外部條件匹配的設計思想，分析觀察現行的煤氣化技術，就會發現它們彼此的優缺點，針對現行技術存在的問題，尋找我們的解決方案