26/26系統(tǒng)考慮實(shí)現(xiàn)造氣爐節(jié)能減排的極限—熱壁高效造氣爐的推廣原理王子國(guó)1概述何謂系統(tǒng)考慮？確實(shí)是對(duì)相對(duì)封閉的一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部及外部所進(jìn)行的考慮。如同熱力學(xué)為研究方便建立個(gè)體系一樣。只有劃分出來(lái)相對(duì)封閉的系統(tǒng)(盡管那個(gè)系統(tǒng)不可能完全封閉)，才能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部要素進(jìn)行分析，才能明白各系統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)外部及內(nèi)部的阻礙。系統(tǒng)外部總有更大的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部至少分為兩個(gè)小系統(tǒng)。對(duì)造氣的消耗分析，專門多廠家往往以噸氨(噸醇)來(lái)考核造氣，這不完全正確。因?yàn)橐試嵃?噸醇)來(lái)計(jì)量，就涉及到造氣系統(tǒng)外的整個(gè)廠的大系統(tǒng)，應(yīng)該以單位有效氣的折標(biāo)煤耗較為公平。有的人喜愛把固定床造氣爐和氣流床、流化床氣化爐直接對(duì)比氣化效率，這也不完全正確。我們要分析大系統(tǒng)，因?yàn)闅饬鞔擦骰惨M(jìn)行空分，要多耗電，要多投資。多耗電、投資多那個(gè)不是用排放CO2換來(lái)的？固定床造氣爐通過(guò)吹風(fēng)氣回收燃燒后排CO2，最小投資獲得空氣的分離，更適合活性較低的無(wú)煙煤進(jìn)行氣化。氣流床流化床采納無(wú)煙煤進(jìn)行氣化，比氧耗要增加，即使加活性劑助熔劑仍不能專門好地適應(yīng)。固定床造氣爐和氣流床流化床各有適用的范圍。從系統(tǒng)內(nèi)外來(lái)看，對(duì)企業(yè)的投資收益最好，對(duì)環(huán)境的阻礙最小，如此的造氣配置確實(shí)是最好的技術(shù)，但對(duì)每個(gè)企業(yè)二者都有個(gè)最合適值。每種氣化爐對(duì)所用原料煤都有其具體要求，生產(chǎn)的煤氣用途也不一樣，"萬(wàn)能"氣化爐是不存在的。本文的目的確實(shí)是把固定床間歇造氣爐進(jìn)一步改進(jìn)完善。我們把固定床造氣作為一個(gè)系統(tǒng)一分為二的分析看，它可分為人員操作和設(shè)備管線配置兩項(xiàng)決定因素。兩者一個(gè)是人，一個(gè)是物。在設(shè)備管線未配置之前，設(shè)備管線只能適應(yīng)工程人員的要求配置，這是工程人員的責(zé)任。在設(shè)備管線配置到位之后，操作人員只能適應(yīng)已成形的設(shè)備管線配置而操作，這是生產(chǎn)治理人員的責(zé)任。當(dāng)設(shè)備管線配置不能專門好地適應(yīng)人員操作，就要進(jìn)行技術(shù)改造，這是技改人員的責(zé)任。聯(lián)系二者的是工藝，工藝是設(shè)備的靈魂，設(shè)備為工藝而存在，但設(shè)備已存在，制定工藝必須適應(yīng)設(shè)備以發(fā)揮設(shè)備的最大作用。推動(dòng)二者更好適應(yīng)的方法確實(shí)是技改提高配置，治理提高人員操作技能。本文要重點(diǎn)闡述的是，為了更好地完成造氣的工藝要求，如何進(jìn)行設(shè)備管線配置才最合理。2工藝系統(tǒng)分析的工具長(zhǎng)期以來(lái)，專門少人能對(duì)固定床造氣進(jìn)行深刻的工藝系統(tǒng)分析，要緊緣故是缺少系統(tǒng)分析工具，試想整個(gè)造氣工藝計(jì)算下來(lái)要好幾天才可完成，而系統(tǒng)分析需要人為變動(dòng)調(diào)節(jié)其中的某幾個(gè)數(shù)據(jù)看其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的阻礙，一項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)專門多數(shù)據(jù)，要解專門多方程組，計(jì)算下來(lái)要不明白耗費(fèi)多少時(shí)日。計(jì)算機(jī)是進(jìn)行系統(tǒng)分析的專門好工具，近二十年來(lái)，各設(shè)計(jì)院大量引進(jìn)國(guó)際上聞名的化學(xué)工程專業(yè)計(jì)算軟件，如PRO(Ⅱ)、ASPENPLAS、HYSYS、HTFS、FRI、HTRI等，版次不斷更新。其中應(yīng)用比較廣泛的是PRO(Ⅱ)、ASPENPLAS、HYSYS。但這些軟件使用費(fèi)用相當(dāng)昂貴，同時(shí)熟練掌握需要花費(fèi)比較多的時(shí)刻，國(guó)外也沒模擬計(jì)算固定床造氣的參考例子，因?yàn)槟壳八畈欢嗌鲜侵粚儆谖覀冎袊?guó)獨(dú)有研究的東西了。采納辦公軟件Excel表格進(jìn)行物料熱量衡確實(shí)是比較快捷準(zhǔn)確的方法。人們對(duì)Excel普遍熟悉的功能是表圖的處理，不太了解其在工程計(jì)算(如鍋爐、化工物料熱量衡算)中的應(yīng)用。Excel每一個(gè)單元格確實(shí)是一個(gè)電子表格，專門容易進(jìn)行一般的加、減、乘、除、乘方、開方，而三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)在EXCEL中能夠直接引用內(nèi)部函數(shù)。用Excel編制一般的工程計(jì)算程序還需解決的有以下兩個(gè)問題：（1）循環(huán)計(jì)算，（2）表、單曲線、曲線組的查找（如表：常壓氣體在不同溫度下的焓），也確實(shí)是書中一些數(shù)據(jù)表格曲線的函數(shù)化是個(gè)難題。關(guān)于問題（1）循環(huán)計(jì)算，Excel在工具菜單中提供了兩個(gè)命令：?jiǎn)巫兞壳蠼夂鸵?guī)劃求解，利用這兩條命令專門容易解決，單變量相當(dāng)于解一元方程，規(guī)劃求解相當(dāng)于解多元方程組。關(guān)于問題（2）表、曲線的查找，Excel沒有提供現(xiàn)成的函數(shù)，可用VLOOKUP、MATCH、IF、OFFSET等函數(shù)的組合或者用圖表擬合公式來(lái)解決，但精度太差，只能是牽強(qiáng)近似解決。上海的趙明利公布了一種應(yīng)用C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用拉格朗日插值計(jì)算法在Excel中建立了自定義函數(shù)數(shù)據(jù)文件生成器LCZmaker，可自定義函數(shù)，筆者把常壓氣體在不同溫度下的焓等表格和設(shè)計(jì)手冊(cè)中的一些曲線函數(shù)化，以方便在Excel中調(diào)用。國(guó)外也有類似的函數(shù)插件，但不如他的好用。另一個(gè)比較好的插件是上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所楊宇設(shè)計(jì)的，他依照IAPWS-IF97和IFC67標(biāo)準(zhǔn)編制《水和蒸汽性質(zhì)計(jì)算軟件包》，設(shè)計(jì)了Excel加載插件，可專門方便地在Excel表中加載水、蒸汽有關(guān)函數(shù)。有了這些插件，我們就可用Excel完整解決物料熱量的工藝計(jì)算。目前筆者已編制完成了氣液固三廢能源燃燒物料熱量衡算、固定床間歇造氣物料熱量衡算及固定床間歇造氣生產(chǎn)甲醇的物料衡算軟件。使用特不方便，可隨意選擇更改幾項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝過(guò)程靜態(tài)模擬，原來(lái)需要幾天算出來(lái)的可在幾分鐘內(nèi)完成。各廠技術(shù)人員可考慮分工段進(jìn)行編制計(jì)算書，留好數(shù)據(jù)接口，然后可專門方便地組合成全廠的物料熱量衡算書，然后進(jìn)行全廠工藝過(guò)程模擬，找出系統(tǒng)需解決的優(yōu)化問題。3系統(tǒng)分析降低固定床造氣爐煤耗的方法我們以造氣爐作為一個(gè)系統(tǒng)分析。在那個(gè)系統(tǒng)中，有投入的氣化原料（原料煤和氣化劑），有產(chǎn)出物，產(chǎn)出物又分為我們需要的產(chǎn)物（水煤氣或半水煤氣）及副產(chǎn)物（爐渣、吹風(fēng)氣、夾套蒸汽、爐子散熱）。當(dāng)氣化原料既定時(shí)，氣化效率就和產(chǎn)物和副產(chǎn)物有關(guān)。當(dāng)產(chǎn)物的有效成分越好、量越大，副產(chǎn)物的有效成分越少、量越小時(shí)，氣化效率最高。造氣爐氣化反應(yīng)是氣固間歇反應(yīng)，提高氣固反應(yīng)的效率，加強(qiáng)間歇反應(yīng)后氣體產(chǎn)物水煤氣和吹風(fēng)氣的分離效率是提高造氣爐氣化反應(yīng)的關(guān)鍵。原理的突破是最大的突破，下面我們分不從原理上和配置上來(lái)討論如何使造氣爐氣化效率最高。3.1提高氣固反應(yīng)的效率氣固反應(yīng)的效率與氣固原料的活性及氣固原料的接觸均勻程度有關(guān)。3.1.1氣固原料的活性氣體原料提高活性的方法，要緊提高其溫度，但要受制于爐渣的熱量回收。其它提高氣體原料活性的方法可采納電磁波輻照等，目前還沒有從事這方面研究的。我們重點(diǎn)討論原料煤的活性。3.1.1.1原料煤本身的活性煤的活性與原有煤種的性質(zhì)有關(guān)，它們對(duì)CO2的還原能力是按照下列順序遞減的：泥煤、木炭、褐煤、煙煤、貧煤、無(wú)煙煤。而且其活性與其形成焦炭的內(nèi)部疏松程度、表面狀況、密度、粒度等關(guān)系專門大。無(wú)煙煤揮發(fā)分含量最低，一般≤10%，含碳量專門高，灰分、水分等雜質(zhì)較少，因而發(fā)熱量高約在21000～32500kJ/kg，著火和燃燼都專門困難。一般來(lái)講，煤的活性和其碳化年齡有關(guān)，灰熔點(diǎn)大的往往活性不行，活性好的往往灰熔點(diǎn)低，了解煤的活性灰熔點(diǎn)的不同，我們就可進(jìn)行混煤摻燒。有些劣質(zhì)煤機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性差，然而化學(xué)活性好，就能夠選用少部分冷熱強(qiáng)度高的塊煤或焦炭摻燒，這部分強(qiáng)度好的煤（焦），在爐膛里起骨架作用，有利于降低床層阻力和提高入爐風(fēng)量?；钚愿叩暮突钚缘偷?、灰熔點(diǎn)高的和灰熔點(diǎn)低的不同煤配燒，以達(dá)到兼顧二者的目的。3.1.1.2阻礙原料煤活性的因素—溫度煤的燃燒速度隨溫度的增加而專門快增加，碳與氧進(jìn)行反應(yīng)的活化能，無(wú)煙煤為140～146.5kJ/mol，煙煤為117～134kJ/mol。當(dāng)無(wú)煙煤和煙煤同時(shí)從1200K提高到1500K時(shí)，按其活化能分不為140、117計(jì)算，無(wú)煙煤的燃燒速度增加16.55倍，煙煤的燃燒反應(yīng)速度只增加10.44倍?？梢娀罨茉酱蟮拿悍N，提高溫度對(duì)反應(yīng)速度的阻礙越大。提高溫度對(duì)無(wú)煙煤的活性阻礙專門大，但要受制于煤的灰熔點(diǎn)以防氣固原料接觸的偏流。固定床造氣爐一般要求最好操作在灰熔點(diǎn)T1和T2之間，在那個(gè)溫度下，以一些難熔灰渣為框架，一些易熔碳粒形成液滴均布在相當(dāng)于渣填料的框架中，現(xiàn)在氣固液接觸最為均勻傳質(zhì)反應(yīng)速度最快。通過(guò)觀看下渣形狀可看出造氣爐氣化層溫度是否處于那個(gè)時(shí)期，氣化層工作在灰熔點(diǎn)T1和T2之間，就可使無(wú)煙煤達(dá)到兼顧最大活性及最大均布性。3.1.1.3阻礙原料煤活性的因素—催化劑針對(duì)無(wú)煙煤活性不高的情況，除了采納提高溫度外，還可采納添加催化劑來(lái)解決。催化劑增加煤的反應(yīng)活性，降低煤的燃點(diǎn)，吹風(fēng)時(shí)可在短時(shí)刻內(nèi)使氣化層達(dá)到較高的溫度，相應(yīng)縮短了吹風(fēng)時(shí)刻，增加單爐制氣能力。另外由于添加催化劑，燃料能夠在較低的溫度下具備氣化反應(yīng)的活性，就可使氣化反應(yīng)盡快由動(dòng)力學(xué)操縱轉(zhuǎn)入擴(kuò)散操縱，提高制氣效率。燃煤催化劑種類繁多，它包括堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類，其中應(yīng)用最多的是堿金屬、堿土金屬的鹽類。煤自身也存在上述催化元素。不同催化劑具有不同的催化活性，催化劑活性越強(qiáng)，效果越好。實(shí)驗(yàn)證明，添加量一定時(shí)，關(guān)于相同的陰離子，不同陽(yáng)離子催化活性順序是Cs>Rb>K>Na>Ba>Li>Sr>Ca>Mg>Be，另有資料講明Cr>Mn,Fe>Ni,Co>Ca,Zn>Al,Cu>K。關(guān)于相同的陽(yáng)離子，不同陰離子的催化活性順序是OH->CO-3>Cl->SO4-2。實(shí)際應(yīng)用的催化劑往往不是單一組分，常由多種成分配合而成。合理的配方能夠使各組分之間相輔相成，甚至利用痕量元素成分做助催化劑，能使催化效果明顯增加。另外加入的催化劑不能降低煤的灰熔點(diǎn)。針對(duì)粘結(jié)性過(guò)大的煤種，可采納微爆劑來(lái)增加碳粒的裂紋，擴(kuò)大氣固接觸面。微爆劑的加入量不能造成碳粒破裂嚴(yán)峻，帶出物過(guò)大。選用催化劑應(yīng)盡量做到廢物利用，許多工農(nóng)業(yè)廢棄物可能是性能優(yōu)良的催化劑，例如含有大量Na、Ca離子的造紙黑液、用完廢棄的電石、含有NaOH的廢水等。腐植酸型煤的活性比碳化煤球、黃泥白泥煤球的活性高，要緊緣故為原料褐煤活性好，又專門少降低型煤中的固定碳，制作過(guò)程中加入了NaOH，形成的-C-O-Na-鏈?zhǔn)菍ｉT好的催化結(jié)構(gòu)。應(yīng)用催化劑的關(guān)鍵確實(shí)是投入產(chǎn)出比，配方中要通過(guò)采納降低主催化劑的單價(jià)及使用量，添加合理的助催化劑來(lái)提高主催化劑的催化活性等方法來(lái)達(dá)到最佳效果。3.1.1.3原料煤氣化反應(yīng)的三個(gè)過(guò)程造氣工藝中，可分為碳的空氣燃燒貯熱同時(shí)產(chǎn)生吹風(fēng)氣、碳的蒸汽降溫氣化同時(shí)產(chǎn)生水煤氣兩個(gè)間歇交替過(guò)程。碳的燃燒和碳的蒸汽氣化反應(yīng)都可分為三個(gè)過(guò)程：動(dòng)力操縱區(qū)、過(guò)渡操縱區(qū)、擴(kuò)散操縱區(qū)。我們以碳的燃燒反應(yīng)為例來(lái)分析三個(gè)操縱區(qū)的有關(guān)規(guī)律。在碳的燃燒反應(yīng)中，碳的燃燒速度ωc=βKC∞=βC∞/(1/αk+1/k)式（1-1）其中β為C與O2燃燒反應(yīng)化學(xué)當(dāng)量比，C∞為周圍介質(zhì)中的氧氣濃度，k為化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)，αk為質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)依照k與αk的大小不同，能夠把燃燒分為三種不同規(guī)律的燃燒區(qū)域（或燃燒狀態(tài)）。1）當(dāng)k<<αk時(shí)，折算反應(yīng)常數(shù)K≈k，式（1-1）變?yōu)棣豤≈βkC∞=βk0exp（-E/RT）C∞現(xiàn)在的燃燒狀態(tài)稱為動(dòng)力燃燒。其物理意義在于：在動(dòng)力燃燒區(qū)，碳的燃燒速ωc幾乎只決定于化學(xué)反應(yīng)的能力，既燃燒的溫度條件T及燃料的性質(zhì)（那個(gè)地點(diǎn)反映在燃料的活化能E上），而與氧氣向碳表面的擴(kuò)散情況無(wú)關(guān)。在動(dòng)力燃燒狀態(tài)下，提高燃燒速度，強(qiáng)化燃燒過(guò)程最有效、最直接的方法是提高燃燒的溫度條件T。顯然，關(guān)于反應(yīng)能力強(qiáng)、活化能E小的燃料，能夠在較低的溫度區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒強(qiáng)化；而關(guān)于反應(yīng)能力弱的、活化能E專門高的燃料，除了添加催化劑降低原料的活化能E外，只有在更高的溫度條件下才能實(shí)現(xiàn)燃燒的強(qiáng)化。2）當(dāng)k>>αk時(shí)，折算反應(yīng)常數(shù)K≈αk?，F(xiàn)在碳燃燒化學(xué)反應(yīng)速度式（1-1）變?yōu)椋害豤≈βαkC∞現(xiàn)在的燃燒狀態(tài)稱為擴(kuò)散燃燒。它的物理意義在于：在擴(kuò)散燃燒區(qū)，碳燃燒速度ωc只決定于氧氣向碳表面的擴(kuò)散能力，而與燃料性質(zhì)、溫度條件幾乎無(wú)關(guān)。在擴(kuò)散燃燒狀態(tài)下，要提高燃燒速度，強(qiáng)化燃燒過(guò)程，最有效、最直接的方法是強(qiáng)化氣流湍動(dòng)，增強(qiáng)空氣流與碳粒間的相對(duì)速度，提高供氧能力而不是其他。3）當(dāng)ｋ≈αk時(shí)，既化學(xué)反應(yīng)能力與氧氣擴(kuò)散能力處在同一數(shù)量級(jí)的情況下，現(xiàn)在燃燒強(qiáng)化的實(shí)現(xiàn)與ｋ和αk兩者均有關(guān)，不管提高ｋ或者αK都能夠收到強(qiáng)化燃燒的效果。在這種狀態(tài)下的燃燒稱為過(guò)渡燃燒。碳與氧及碳與蒸汽的反應(yīng)中都可一分為二的有兩種操縱阻力：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操縱及擴(kuò)散操縱。都可一分為三的分為三個(gè)過(guò)程：動(dòng)力操縱區(qū)、過(guò)渡操縱區(qū)、擴(kuò)散操縱區(qū)。適于固定床間歇造氣強(qiáng)化反應(yīng)的措施要緊有：原料的選擇及摻混，必須兼顧原料的活性及灰融點(diǎn)。增加動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率的措施要緊有：添加催化劑及提溫。增加擴(kuò)散反應(yīng)速率的措施要緊有：適宜的顆粒直徑及合適氣速的增加。關(guān)于碳與氧氣的反應(yīng)，一般認(rèn)為先生成CO2，然后CO2再與碳反應(yīng)生成CO。T<775℃時(shí)，屬動(dòng)力學(xué)操縱區(qū)，T>900℃時(shí)，屬擴(kuò)散操縱區(qū)。775℃<T<900℃時(shí)，屬關(guān)于碳與水蒸汽的反應(yīng)生成CO和H2，400℃<T<1000℃時(shí)，屬動(dòng)力學(xué)操縱區(qū)；T>1100℃時(shí)，屬擴(kuò)散操縱關(guān)于碳與二氧化碳的反應(yīng)還原反應(yīng)在2000℃以下，屬于動(dòng)力學(xué)操縱，反應(yīng)速率大致為CO2一般可如此認(rèn)為，碳的兩種氣化反應(yīng)在溫度低于1250K時(shí)，反應(yīng)速度對(duì)溫度是敏感的，可認(rèn)為是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素起要緊操縱作用。另外，各種含碳原料的活性不同，上述操縱區(qū)溫度數(shù)據(jù)也就有所差不。依照對(duì)無(wú)煙煤的燃燒速度測(cè)定得知，無(wú)煙煤在600～800℃時(shí)才能開始緩慢著火，然而燃燒速度專門慢，隨著溫度的上升燃燒速度加快。煤的著火是燃燼的前提，煤粒著火后加速了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操縱到擴(kuò)散操縱過(guò)程的轉(zhuǎn)換?？梢婈P(guān)于氣化層區(qū)域溫度，最低要求是在大于無(wú)煙煤的燃點(diǎn)以上，以使煤粒著火后加速化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操縱到擴(kuò)散操縱過(guò)程的轉(zhuǎn)換。至少要求應(yīng)盡快操縱處于1100℃以上，使蒸汽和碳的氣化反應(yīng)處于擴(kuò)散操縱之下；為了使水蒸汽氣化不致因爐溫的降低而效率大幅度降低，最好至少應(yīng)要求在吹風(fēng)時(shí)期操縱處于1200℃以上；為了氣固反應(yīng)的均勻及強(qiáng)化，一般要求最好操作在灰熔點(diǎn)T1和T2之間，防止進(jìn)入T3點(diǎn)。使空氣、蒸汽和碳的兩種氣化反應(yīng)3.1.2氣固原料的接觸均勻程度氣化劑在原料煤中濃度分布的不均勻性，導(dǎo)致原料煤氣化時(shí)的溫度不一致，部分原料煤煤塊不能充分燃燒及氣化，造成造氣爐氣固反應(yīng)效率低，部分原料煤容易燃燒過(guò)火專門易結(jié)疤掛爐，給穩(wěn)定操作帶來(lái)了難度。3.1.3目前造氣爐氣固反應(yīng)效率低的緣故3.1.3.1部分氣化區(qū)溫度過(guò)低目前用于生產(chǎn)甲醇、合成氨的水煤氣、半水煤氣固定床煤氣發(fā)生爐，其氣固反應(yīng)效率不專門高，要緊表現(xiàn)在：水夾套的水冷壁效應(yīng)導(dǎo)致爐渣里單塊小返焦中殘?zhí)几?；原料煤的活性不高造成爐渣里成型渣塊中的殘?zhí)几?、氣化?qiáng)度低；煤氣發(fā)生爐上行煤氣出口處于爐體的側(cè)面或爐頂?shù)膫?cè)面，如此導(dǎo)致爐內(nèi)氣化劑在流通過(guò)程中分布不均勻，在吹風(fēng)或制氣過(guò)程中，爐內(nèi)部分碳層不能有效發(fā)揮作用，造成氣化效率的降低。目前煤氣發(fā)生爐內(nèi)干燥層、干餾層部分或全部處在水夾套筒中，氣化層、灰渣層全部處在水夾套筒中。水夾套的目的，一是降低爐壁處碳渣層的溫度，防止高溫結(jié)渣掛爐，二是愛護(hù)爐下灰盤等設(shè)備不受高溫?fù)p壞，三是回收熱量副產(chǎn)蒸汽供煤氣發(fā)生爐制氣使用。水夾套的操作壓力在0.1～0.2MPa，飽和蒸汽溫度120～135℃。固定床煤氣發(fā)生爐采納的制氣原料一般為無(wú)煙煤或無(wú)煙煤制成的型煤。從前述的原理可形成共識(shí)，水夾套周圍的冷壁因溫度降低導(dǎo)致其周圍原料煤的活性降低，燒腐值酸煤球比燒無(wú)煙煤阻礙小，活性越差的煤阻礙越大。因此，煤氣發(fā)生爐靠近水夾套地點(diǎn)有部分的碳渣層遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于著火溫度，經(jīng)實(shí)際測(cè)試由于水循環(huán)冷卻效應(yīng)導(dǎo)致水夾套內(nèi)周圍80mm環(huán)區(qū)處內(nèi)部的原料煤層溫度過(guò)低，不能專門好的燃燒貯熱及氣化。水夾套冷壁效應(yīng)直接導(dǎo)致了爐渣中單塊小返焦的產(chǎn)生。在制氣時(shí)期，由于此區(qū)溫度低，水蒸汽不能專門好地氣化，加上氣流本身存在的趨壁效應(yīng)，導(dǎo)致此區(qū)的蒸汽分解率特不低，這也是目前造氣爐蒸汽分解率在40～60%的要緊緣故。在吹風(fēng)時(shí)空氣中的氧氣在此環(huán)區(qū)中不能較好地和碳反應(yīng)，導(dǎo)致吹風(fēng)氣中氧含量較高，進(jìn)而阻礙到水煤氣或半水煤氣中的氧含量較高，使變換反應(yīng)蒸汽消耗增加。應(yīng)該講明的是水夾套冷壁環(huán)區(qū)溫度是呈梯級(jí)的，靠壁面的地點(diǎn)溫度降低最多。隨著碳層的旋轉(zhuǎn)，水夾套冷壁環(huán)區(qū)不是靜態(tài)的、環(huán)區(qū)內(nèi)的碳粒表面也不是靜態(tài)的。環(huán)區(qū)還受到周圍碳?；鹧娴妮椛?，降低了水冷壁的阻礙，環(huán)區(qū)自身的碳粒表面也能在部分時(shí)刻內(nèi)進(jìn)入擴(kuò)散操縱，只是時(shí)刻較短。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，水夾套的水冷壁效應(yīng)導(dǎo)致其碳粒內(nèi)大部分處于化學(xué)動(dòng)力學(xué)操縱范圍。解決水夾套冷壁效應(yīng)的方法，最早有的研究單位認(rèn)為，此區(qū)碳粒不能完全燃燒要緊因?yàn)槿鄙倏諝?，因此采納增大爐柵底層布風(fēng)通道、在灰倉(cāng)中進(jìn)行二次布風(fēng)的措施，結(jié)果適得其反，造成爐渣殘?zhí)剂糠炊仙?。要緊緣故我們前面原理中已分析過(guò)，此區(qū)因溫度過(guò)低處于化學(xué)動(dòng)力學(xué)操縱范圍，采取的措施只能提溫加催化劑才能減少低溫阻礙。提溫至少應(yīng)保證原料煤的燃點(diǎn)以上，無(wú)煙煤保證在600～800℃，最好同氣化層溫度一致工作在擴(kuò)散操縱之下(1250K以上)。有的研究單位采納提高夾套內(nèi)的蒸汽壓力來(lái)提高夾套內(nèi)壁的溫度，但由于蒸汽壓力不可能提得專門高，表壓0.2MPa時(shí)飽和溫度133.7℃，表壓1.0MPa時(shí)飽和溫度184.1℃，表壓1.27MPa時(shí)飽和溫度194.1℃有的研究單位采納夾套內(nèi)用導(dǎo)熱油來(lái)操縱提溫，由于導(dǎo)熱油的使用溫度一般不能超過(guò)350℃，好的有機(jī)載熱體使用溫度僅限于400℃有的單位擬對(duì)夾套內(nèi)采納熔鹽來(lái)操縱提溫，熔鹽是由硝酸鉀、亞硝酸鈉及硝酸鈉的混合物，工作溫度350～530℃。由于熔鹽的熔點(diǎn)142℃以上，以上幾種方法，都能或多或少減輕水夾套冷壁效應(yīng)，但都不能完全消除其低溫阻礙，要緊因?yàn)槠涮釡貙ｉT有限，不能保證到無(wú)煙煤的燃點(diǎn)600～800℃以上，更不能使其環(huán)區(qū)脫離動(dòng)力學(xué)操縱，進(jìn)而達(dá)到同氣化層溫度一致進(jìn)入擴(kuò)散操縱范圍。3.1.3.2原料煤活性低目前固定床煤氣發(fā)生爐制氣采納的燃料煤為無(wú)煙煤或焦炭、半焦或型煤，無(wú)煙煤或焦炭、半焦的活性較低，操作中還要考慮到氣化層溫度不能太高超過(guò)燃料的灰融點(diǎn)，在燃燒貯熱時(shí)期，燃料就不能快速完全地燃燒，在氣化時(shí)期，造成蒸汽分解率不高，造成爐渣里成型渣塊中的殘?zhí)几?。有的煤種粘結(jié)性過(guò)大，氣化劑不易擴(kuò)散進(jìn)碳粒內(nèi)部，也造成爐渣里成型渣塊中的殘?zhí)几摺?.1.3.3原料煤氣化區(qū)域存有死區(qū)，氣固原料接觸不均勻以上圖一圖二是我們常見的兩種上行煤氣出口（吹風(fēng)氣出口）位置不同的造氣爐。在圖一造氣爐型中，由于上行煤氣出口（吹風(fēng)氣出口）在爐體的一側(cè)，如此在吹風(fēng)時(shí)將導(dǎo)致靠近吹風(fēng)氣出口側(cè)氣流速度比另一側(cè)快，空氣偏流導(dǎo)致氣化層有的地點(diǎn)反應(yīng)劇烈，有的地點(diǎn)反應(yīng)不充分，有的地點(diǎn)熱量能帶出，有的地點(diǎn)熱量帶不出。氣化層溫度不一致專門容易導(dǎo)致一側(cè)結(jié)疤，另一側(cè)還沒燒透。筆者調(diào)查了多家化肥廠造氣車間工段長(zhǎng)，在圖一造氣爐型實(shí)際生產(chǎn)中，氣化層的發(fā)軟結(jié)疤總是在爐體出口的一側(cè)或其對(duì)側(cè)概率最多，原料采納活性較差的無(wú)煙煤多數(shù)為爐體出口的一側(cè)，原料采納活性較好的型煤多數(shù)為爐體出口的對(duì)側(cè)。無(wú)煙煤結(jié)疤要緊緣故是進(jìn)入擴(kuò)散反應(yīng)后貯熱較多，型煤結(jié)疤要緊緣故是熱量帶不出去，反應(yīng)過(guò)多帶出過(guò)少的熱量失衡超過(guò)原料的T3點(diǎn)結(jié)疤就發(fā)生了。因此存在的氣化層相對(duì)反應(yīng)死區(qū)不是靜態(tài)的，但煤粒每走到此氣化層相對(duì)反應(yīng)死區(qū)都要受到阻礙。在爐膛的頂部水煤氣和吹風(fēng)氣交替置換混合空間也專門大，造成了二者分離效率的降低。該爐型原料煤層和爐膛頂部氣體空間死區(qū)都專門大，隨著爐膛內(nèi)徑的增大、爐內(nèi)碳層的高徑比過(guò)小都會(huì)擴(kuò)大原料煤層氣固反應(yīng)的死區(qū)空間，這也是中氮肥的大爐型不如小氮肥的小爐型運(yùn)行好的一項(xiàng)要緊緣故，這是目前大量應(yīng)用但需要完全淘汰的爐型。在圖二造氣爐型中，原料煤層和爐膛頂部氣體空間死區(qū)都比圖一造氣爐型降低，但仍在原料煤層和爐膛頂部氣體空間存有較大的死區(qū)，仍然需要改造。此爐型當(dāng)時(shí)是為了提高碳層而不用加高爐體采取的方法，但同時(shí)也增強(qiáng)了氣固接觸反應(yīng)的均勻性，也減少了爐膛氣體混合空間。在圖三我公司設(shè)計(jì)的造氣爐型中，原料煤層和爐膛頂部氣體空間死區(qū)都已降至最低，在這種爐型中氣固接觸反應(yīng)最為均勻，同時(shí)吹風(fēng)氣和水煤氣置換分離也最為完全，它必將是下一步造氣爐型的技改方向。由于考慮到目前Φ2800造氣爐爐型較大，爐膛存有的死區(qū)也就較大，運(yùn)行不如Φ2400、Φ2600效果好。山東金鄉(xiāng)德華化工新上8臺(tái)Φ2800造氣爐，已全部采納我公司設(shè)計(jì)的爐型及專門流程。3.2加強(qiáng)間歇反應(yīng)后氣體產(chǎn)物水煤氣和吹風(fēng)氣的分離效率在固定床煤氣發(fā)生爐氣化整個(gè)過(guò)程中，從大的方面講，可分為煤的空氣燃燒貯熱同時(shí)產(chǎn)生吹風(fēng)氣、煤的蒸汽降溫氣化同時(shí)產(chǎn)生水煤氣、分離吹風(fēng)氣水煤氣三個(gè)過(guò)程。具體講，生產(chǎn)合成氨的半水煤氣制氣過(guò)程分吹風(fēng)（其氣去吹風(fēng)氣余熱回收）、吹風(fēng)回收加氮（其氣去半水煤氣用于加氮）、上吹制氣（有的加上吹加氮，其氣去半水煤氣）、下吹制氣（其氣去半水煤氣）、二次上吹（其氣去半水煤氣同時(shí)用于保證空氣吹凈的安全）、空氣吹凈（其氣去半水煤氣用于加氮）六個(gè)過(guò)程。生產(chǎn)甲醇的水煤氣制氣過(guò)程分吹風(fēng)（其氣去吹風(fēng)氣余熱回收）、蒸汽吹凈（其氣去吹風(fēng)氣余熱回收或放空）、上吹制氣（其氣去水煤氣）、下吹制氣（其氣去水煤氣）、二次上吹（其氣去水煤氣同時(shí)用于保證空氣吹凈的安全）、空氣吹凈（其氣去水煤氣）六個(gè)過(guò)程。半水煤氣實(shí)際是水煤氣和吹風(fēng)氣的混合氣。提高水煤氣的有效成分及流量，降低吹風(fēng)氣有效氣成分及流量的方法，除了提高其氣固反應(yīng)效率外，只有通過(guò)加強(qiáng)分離效果來(lái)實(shí)現(xiàn)。加強(qiáng)了分離效果，就可提高產(chǎn)物（水煤氣或半水煤氣）的有效成分及流量，降低副產(chǎn)物（吹風(fēng)氣）有效氣成分及流量。3.2.1水煤氣和吹風(fēng)氣分離的重要性筆者采納自編程序，模擬了以下數(shù)據(jù)來(lái)分析采納固定床造氣爐制氣、全低變、PSA脫碳提氫工藝生產(chǎn)單醇時(shí)，造氣成分對(duì)消耗的阻礙，來(lái)顯示水煤氣和吹風(fēng)氣分離的重要性。（1）模擬計(jì)算通用的已知條件：燃料煤性質(zhì)：熱值28164.60kJ/kg，濕基重量%組成：C78.01%、S0.48%、A13.76%、H1.44%、O0.45%、N0.76%、W5.10%，溫度30℃帶出物損失比例4%上行煤氣溫度350℃，下行煤氣溫度250℃空氣溫度30℃，空氣相對(duì)濕度80.00%，爐渣溫度250甲醇放空氣成分：CO8.15%、CO25.31%、H258.71%、CH46.57%、N220.63%、CH3OH0.60%、H2O0.02%脫碳后CO收率按90%，提氫后H2回收率90%（2）分不模擬計(jì)算的已知條件：計(jì)算條件序號(hào)氣體成分H2COCO2O2CH4N2共計(jì)溫度（℃）1吹風(fēng)氣組成（體積%）1.00%6.00%16.96%0.40%0.75%74.89%100.00%250水煤氣組成（體積%）54.00%35.00%6.00%0.20%0.75%4.05%100.00%2吹風(fēng)氣組成（體積%）1.00%6.00%16.96%0.40%0.75%74.89%100.00%250水煤氣組成（體積%）55.00%37.00%6.00%0.20%0.75%1.05%100.00%3吹風(fēng)氣組成（體積%）1.00%4.00%16.96%0.40%0.75%76.89%100.00%250水煤氣組成（體積%）55.00%37.00%6.00%0.20%0.75%1.05%100.00%4吹風(fēng)氣組成（體積%）2.00%8.00%16.96%0.40%0.75%71.89%100.00%450水煤氣組成（體積%）52.00%35.00%6.00%0.20%0.75%6.05%100.00%5吹風(fēng)氣組成（體積%）1.00%3.00%16.96%0.40%0.75%77.89%100.00%250水煤氣組成（體積%）55.00%38.00%5.50%0.00%0.75%0.75%100.00%注：以上氣體中成分調(diào)整有效氣含量時(shí)，用N2的體積百分?jǐn)?shù)調(diào)整至100%。其中計(jì)算條件1～4中：爐渣組成C14.8%、S0.2%、A85%上行煤氣量含水量0.26kg/Nm3干氣，下行煤氣量含水量0.51kg/Nm3干氣吹風(fēng)時(shí)期散熱比例6%，制氣時(shí)期散熱比例5.264%計(jì)算條件5中：爐渣組成C8%、S0.2%、A91.8%上行煤氣量含水量0.20kg/Nm3干氣，下行煤氣量含水量0.3kg/Nm3干氣吹風(fēng)時(shí)期散熱比例3%，制氣時(shí)期散熱比例2%（3）分不模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)并匯總結(jié)果計(jì)算條件序號(hào)吹風(fēng)效率制氣效率總過(guò)程效率100kg燃料產(chǎn)水煤氣量(Nm3)噸醇耗水煤氣量(Nm3)噸醇放空氣量(Nm3)噸醇煤耗（kg)噸醇吹風(fēng)氣因含CO燃燒排放CO2量（kg)154.52%81.72%68.94%192.192501.71466.571301.664.57254.52%81.89%69.40%186.872366.57114.431266.424.33357.21%81.89%70.60%190.602366.57114.431241.643.04444.08%80.85%63.60%179.172600.71724.551451.509.50562.62%86.65%77.59%204.752324.725.351135.402.69注：噸醇吹風(fēng)氣排放CO2量中已含吹風(fēng)氣中的CO折算成CO2的量。計(jì)算條件5是按熱壁（半絕熱式）的情況模擬。模擬計(jì)算結(jié)論：從以上數(shù)據(jù)分析可看出，吹風(fēng)氣成分和水煤氣成分對(duì)噸醇煤耗阻礙特不大，計(jì)算條件4是按中氮肥大爐型數(shù)據(jù)進(jìn)行的模擬，最高消耗和最低消耗噸醇差300多公斤，噸醇煤耗上升后，還可造成造氣排到大氣中的CO2增加?？梢?，加強(qiáng)水煤氣和吹風(fēng)氣的高效分離，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排增加企業(yè)和社會(huì)效益有特不重要的阻礙。3.2.2目前水煤氣和吹風(fēng)氣分離設(shè)備管線配置的缺陷3.2.2.1爐內(nèi)及爐外吹風(fēng)氣、水煤氣混和空間過(guò)大目前的煤氣發(fā)生爐及其相連管道吹風(fēng)氣、水煤氣混和空間較大，吹風(fēng)氣和水煤氣分離不行，導(dǎo)致吹風(fēng)氣中有效氣體CO、H2成分高，水煤氣中無(wú)效氣CH4、O2、N2高。當(dāng)前生產(chǎn)合成氨的造氣流程中，煤氣發(fā)生爐底空氣總閥后、下行煤氣總閥前管道仍有不小的混和空間；在煤氣發(fā)生爐頂、吹風(fēng)氣放空回收閥前、上行煤氣總閥前的混合空間更大，除了爐內(nèi)空間及連接管道外，有的廠還包含了爐外旋風(fēng)除塵器的空間。這些混和空間造成了分離吹風(fēng)氣水煤氣時(shí)效率不高。如此，吹風(fēng)氣中不可幸免帶有一些置換不完全的有效氣成分，造成吹風(fēng)效率的下降；同時(shí)水煤氣中不可幸免帶有吹風(fēng)氣的成分，導(dǎo)致其有效氣含量低，制氣效率下降。用于生產(chǎn)合成氨的半水煤氣需要部分吹風(fēng)氣來(lái)形成合適的氫氮比，水煤氣有效成分低就不能更多回收吹風(fēng)氣來(lái)加氮,導(dǎo)致制氣效率低。而用于生產(chǎn)甲醇的水煤氣不需要吹風(fēng)氣中的氮，氣體成分中的氮含量越低越有利于高效率的甲醇合成，但由于目前工藝配置中分離效果差，不得不將水煤氣中的無(wú)效氣N2+CH4在甲醇合成大量放空，造成噸醇煤耗電耗增加。另外由于目前的煤氣發(fā)生爐上部混和空間比爐下混和空間大，下吹蒸汽行程長(zhǎng)，部分蒸汽分散于爐內(nèi)空間，無(wú)法到達(dá)氣化層參與反應(yīng)，在進(jìn)行下一時(shí)段(上吹)時(shí)，被吹出煤氣發(fā)生爐，致使下吹蒸汽分解率較低。而進(jìn)行上吹制氣時(shí)，蒸汽行程短，損失少，因而蒸汽分解率較高。經(jīng)化驗(yàn)分析下吹制氣比上吹制氣低10%左右。水煤氣中的惰性氣CH4的產(chǎn)生，除了和原料煤本身的揮發(fā)性及操作的爐膛溫度有關(guān)外，還因?yàn)镠2和碳在還原層煤中某些物質(zhì)（如鐵、鋁、硅等）的催化下反應(yīng)而成，上行煤氣閥之前至爐膛煤層上部的