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1、临沂三丁能源有限公司材料系统思考实现造气炉节能减排的极限热壁高效造气炉的推广原理王子国1概述何谓系统思考？就是对相对封闭的一个系统内部及外部所进行的思考。如同热力学为研究方便建立个体系一样。只有划分出来相对封闭的系统(虽然这个系统不可能完全封闭)，才能对系统内部要素进行分析，才能知道各系统对本系统外部及内部的影响。系统外部总有更大的系统，系统内部至少分为两个小系统。对造气的消耗分析，很多厂家往往以吨氨(吨醇)来考核造气，这不完全正确。因为以吨氨(吨醇)来计量，就涉及到造气系统外的整个厂的大系统，应该以单位有效气的折标煤耗较为公平。有的人喜欢把固定床造气炉和气流床、流化床气化炉直接对比气化效率，
2、这也不完全正确。我们要分析大系统，因为气流床流化床要进行空分，要多耗电，要多投资。多耗电、投资多那个不是用排放CO2换来的？固定床造气炉通过吹风气回收燃烧后排CO2，最小投资获得空气的分离，更适合活性较低的无烟煤进行气化。气流床流化床采用无烟煤进行气化，比氧耗要增加，即使加活性剂助熔剂仍不能很好地适应。固定床造气炉和气流床流化床各有适用的范围。从系统内外来看，对企业的投资收益最好，对环境的影响最小，这样的造气配置就是最好的技术，但对每个企业二者都有个最合适值。每种气化炉对所用原料煤都有其具体要求，生产的煤气用途也不一样，万能气化炉是不存在的。本文的目的就是把固定床间歇造气炉进一步改进完善。我们
3、把固定床造气作为一个系统一分为二的分析看，它可分为人员操作和设备管线配置两项决定因素。两者一个是人，一个是物。在设备管线未配置之前，设备管线只能适应工程人员的要求配置，这是工程人员的责任。在设备管线配置到位之后，操作人员只能适应已成形的设备管线配置而操作，这是生产管理人员的责任。当设备管线配置不能很好地适应人员操作，就要进行技术改造，这是技改人员的责任。联系二者的是工艺，工艺是设备的灵魂，设备为工艺而存在，但设备已存在，制定工艺必须适应设备以发挥设备的最大作用。推动二者更好适应的办法就是技改提高配置，管理提高人员操作技能。本文要重点阐述的是，为了更好地完成造气的工艺要求，如何进行设备管线配置才
4、最合理。2工艺系统分析的工具长期以来，很少人能对固定床造气进行深刻的工艺系统分析，主要原因是缺少系统分析工具，试想整个造气工艺计算下来要好几天才可完成，而系统分析需要人为变动调节其中的某几个数据看其对整个系统的影响，一项数据关联很多数据，要解很多方程组，计算下来要不知道耗费多少时日。计算机是进行系统分析的很好工具，近二十年来，各设计院大量引进国际上著名的化学工程专业计算软件，如PRO()、ASPEN PLAS、 HYSYS、HTFS、FRI、HTRI等，版次不断更新。其中应用比较广泛的是PRO()、ASPEN PLAS、 HYSYS。但这些软件使用费用相当昂贵，并且熟练掌握需要花费比较多的时间
5、，国外也没模拟计算固定床造气的参考例子，因为目前它基本上是只属于我们中国独有研究的东西了。采用办公软件Excel表格进行物料热量衡算是比较快捷准确的方法。人们对Excel普遍熟悉的功能是表图的处理，不太了解其在工程计算(如锅炉、化工物料热量衡算)中的应用。Excel每一个单元格就是一个电子表格，很容易进行一般的加、减、乘、除、乘方、开方，而三角函数、指数函数在EXCEL中可以直接引用内部函数。用Excel编制一般的工程计算程序还需解决的有以下两个问题：（1）循环计算，（2）表、单曲线、曲线组的查找（如表：常压气体在不同温度下的焓），也就是书中一些数据表格曲线的函数化是个难题。对于问题（1）循环
6、计算，Excel在工具菜单中提供了两个命令：单变量求解和规划求解，利用这两条命令很容易解决，单变量相当于解一元方程，规划求解相当于解多元方程组。对于问题（2）表、曲线的查找，Excel没有提供现成的函数，可用VLOOKUP、MATCH、IF、OFFSET等函数的组合或者用图表拟合公式来解决，但精度太差，只能是勉强近似解决。上海的赵明利公布了一种应用C+程序设计语言，用拉格朗日插值计算法在Excel中建立了自定义函数数据文件生成器LCZmaker，可自定义函数，笔者把常压气体在不同温度下的焓等表格和设计手册中的一些曲线函数化，以方便在Excel中调用。国外也有类似的函数插件，但不如他的好用。另一
7、个比较好的插件是上海发电设备成套设计研究所杨宇设计的，他根据IAPWS-IF97和IFC67标准编制水和蒸汽性质计算软件包，设计了Excel加载插件，可很方便地在Excel表中加载水、蒸汽有关函数。有了这些插件，我们就可用Excel完整解决物料热量的工艺计算。目前笔者已编制完成了气液固三废能源燃烧物料热量衡算、固定床间歇造气物料热量衡算及固定床间歇造气生产甲醇的物料衡算软件。使用非常方便，可随意选择更改几项数据进行工艺过程静态模拟，原来需要几天算出来的可在几分钟内完成。各厂技术人员可考虑分工段进行编制计算书，留好数据接口，然后可很方便地组合成全厂的物料热量衡算书，然后进行全厂工艺过程模拟，找出
8、系统需解决的优化问题。3系统分析降低固定床造气炉煤耗的方法我们以造气炉作为一个系统分析。在这个系统中，有投入的气化原料（原料煤和气化剂），有产出物，产出物又分为我们需要的产物（水煤气或半水煤气）及副产物（炉渣、吹风气、夹套蒸汽、炉子散热）。当气化原料既定时，气化效率就和产物和副产物有关。当产物的有效成分越好、量越大，副产物的有效成分越少、量越小时，气化效率最高。造气炉气化反应是气固间歇反应，提高气固反应的效率，加强间歇反应后气体产物水煤气和吹风气的分离效率是提高造气炉气化反应的关键。原理的突破是最大的突破，下面我们分别从原理上和配置上来讨论如何使造气炉气化效率最高。3.1提高气固反应的效率气固
9、反应的效率与气固原料的活性及气固原料的接触均匀程度有关。3.1.1气固原料的活性气体原料提高活性的方法，主要提高其温度，但要受制于炉渣的热量回收。其它提高气体原料活性的方法可采用电磁波辐照等，目前还没有从事这方面研究的。我们重点讨论原料煤的活性。3.1.1.1原料煤本身的活性煤的活性与原有煤种的性质有关，它们对CO2的还原能力是按照下列顺序递减的：泥煤、木炭、褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤。而且其活性与其形成焦炭的内部疏松程度、表面状况、密度、粒度等关系很大。无烟煤挥发分含量最低，一般10%，含碳量很高，灰分、水分等杂质较少，因而发热量高约在21000 32500kJ/kg，着火和燃烬都很困难。一般
10、来说，煤的活性和其碳化年龄有关，灰熔点大的往往活性不好，活性好的往往灰熔点低，了解煤的活性灰熔点的不同，我们就可进行混煤掺烧。有些劣质煤机械强度和热稳定性差，但是化学活性好，就可以选用少部分冷热强度高的块煤或焦炭掺烧，这部分强度好的煤（焦），在炉膛里起骨架作用，有利于降低床层阻力和提高入炉风量。活性高的和活性低的、灰熔点高的和灰熔点低的不同煤配烧，以达到兼顾二者的目的。3.1.1.2影响原料煤活性的因素温度煤的燃烧速度随温度的增加而很快增加，碳与氧进行反应的活化能，无烟煤为140146.5kJ/mol，烟煤为117134 kJ/mol。当无烟煤和烟煤同时从1200K提高到1500K时，按其活化
11、能分别为140、117计算，无烟煤的燃烧速度增加16.55倍，烟煤的燃烧反应速度只增加10.44倍。可见活化能越大的煤种，提高温度对反应速度的影响越大。提高温度对无烟煤的活性影响很大，但要受制于煤的灰熔点以防气固原料接触的偏流。固定床造气炉一般要求最好操作在灰熔点T1和T2之间，在这个温度下，以一些难熔灰渣为框架，一些易熔碳粒形成液滴均布在相当于渣填料的框架中，此时气固液接触最为均匀传质反应速度最快。通过观察下渣形状可看出造气炉气化层温度是否处于这个阶段，气化层工作在灰熔点T1和T2之间，就可使无烟煤达到兼顾最大活性及最大均布性。3.1.1.3影响原料煤活性的因素催化剂针对无烟煤活性不高的情况
12、，除了采用提高温度外，还可采用添加催化剂来解决。催化剂增加煤的反应活性，降低煤的燃点，吹风时可在短时间内使气化层达到较高的温度，相应缩短了吹风时间，增加单炉制气能力。另外由于添加催化剂，燃料可以在较低的温度下具备气化反应的活性，就可使气化反应尽快由动力学控制转入扩散控制，提高制气效率。燃煤催化剂种类繁多，它包括碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物、氢氧化物及其盐类，其中应用最多的是碱金属、碱土金属的盐类。煤自身也存在上述催化元素。不同催化剂具有不同的催化活性，催化剂活性越强，效果越好。实验证明，添加量一定时，对于相同的阴离子，不同阳离子催化活性顺序是Cs RbKNaBaLiSrCaMgBe，另有
13、资料说明Cr Mn, Fe Ni, Co Ca, Zn Al,Cu K。对于相同的阳离子，不同阴离子的催化活性顺序是OH- CO-3 Cl- SO4-2。实际应用的催化剂往往不是单一组分，常由多种成分配合而成。合理的配方可以使各组分之间相辅相成，甚至利用痕量元素成分做助催化剂，能使催化效果明显增加。另外加入的催化剂不能降低煤的灰熔点。针对粘结性过大的煤种，可采用微爆剂来增加碳粒的裂纹，扩大气固接触面。微爆剂的加入量不能造成碳粒破碎严重，带出物过大。选用催化剂应尽量做到废物利用，不少工农业废弃物可能是性能优良的催化剂，例如含有大量Na、Ca离子的造纸黑液、用完废弃的电石、含有NaOH的废水等。腐
14、植酸型煤的活性比碳化煤球、黄泥白泥煤球的活性高，主要原因为原料褐煤活性好，又很少降低型煤中的固定碳，制作过程中加入了NaOH，形成的-C-O-Na-链是很好的催化结构。应用催化剂的关键就是投入产出比，配方中要通过采用降低主催化剂的单价及使用量，添加合理的助催化剂来提高主催化剂的催化活性等方法来达到最佳效果。3.1.1.3原料煤气化反应的三个过程造气工艺中，可分为碳的空气燃烧贮热同时产生吹风气、碳的蒸汽降温气化同时产生水煤气两个间歇交替过程。碳的燃烧和碳的蒸汽气化反应都可分为三个过程：动力控制区、过渡控制区、扩散控制区。我们以碳的燃烧反应为例来分析三个控制区的有关规律。在碳的燃烧反应中，碳的燃烧速度c=KC=C/(1/k+1/k) 式（1-1）其中为C与O2燃烧反应化学当量比，C为周围介质中的氧气浓度，k为化学反应速度常数，k为质量扩散系数根据k与k的大小不同，可以把燃烧分为三种不同规律的燃烧区域（或燃烧状态）。1）当kk时，折算反应常数Kk。此时碳燃烧化学反应速度式（1-1）变为： ck C此时的燃烧状态称为扩散燃烧。它的物理意义在于：在扩散燃烧区，碳燃烧速度c只决定于氧气向碳表面的扩散能力，而与燃料性质、温度条件几乎无关。在扩散燃烧状态下，
