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

LastrevisedbyLELEin2021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，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，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着名的化学工程专业计算软件，如PRO(Ⅱ)、ASPENPLAS、HYSYS、HTFS、FRI、HTRI等，版次不断更新。其中应用比较广泛的是PRO(Ⅱ)、ASPENPLAS、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，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），也就是中一些数据表格曲线的函数化是个难题。对于问题（1）循环计算，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140～146.5kJ/mol，烟煤为117～134kJ/mol。当无烟煤和烟煤同时从1200K提高到1500K时，按其活化能分别为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，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>Rb>K>Na>Ba>Li>Sr>Ca>Mg>Be，另有资料说明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ωc=βKC∞=βC∞/(1/αk+1/k)式（1-1）其中β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，αk为质量扩散系数根据k与αk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k<<αk时，折算反应常数K≈k，式（1-1）变为ωc≈βkC∞=βk0exp（-E/RT）C∞此时的燃烧状态称为动力燃烧。其物理意义在于：在动力燃烧区，碳的燃烧速ωc几乎只决定于化学反应的能力，既燃烧的温度条件T及燃料的性质（这里反映在燃料的活化能E上），而与氧气向碳表面的扩散情况无关。在动力燃烧状态下，提高燃烧速度，强化燃烧过程最有效、最直接的办法是提高燃烧的温度条件T。显然，对于反应能力强、活化能E小的燃料，可以在较低的温度区域内实现燃烧强化；而对于反应能力弱的、活化能E很高的燃料，除了添加催化剂降低原料的活化能E外，只有在更高的温度条件下才能实现燃烧的强化。2）当k>>αk时，折算反应常数K≈αk。此时碳燃烧化学反应速度式（1-1）变为：ωc≈βαkC∞　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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ωc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，要提高燃烧速度，强化燃烧过程，最有效、最直接的办法是强化气流湍动，增强空气流与碳粒间的相对速度，提高供氧能力而不是其他。3）当ｋ≈αk时，既化学反应能力与氧气扩散能力处在同一数量级的情况下，此时燃烧强化的实现与ｋ和αk两者均有关，无论提高ｋ或者αK都可以收到强化燃烧的效果。在这种状态下的燃烧称为过渡燃烧。碳与氧及碳与蒸汽的反应中都可一分为二的有两种控制阻力：化学反应动力学控制及扩散控制。都可一分为三的分为三个过程：动力控制区、过渡控制区、扩散控制区。适于固定床间歇造气强化反应的措施主要有：原料的选择及掺混，必须兼顾原料的活性及灰融点。增加动力学反应速率的措施主要有：添加催化剂及提温。增加扩散反应速率的措施主要有：适宜的颗粒直径及合适气速的增加。对于碳与氧气的反应，一般认为先生成CO2，然后CO2再与碳反应生成CO。T<775℃时，属动力学控制区，T>900℃时，属扩散控制区。775℃1100℃时，属扩散控制区，两者之间属于过渡控制区。对于碳与二氧化碳的反应还原反应在2000℃以下，属于动力学控制，反应速率大致为CO2的一级反应。一般可这样认为，碳的两种气化反应在温度低于1250K时，反应速度对温度是敏感的，可认为是化学反应动力学因素起主要控制作用。另外，各种含碳原料的活性不同，上述控制区温度数据也就有所差别。根据对无烟煤的燃烧速度测定得知，无烟煤在600～800℃时才能开始缓慢着火，但是燃烧速度很慢，随着温度的上升燃烧速度加快。煤的着火是燃烬的前提，煤粒着火后加速了化学反应动力学控制到扩散控制过程的转换。可见对于气化层区域温度，最低要求是在大于无烟煤的燃点以上，以使煤粒着火后加速化学反应动力学控制到扩散控制过程的转换。至少要求应尽快控制处于1100℃以上，使蒸汽和碳的气化反应处于扩散控制之下；为了使水蒸汽气化不致因炉温的降低而效率大幅度降低，最好至少应要求在吹风阶段控制处于1200℃以上；为了气固反应的均匀及强化，一般要求最好操作在灰熔点T1和T2之间，防止进入T3点。使空气、蒸汽和碳的两种气化反应均处于扩散控制之下，以达到高效燃烧贮热高效蒸汽气化。3.1.2气固原料的接触均匀程度气化剂在原料煤中浓度分布的不均匀性，导致原料煤气化时的温度不一致，部分原料煤煤块不能充分燃烧及气化，造成造气炉气固反应效率低，部分原料煤容易燃烧过火很易结疤挂炉，给稳定操作带来了难度。3.1.3目前造气炉气固反应效率低的原因3.1.3.1部分气化区温度过低目前用于生产甲醇、合成氨的水煤气、半水煤气固定床煤气发生炉，其气固反应效率不很高，主要表现在：水夹套的水冷壁效应导致炉渣里单块小返焦中残碳高；原料煤的活性不高造成炉渣里成型渣块中的残碳高、气化强度低；煤气发生炉上行煤气出口处于炉体的侧面或炉顶的侧面，这样导致炉内气化剂在流通过程中分布不均匀，在吹风或制气过程中，炉内部分碳层不能有效发挥作用，造成气化效率的降低。目前煤气发生炉内干燥层、干馏层部分或全部处在水夹套筒中，气化层、灰渣层全部处在水夹套筒中。水夹套的目的，一是降低炉壁处碳渣层的温度，防止高温结渣挂炉，二是保护炉下灰盘等设备不受高温损坏，三是回收热量副产蒸汽供煤气发生炉制气使用。水夹套的操作压力在0.1～0.2MPa，饱和蒸汽温度120～135℃。固定床煤气发生炉采用的制气原料一般为无烟煤或无烟煤制成的型煤。从前述的原理可形成共识，水夹套周围的冷壁因温度降低导致其周围原料煤的活性降低，烧腐值酸煤球比烧无烟煤影响小，活性越差的煤影响越大。所以，煤气发生炉靠近水夹套地方有部分的碳渣层远远低于着火温度，经实际测试由于水循环冷却效应导致水夹套内周围80mm环区处内部的原料煤层温度过低，不能很好的燃烧贮热及气化。水夹套冷壁效应直接导致了炉渣中单块小返焦的产生。在制气阶段，由于此区温度低，水蒸汽不能很好地气化，加上气流本身存在的趋壁效应，导致此区的蒸汽分解率非常低，这也是目前造气炉蒸汽分解率在40～60%的主要原因。在吹风时空气中的氧气在此环区中不能较好地和碳反应，导致吹风气中氧含量较高，进而影响到水煤气或半水煤气中的氧含量较高，使变换反应蒸汽消耗增加。应该说明的是水夹套冷壁环区温度是呈梯级的，靠壁面的地方温度降低最多。随着碳层的旋转，水夹套冷壁环区不是静态的、环区内的碳粒表面也不是静态的。环区还受到周围碳粒火焰的辐射，降低了水冷壁的影响，环区自身的碳粒表面也能在部分时间内进入扩散控制，只是时间较短。从统计学上讲，水夹套的水冷壁效应导致其碳粒内大部分处于化学动力学控制范围。解决水夹套冷壁效应的方法，最早有的研究单位认为，此区碳粒不能完全燃烧主要因为缺少空气，于是采用增大炉栅底层布风通道、在灰仓中进行二次布风的措施，结果适得其反，造成炉渣残碳量反而上升。主要原因我们前面原理中已分析过，此区因温度过低处于化学动力学控制范围，采取的措施只能提温加催化剂才能减少低温影响。提温至少应保证原料煤的燃点以上，无烟煤保证在600～800℃，最好同气化层温度一致工作在扩散控制之下(1250K以上)。有的研究单位采用提高夹套内的蒸汽压力来提高夹套内壁的温度，但由于蒸汽压力不可能提得很高，表压0.2MPa时饱和温度133.7℃，表压1.0MPa时饱和温度184.1℃，表压1.27MPa时饱和温度194.1℃，表压3.82MPa时饱和温度249.2℃。可见蒸汽提温很有限，克服水冷壁效应的作用也就不很明显。有的研究单位采用夹套内用导热油来控制提温，由于导热油的使用温度一般不能超过350℃，好的有机载热体使用温度仅限于400℃以下，所以克服夹套水冷壁效应的作用也不明显，并且长期运行控制不好导热油容易结焦和分解，操作不好甚至出现夹套鼓包着火爆炸等安全事故。有的单位拟对夹套内采用熔盐来控制提温，熔盐是由硝酸钾、亚硝酸钠及硝酸钠的混合物，工作温度350～530℃。由于熔盐的熔点142℃以上，所以熔盐的启动相当麻烦，开停车循环不好的情况下，很易烧坏夹套。以上几种方法，都能或多或少减轻水夹套冷壁效应，但都不能彻底消除其低温影响，主要因为其提温很有限，不能保证到无烟煤的燃点600～800℃以上，更不能使其环区脱离动力学控制，进而达到同气化层温度一致进入扩散控制范围。3.1.3.2原料煤活性低目前固定床煤气发生炉制气采用的燃料煤为无烟煤或焦炭、半焦或型煤，无烟煤或焦炭、半焦的活性较低，操作中还要考虑到气化层温度不能太高超过燃料的灰融点，在燃烧贮热阶段，燃料就不能快速彻底地燃烧，在气化阶段，造成蒸汽分解率不高，造成炉渣里成型渣块中的残碳高。有的煤种粘结性过大，气化剂不易扩散进碳粒内部，也造成炉渣里成型渣块中的残碳高。3.1.3.3原料煤气化区域存有死区，气固原料接触不均匀以上图一图二是我们常见的两种上行煤气出口（吹风气出口）位置不同的造气炉。在图一造气炉型中，由于上行煤气出口（吹风气出口）在炉体的一侧，这样在吹风时将导致靠近吹风气出口侧气流速度比另一侧快，空气偏流导致气化层有的地方反应剧烈，有的地方反应不充分，有的地方热量能带出，有的地方热量带不出。气化层温度不一致很容易导致一侧结疤，另一侧还没烧透。笔者调查了多家化肥厂造气车间工段长，在图一造气炉型实际生产中，气化层的发软结疤总是在炉体出口的一侧或其对侧概率最多，原料采用活性较差的无烟煤多数为炉体出口的一侧，原料采用活性较好的型煤多数为炉体出口的对侧。无烟煤结疤主要原因是进入扩散反应后贮热较多，型煤结疤主要原因是热量带不出去，反应过多带出过少的热量失衡超过原料的T3点结疤就发生了。当然存在的气化层相对反应死区不是静态的，但煤粒每走到此气化层相对反应死区都要受到影响。在炉膛的顶部水煤气和吹风气交替置换混合空间也很大，造成了二者分离效率的降低。该炉型原料煤层和炉膛顶部气体空间死区都很大，随着炉膛内径的增大、炉内碳层的高径比过小都会扩大原料煤层气固反应的死区空间，这也是中氮肥的大炉型不如小氮肥的小炉型运行好的一项主要原因，这是目前大量应用但需要彻底淘汰的炉型。在图二造气炉型中，原料煤层和炉膛顶部气体空间死区都比图一造气炉型降低，但仍在原料煤层和炉膛顶部气体空间存有较大的死区，仍然需要改造。此炉型当时是为了提高碳层而不用加高炉体采取的办法，但同时也增强了气固接触反应的均匀性，也减少了炉膛气体混合空间。在图三我公司设计的造气炉型中，原料煤层和炉膛顶部气体空间死区都已降至最低，在这种炉型中气固接触反应最为均匀，同时吹风气和水煤气置换分离也最为彻底，它必将是下一步造气炉型的技改方向。由于考虑到目前Φ2800造气炉炉型较大，炉膛存有的死区也就较大，运行不如Φ2400、Φ2600效果好。山东金乡德华化工新上8台Φ2800造气炉，已全部采用我公司设计的炉型及特殊流程。3.2加强间歇反应后气体产物水煤气和吹风气的分离效率在固定床煤气发生炉气化整个过程中，从大的方面讲，可分为煤的空气燃烧贮热同时产生吹风气、煤的蒸汽降温气化同时产生水煤气、分离吹风气水煤气三个过程。具体说，生产合成氨的半水煤气制气过程分吹风（其气去吹风气余热回收）、吹风回收加氮（其气去半水煤气用于加氮）、上吹制气（有的加上吹加氮，其气去半水煤气）、下吹制气（其气去半水煤气）、二次上吹（其气去半水煤气同时用于保证空气吹净的安全）、空气吹净（其气去半水煤气用于加氮）六个过程。生产甲醇的水煤气制气过程分吹风（其气去吹风气余热回收）、蒸汽吹净（其气去吹风气余热回收或放空）、上吹制气（其气去水煤气）、下吹制气（其气去水煤气）、二次上吹（其气去水煤气同时用于保证空气吹净的安全）、空气吹净（其气去水煤气）六个过程。半水煤气实际是水煤气和吹风气的混合气。提高水煤气的有效成分及流量，降低吹风气有效气成分及流量的方法，除了提高其气固反应效率外，只有通过加强分离效果来实现。加强了分离效果，就可提高产物（水煤气或半水煤气）的有效成分及流量，降低副产物（吹风气）有效气成分及流量。3.2.1水煤气和吹风气分离的重要性笔者采用自编程序，模拟了以下数据来分析采用固定床造气炉制气、全低变、PSA脱碳提氢工艺生产单醇时，造气成分对消耗的影响，来显示水煤气和吹风气分离的重要性。（1）模拟计算通用的已知条件：燃料煤性质：热值28164.60kJ/kg，湿基重量%组成：C78.01%、S0.48%、A13.76%、H1.44%、O0.45%、N0.76%、W5.10%，温度30℃。带出物损失比例4%上行煤气温度350℃，下行煤气温度250℃，蒸汽压力0.2MPa，蒸汽温度220℃空气温度30℃，空气相对湿度80.00%，炉渣温度250℃。甲醇放空气成分：CO8.15%、CO25.31%、H258.71%、CH46.57%、N220.63%、CH3OH0.60%、H2O0.02%脱碳后CO收率按90%，提氢后H2回收率90%（2）分别模拟计算的已知条件：计算条件序号气体成分H2COCO2O2CH4N2共计温度（℃）1吹风气组成（体积%）1.00%6.00%16.96%0.40%0.75%74.89%100.00%250水煤气组成（体积%）54.00%35.00%6.00%0.20%0.75%4.05%100.00%2吹风气组成（体积%）1.00%6.00%16.96%0.40%0.75%74.89%100.00%250水煤气组成（体积%）55.00%37.00%6.00%0.20%0.75%1.05%100.00%3吹风气组成（体积%）1.00%4.00%16.96%0.40%0.75%76.89%100.00%250水煤气组成（体积%）55.00%37.00%6.00%0.20%0.75%1.05%100.00%4吹风气组成（体积%）2.00%8.00%16.96%0.40%0.75%71.89%100.00%450水煤气组成（体积%）52.00%35.00%6.00%0.20%0.75%6.05%100.00%5吹风气组成（体积%）1.00%3.00%16.96%0.40%0.75%77.89%100.00%250水煤气组成（体积%）55.00%38.00%5.50%0.00%0.75%0.75%100.00%注：以上气体中成分调整有效气含量时，用N2的体积百分数调整至100%。其中计算条件1～4中：炉渣组成C14.8%、S0.2%、A85%上行煤气量含水量0.26kg/Nm3干气，下行煤气量含水量0.51kg/Nm3干气吹风阶段散热比例6%，制气阶段散热比例5.264%计算条件5中：炉渣组成C8%、S0.2%、A91.8%上行煤气量含水量0.20kg/Nm3干气，下行煤气量含水量0.3kg/Nm3干气吹风阶段散热比例3%，制气阶段散热比例2%（3）分别模拟计算的数据并汇总结果计算条件序号吹风效率制气效率总过程效率100kg燃料产水煤气量(Nm3)吨醇耗水煤气量(Nm3)吨醇放空气量(Nm3)吨醇煤耗（kg)吨醇吹风气因含CO燃烧排放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：吨醇吹风气排放CO2量中已含吹风气中的CO折算成CO2的量。计算条件5是按热壁（半绝热式）的情况模拟。模拟计算结论：从以上数据分析可看出，吹风气成分和水煤气成分对吨醇煤耗影响非常大，计算条件4是按中氮肥大炉型数据进行的模拟，最高消耗和最低消耗吨醇差300多公斤，吨醇煤耗上升后，还可造成造气排到大气中的CO2增加。可见，加强水煤气和吹风气的高效分离，对企业节能减排增加企业和社会效益有非常重要的影响。3.2.2目前水煤气和吹风气分离设备管线配置的缺陷3.2.2.1炉内及炉外吹风气、水煤气混和空间过大目前的煤气发生炉及其相连管道吹风气、水煤气混和空间较大，吹风气和水煤气分离不好，导致吹风气中有效气体CO、H2成分高，水煤气中无效气CH4、O2、N2高。当前生产合成氨的造气流程中，煤气发生炉底空气总阀后、下行煤气总阀前管道仍有不小的混和空间；在煤气发生炉顶、吹风气放空回收阀前、上行煤气总阀前的混合空间更大，除了炉内空间及连接管道外，有的厂还包含了炉外旋风除尘器的空间。这些混和空间造成了分离吹风气水煤气时效率不高。这样，吹风气中不可避免带有一些置换不彻底的有效气成分，造成吹风效率的下降；同时水煤气中不可避免带有吹风气的成分，导致其有效气含量低，制气效率下降。用于生产合成氨的半水煤气需要部分吹风气来形成合适的氢氮比，水煤气有效成分低就不能更多回收吹风气来加氮,导致制气效率低。而用于生产甲醇的水煤气不需要吹风气中的氮，气体成分中的氮含量越低越有利于高效率的甲醇合成，但由于目前工艺配置中分离效果差，不得不将水煤气中的无效气N2+CH4在甲醇合成大量放空，造成吨醇煤耗电耗增加。另外由于目前的煤气发生炉上部混和空间比炉下混和空间大，下吹蒸汽行程长，部分蒸汽分散于炉内空间，无法到达气化层参与反应，在进行下一时段(上吹)时，被吹出煤气发生炉，致使下吹蒸汽分解率较低。而进行上吹制气时，蒸汽行程短，损失少，因而蒸汽分解率较高。经化验分析下吹制气比上吹制气低10%左右。水煤气中的惰性气CH4的产生，除了和原料煤本身的挥发性及操作的炉膛温度有关外，还因为H2和碳在还原层煤中某些物质（如铁、铝、硅等）的催化下反应而成，上行煤气阀之前至炉膛煤层上部的空间较大，导致上行煤气残余的H2量多，直接导致了水煤气中无效气CH4的含量高。3.2.2.2油压阀门转换期间水煤气及蒸汽的浪费目前的煤气发生炉多采用三、四台一组，水煤气共用一台联合除尘器除尘、一台废锅回收煤气显热，一台洗气塔洗涤降温，单炉设干式水封以方便检修，只在洗气塔处设水封与后工序隔开。单炉设干式水封虽然利于回收煤气显热，但吹风气回收阀（或烟囱放空阀）、上行煤气阀开关转换期间，由于两阀门总有同时开启的状况存在，再加上吹风气回收及烟囱出口压力比煤气系统压力低，这样煤气就不可避免地倒流去吹风气回收或者去烟囱放空，造成分离效率的降低。正常生产洗气塔处设水封是很不合适的，它不能限制造气炉之间的串倒气，并且增加了系统制气阻力。在上下行煤气阀转换期间，由于两阀门总有同时开启的状况存在，这样蒸汽就很容易直接加入煤气系统中，造成蒸汽消耗大。4小结—系统分析降低固定床造气炉煤耗的设备管线配置依据上述系统分析，笔者设计出了均布气化热壁催化高效分离固定床造气炉，并已申请了多个多项专利保护（专利号：ZL专利号：ZL200720017162.1专利号：ZL），它的炉体及管道配置形式有多种，但都围绕着解决了以往造气炉中存在的如下缺点：（1）、水夹套的冷壁效应环区导致炉渣里单块小返焦中残碳高、蒸汽分解率低、造气污水外排循环量大、水煤气中含氧的问题。（2）、气化剂在原料煤的分布不均匀及原料煤活性不高造成炉渣里成型渣块中残碳高的问题。（3）、炉内及炉外吹风气和水煤气的混合空间交错过大导致吹风气有效气成分高气量大、煤气中有效气成分低气量小的问题。（4）、油压阀门转换期间水煤气的损失及蒸汽的浪费问题。均布气化热壁催化高效分离固定床造气炉有多种形式，下图是其中两种配置结构示意图，气化层采用的是绝热壁及半绝热壁。均布气化热壁催化高效分离固定床造气炉采用的新技术特点：（1）、采用热壁改进气化层水夹套。热壁以耐高温耐磨不结渣多层复合特种陶瓷涂层砌筑在水夹套内部，可保证气化层温度运行在气化剂扩散控制范围内(大于900℃)且不结渣，蒸汽分解率提高5%以上，造气炉产气量提高15～20%。（2）、采用绝热锥形炉顶及炉顶中央接口（采用弯头接口或可用短管节连接支管）的气流通道，采用炉底气化剂旋向进口进行一次分布，保证气化剂在炉内碳层分布均匀不走短路，炉内气流空间无死角，更适合单醇生产。（3）、采用炉顶炉底气流通道各一根管道及耐磨一控多通异型阀，流程简捷、置换时间最短，水煤气和吹风气分离彻底，炉外气流空间无死角。（4）、采用准无阻力制气流程。在多炉共用一锅一塔流程中，正常生产中洗气塔进口煤气管道不进行水封，多炉检修时采用水封。（5）、由于采用热壁，在造气上吹阶段可高温分解合成放空气、弛放气、提氢废气等富甲烷气中的甲烷为原料气（CO和H2）以上技术可单项采用，也可全部集成采用。集成采用时，该炉型及配套流程可比普通造气炉气化强度增加20%以上，水煤气有效成分提高2%以上，吨醇吨氨煤耗至少降低10%～30%。