系統(tǒng)思考實(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模板

1、系統(tǒng)思考實(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系統(tǒng)思考實(shí)現(xiàn)造氣爐節(jié)能減排的極限一熱壁高效造氣爐的推廣原理王子國(guó)1概述何謂系統(tǒng)思考？就是對(duì)相對(duì)封閉的一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部及外部所進(jìn)行的思考。 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)（雖 然這個(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，才能知道各系 統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)外部及內(nèi)部的影響。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,很多廠家往往以噸氨（噸醇）來(lái)考核造氣,這不完全正確。因?yàn)橐試嵃保▏?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。有的人喜歡把固定床

2、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 經(jīng)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。氣流床流化床采用無(wú)煙煤進(jìn)行氣化，比氧耗要增加，即使加 活性劑助焰劑仍不能很好地適應(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)境的影響最小,這樣的 造氣配置就是最好的技術(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

3、不 存在的。本文的目的就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)管理人員的責(zé)任。當(dāng)設(shè)備管線配置不能很好地適應(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)的辦法就是技改提高配置，管理提高人員操作

4、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)，很少人能對(duì)固定床造氣進(jìn)行深刻的工藝系統(tǒng)分析,主要原因是 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)的影響,一項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān) 聯(lián)很多數(shù)據(jù),要解很多方程組,計(jì)算下來(lái)要不知道耗費(fèi)多少時(shí)日。計(jì)算機(jī)是進(jìn)行系統(tǒng)分析的很好工具，近二十年來(lái)，各設(shè)計(jì)院大量引進(jìn)國(guó)際 上著名的化學(xué)工程專業(yè)計(jì)算軟件，如PRO(II)、ASPEN PLAS、 HYSYS、 HTFS、FRI、HTRI等，版次不斷更新。其中應(yīng)用比較廣泛的是PRO(II

5、)、 ASPEN PLAS、HYSYSo但這些軟件使用費(fèi)用相當(dāng)昂貴,而且熟練掌握需要 花費(fèi)比較多的時(shí)間，國(guó)外也沒(méi)模擬計(jì)算固定床造氣的參考例子，因?yàn)楫?dāng)前它基 本上是只屬于我們中國(guó)獨(dú)有研究的東西了。采用辦公軟件Excel表格進(jìn)行物料熱量衡算是比較快捷準(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)單元格就是一個(gè)電子表格，很容 易進(jìn)行一般的加、減、乘、除、乘方、開(kāi)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(wèn)題:(1)循環(huán)計(jì)算,(2)表、單曲

6、線、曲線組的查找(如表: 常壓氣體在不同溫度下的焓),也就是書(shū)中一些數(shù)據(jù)表格曲線的函數(shù)化是個(gè)難 題。對(duì)于問(wèn)題(1)循環(huán)計(jì)算,Excel在工具菜單中提供了兩個(gè)命令:單變量求解 和規(guī)劃求解，利用這兩條命令很容易解決，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。對(duì)于問(wèn)題(2)表、曲線的查找,Excel沒(méi)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，只能是勉強(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

7、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，但不如她的好用。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，她根據(jù)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，可很方便地在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。當(dāng)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。使用非常方便，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)

8、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(shū)，留好數(shù)據(jù)接口，然 后可很方便地組合成全廠的物料熱量衡算書(shū)，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(wèn)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。在這個(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

9、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，下面我們分別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，主要提高其溫度，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用電磁波輻照等，當(dāng)前還沒(méi)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、

10、表面狀況、密度、粒度等關(guān)系很大。無(wú)煙煤揮發(fā) 分含量最低，一般10%，含碳量很高,灰分、水分等雜質(zhì)較少,因而發(fā)熱量高 約在21000 32500kJ/kg，著火和燃燼都很困難。一般來(lái)說(shuō),煤的活性和其碳化年齡有關(guān)，灰焰點(diǎn)大的往往活性不好，活性好 的往往灰焰點(diǎn)低，了解煤的活性灰焰點(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，可是化學(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。活性高的和活性低的、灰焰點(diǎn)高的和灰焰點(diǎn)低的不同煤配燒，以達(dá)到兼 顧二者的目的。3.1.1.2影響原料煤活性的因素一溫度

11、煤的燃燒速度隨溫度的增加而很快增加，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117134 kJ/mol。當(dāng)無(wú)煙煤和煙煤同時(shí)從 1200K提高到1500K時(shí)，按其活化能分別為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。可見(jiàn)活化能越大的煤 種，提高溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響越大。提高溫度對(duì)無(wú)煙煤的活性影響很大，但要受制于煤的灰焰點(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焰點(diǎn)T1和T2之間，在這 個(gè)溫度下，以一些難焰灰渣為框架,一些易焰碳粒形成液滴均布在相當(dāng)于渣填 料的框架中，此時(shí)氣固液接觸最為均勻傳質(zhì)反應(yīng)

12、速度最快。經(jīng)過(guò)觀察下渣形 狀可看出造氣爐氣化層溫度是否處于這個(gè)階段，氣化層工作在灰焰點(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影響原料煤活性的因素一催化劑針對(duì)無(wú)煙煤活性不高的情況，除了采用提高溫度外,還可采用添加催化劑 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)間內(nèi)使氣化層 達(dá)到較高的溫度,相應(yīng)縮短了吹風(fēng)時(shí)間，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)控制轉(zhuǎn)入擴(kuò)散控制，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

13、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)，對(duì)于相同的陰離子,不同陽(yáng)離子催化活性順序是 Cs RbKNaBaLiSrCaMgBe，另有資料說(shuō)明 Cr Mn，F(xiàn)e Ni，Co Ca，Zn Al，Cu K。對(duì)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焰點(diǎn)。 針對(duì)粘結(jié)性過(guò)大的煤種，可采用微爆劑來(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碎嚴(yán)重,帶出物過(guò)大。選用催化劑應(yīng)盡量做到廢物利用，不少工農(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、