煤气化技术

波浪床煤气化技术(L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺及系统),是我国鲜有的通过三年四轮国际答辩，获得发明专利的煤气化系统生产工艺创新技术。它通过煤气化工艺设计理念的创新，卧式回转波浪床炉体技术设备的发明，为普通煤炭气化生产以及更广泛领域的应用，提供高效清洁解决方案。

波浪床煤气化研究开发的起点是基于煤炭组分的认识，强调煤气化工艺设计客观性、准确性与系统化，给煤炭不同成分各自准确的工艺定位。采用分类处理的工艺理念，使工艺系统更加适度准确合理，以最小成本的外部条件，促进煤炭内在动力发挥更大的作用，不是采用外部强力高能量覆盖“一刀切”的高温高压高速率的工艺方式，

波浪床煤气化技术有三个创新点“1热交换质量为核心的回转技术”2采用普通煤炭为原料，3以中温中压工艺环境为基础，它改变了国内外高温高压高成本的工艺，突破了只能使用优质煤炭的局限，项目建设造价和运行成本降低40%；质量效益提高20%以上，它突破了长达数十年的技术屏障，将推动煤气化联合循环技术有一个快速的高增长。

中文名

L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺及系统

外文名

L-type horizontal rotary wave bed gasification production processes and systems

L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺及系统 L-type horizontal rotary wave bed gasification production processes and systems

• L-shaped horizontal type rotary wave bed coal gasification production process and system

研究煤炭的组分构成是创新煤气化工艺的基础

煤炭是煤气化生产的原料，其分类繁杂，有烟煤无烟煤，肥煤瘦煤，气化煤动力煤等等，不同品种的煤炭热值含量，机械强度密度，粘结性及灰融点等各有不同。无论多少种分类，煤炭是一个混合物，由挥发物质、固定碳、灰分和少量硫等杂质组成，这个基本的内在属性不变。现行煤气化工艺设计理念，对煤炭的内在属性重视不够，忽视煤炭组分构成与生产工艺之间的互动研究，同时对煤原料的化学性利用重视不够。

现行煤气化技术过多的依赖煤炭外形尺寸的前置条件 ，而且定形定性要求苛刻，几乎假定煤炭是单质炭，通过不断缩小外形尺寸，不断提高工艺温度压力，达到提高煤气化产量的目的。如果煤炭是单质炭，从热力学的角度来说，它增加了几何面积促进了热交换的实现，这个做法无可非议。但是在现实生产实践中，最好的煤炭也只有70%的固定碳含量，不管把煤粉磨得再细，除了挥发物质至少还会有15%的灰分，如果选择了“高速率”工艺手段，数秒中的急速增温，煤炭固气转换时间太短，碳与灰分离的时空条件过于狭窄，采用提高工艺温度压力的方式熔融灰分，需要增加能耗约20%，这是“高速率”工艺设计付出的多余代价。也是某些煤气化技术成本居高不下的重要原因之一。

波浪床煤气化研究开发的起点是基于煤碳组分的认识，强调煤气化工艺设计客观性、准确性与系统化，给煤碳不同成分各自准确的工艺定位。采用分类处理的工艺理念，使工艺系统更加适度准确合理，以最小成本的外部条件，促进煤碳内在动力发挥更大的作用，不是采用外部强力高能量覆盖“一刀切”的工艺方式，这就类似于中国古代的庖丁解牛，究其筋骨，摸清脉络，不再把注意力集中在煤碳外形尺寸上做出浅层的判断，按煤碳构成规律分门别类分化处理。分类处理是波浪床煤气化技术的一个重要理念，全面准确认识煤碳的内在属性，关注煤碳不同成分的物理性化学性，关注煤碳与气化工艺要素之间的关系，才是新型煤气化技术研究开发的准确出发点。

1,热交换质量是煤气化工艺设计核心

在煤气化生产工艺过程中，煤碳的组分、气化温度、机械强度、粘结性、灰熔点都属于内在属性范畴；煤气化炉体内的工艺温度、压力、煤流量、气流量、固气空间、时空流程都属于外部条件范畴。煤气化工艺设计的过程，是寻找煤碳内在属性与外部条件最佳匹配的过程。在工艺设计这个环节中，主要矛盾是“最佳匹配”，它决定着热交换的质量。

“热交换质量”的计算较为复杂，它主要是从物料之间热交换的结构和方式的角度，来反应热传递交换程度的计量。它的基本规律反映在煤气化生产上，更接近工艺的本质，它的基本目标应该是更少资源消耗及环境影响，换取更大的工艺生产社会价值。

“热效率”是单位时间内一定工况环境下，工艺过程的热能量转换比，它只包含了可以折算热值的因素，并不包括工艺过程中的非热值因素，比如工艺方式，基础原料标准，工况环境花费，资源获得难易程度，环境影响等等。

“热效率”追求的是更快更多，是一个速度概念；热交换质量追求的则是一个相关范围矛盾体中的“和谐统一”，是一个质量体系概念，也是绿色发展的一个重要尺度。

例如，在一个煤气化工艺生产过程中，使用7000大卡的优质煤要比使用5000大卡的普通煤热效率高出很多。因为在一个生产系统中，同样的煤碳体积流量，同样的工艺消耗，所用的原料的质量不同，优质煤原料要高出普通煤原料生产中的热效率是必然的。而从现实生产情况看，优质煤资源储备少，只有解决普通煤碳的气化高效清洁利用，才能满足当前节能减排，高效清洁发展绿色的需要。要解决的主要矛盾，是破解“只能使用优质煤”的工艺缺陷，是一个体系的质量问题，所以热效率的计算结果，在这里形成不对称的比较，失去了判断的准确性。仅仅用热效率的计算是不够的，热交换质量的核查和计量是必要的，它包括的相关因素更多，比热效率更为深刻，更接近事物全过程的合理性。而不仅仅是一个局部的优异表现。

“气化速率”是生产工艺中的一个手段参数，它是单位时间固气转换量的计算，是一个速度指标，它不代表“最佳匹配”的整个工艺工程。最佳匹配则是一个更全面的系统设计，它不仅包括气化速率还包括更多的因素。寻找和发现最佳匹配，需要梳理多种要素之间的相互关系，例如：提高煤气化产量，最佳选择是加快煤气化速度，还是改善热交换环境，两者哪个是解决矛盾的关键等等。煤气化过程中要素很多，分析辨别主要矛盾是工艺设计的基本定位，它决定着整个工艺设计的成败。“碳转换率”常常被看做衡量煤气化技术的一个重要指标，在生产环节中，可以理解为是工艺设计最佳匹配一个必然反应，是事物运行的结果，它有一个气化工艺条件的能量投入产出的价值比较关系，不应该是不计算投入产出的资源形式转化。比如：在将固体煤碳转换成气体生产过程中，如果生产工艺环境消耗的能量大于转换后气体产品所含能量的50%以上，就意味着，在不计算生产过程所需要的设备投资的前提下，完成这个生产转换，新生成的气体产品能量减少了50%；如果加上设备投资，再与新生成产品的能量价值比较，就可以衡量这个生产转换过程的商业意义。所以不能只看“碳转换率”的比值，还要考察它的转换条件代价，它可以做为煤气化实验过程的一个参考尺度，但它不是判断衡量煤气化生产全过程的价值尺度。

煤气化是一组存在于碳氧之间、碳与水蒸气之间以及再生气体之间的系列化学反应，在这一系列的化学反应中，既有放热反应又有吸热反应，无论是放热还是吸热，都是通过热交换完成其化学性物理性的转换，没有热交换固体的碳不可能变成气体；没有热交换氧气不可能参与煤气化的化学反应；没有热交换也不可能有水蒸气的身份转变。因此热交换是煤气化生产的主要矛盾，热交换的质量是煤气化生产质量的“美学”标准，是煤碳内在属性与外部条件匹配的结果，如何提高被气化物之间热交换质量是煤气化工艺设计的“牛鼻子”。

发现热交换质量在煤气化生产工艺中的核心作用，是波浪床煤气化技术发现和坚守的理念，如何实现这个理念，需要对煤炭在气化过程中的变化作进一步的分析。在煤气化生产过程中，煤的固气转换质量，依赖于物料之间热交换的质量，一个高质量的热交换，需要对煤原料的内在属性与外部条件之间，多元函数关系的分析理解与合理匹配。不同品种不同产地不同热值含量的煤碳，不管外形颗粒大小，它的煤原料内在属性是相同相近的。只要找到与之最佳匹配的一组外部条件，理清它们之间函数关系的变化规律，就可以实现我们的设计理念，构建我们需要的煤气化新技术。在这里有三个要点：❶内在属性是客观的，是无法改变的；❷外部条件是形式是可以创造的；❸内在属性与外部条件的最佳匹配是可以调控的。三个要点既是对煤气化过程的分析认识，也是提高热交换质量的工艺准则。遵循这个准则，就能找到破解煤气化生产技术的难题，就能找到符合投入产出规律的煤气化技术。

2，营造空间是提高热交换质量的基础

炉体容量是煤气物料实现热交换的总空间，是一个确定的常量。在这个常量总空间中，煤碳空间和气流空间之比，煤流量与气流量的交流互动，固气之间热交换，都需要在相应的时空条件下进行，没有一定的时空条件就谈不上热交换，恰当的时空结构是保障热交换质量的基础。不同的煤气化技术有不同的炉体结构，炉体内的空间总量，固气比例，煤流量气流量的参数匹配，都受炉体空间结构和工艺设计思想的支配。固定床立式圆形静态炉体，以块煤和型煤为原料，在炉体内上下堆放，固体空间过多，气体空间过少是固定床炉体结构性矛盾，其比例很难做变量调整，而且必须使用相对均等的块煤，才能通过煤块之间的缝隙，给气体留出固气反应所需要的空间。气流床同样立式圆形静态炉体，以煤粉或者水煤浆为原料，它把煤碳加工成细粉是从外部向炉体中喷射，工艺设计要求煤粉（煤浆）在进入炉体漂浮中的数秒钟时间内，完成固气转换，高速率必然要有一个高能量的煤气化空间与之相匹配，不仅带来了高温高压高能耗，还带来了管道仪表一系列的设备造价费用上涨，高能量环境衍生的代价，一系列函数关系变化追问着工艺设计的商业合理性。

技术进步的理念是在长期生产实践中，通过对现实生产难题的思辨产生的，它促进人们产生变革现实的冲动，去研究发现创造解决生产问题的新方案，新方案又需要回到生产实践中检验自身的创新意义，技术创新需要一个“再知行”的反复过程。依据“热交换为核心的设计理念”，依照煤碳内在属性与外部条件匹配的设计思想，分析观察现行的煤气化技术，就会发现它们彼此的优缺点，针对现行技术存在的问题，寻找我们的解决方案2100433B

气流床加压气化技术以惠生与壳牌联合开发的混合气化技术（Hybrid）为例：Hybrid是一种先进的粉煤气化技术，该技术结合了现有壳牌 SCGP废锅流程优点，包括粉煤加压气化输送系统、多烧嘴侧喷式烧嘴布置、膜式水冷壁、间歇排渣等已经在现有SCGP装置被充分验证成熟可靠的工艺，同时又去掉了现有流程中复杂而容易出故障合成气冷却器（废锅）和飞灰过滤器，并且结合了目前被广泛应用于现有气化技术的合成气激冷工艺，既保留了壳牌SCGP废锅流程原有的煤种适应性强、易大型化等特点，采用优点，又吸收了现有激冷技术的优点，并有针对性地做出了改进。2100433B

衡量煤气化过程的综合性技术参数。用于对气化过程的操作特性进行评估及作为工业煤气化站设计的依据。根据煤气化过程的热力学分析，从热平衡和物料平衡计算，确定气化技术指标，包括煤气组成、煤气热值、煤气产率、空气消耗、蒸汽消耗、冷煤气效率、热效率和气化强度，还有焦油产率、轻油产率、酚水产率及灰渣含碳、蒸汽分解率等。

煤气组成指煤气中所含CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2、H2S等组分的体积百分数。

煤气热值在标准状况下，1m煤气的发热量，以MJ/m表示。根据煤气中各可燃组分的体积百分数计算而得。

煤气产率1kg入炉煤所产煤气的标准状态下体积数，以m3/kg表示。

空气消耗(或氧气消耗)，1kg入炉煤气化消耗的空气(或氧气)的体积数(标准状况下)，以m3/kg表示。

蒸汽消耗1kg入炉煤所需的蒸汽量，kg/kg。

冷煤气效率气化1kg煤所产煤气的热值占该气化用煤发热量的百分数。若

气化效率气化产物的热量(包括煤气潜热、显热及副产蒸汽的热量之和)占气化用煤的热量的百分数。

气化强度指每小时单位气化炉截面积所气化的煤量或所产煤气量，分别以kg/(m·h)、m/(m·h) 表示。

在上述各项指标中，冷煤气效率和气化强度是两项综合性较强的技术指标。若气化强度、冷煤气效率的数值大，表明气化过程好。各项气化指标之间存在着密切的关系，把它们作为分析气化过程的依据时，都有各自的意义，不可忽视。