在线控制造渣气化工艺的方法和用于气化工艺的设备与流程

本发明涉及一种在线控制在供应有气化剂和缓和剂的气化反应器中气化含碳固体燃料、尤其是煤的造渣工艺的方法。本发明进一步涉及一种用于由固体燃料生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺，一种用于在线控制造渣气化工艺的计算机程序，以及一种用于实施用于由固体燃料生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺的设备。

背景技术：

用于生产含有一氧化碳(co)和氢气(h2)的产物气体的造渣气化工艺是现有技术中已知的。例如，在高压和高温下的煤气化中，来自煤的碳被转化为合成气，co和h2的混合物。通常，在煤的气化中，在固定床、流化床与气流床气化之间存在区别。根据矿床，煤具有或多或少比例的无机矿物。在造渣气化方法中，在气化中作为灰分残留物获得的矿物作为液态渣从气化反应器中排出。

用于确定固体燃料例如煤的组成的在线固体燃料分析迄今已经在用于发电的煤燃烧领域中采用。在线固体燃料分析的优点在于固体燃料的采样与期望的分析结果的递送之间的短延迟。与典型地需要几个小时的分析时间的传统实验室方法相比，在线固体燃料分析使得能够实时地结合到所讨论的设备，例如燃煤发电设备的工艺控制系统中。

气化工艺，例如煤的气化，典型地在高压(最高达68巴)和高温(900℃至1800℃)下进行。由于这些极端条件，并且作为存在腐蚀性炉渣熔体的结果，不可能直接进行重要的工艺参数的直接测量。这种工艺参数的实例是炉渣流量(质量流量)和气化反应器中的温度。结果是，有必要利用间接测量参数来控制气化工艺。例如，可以通过输入到反应器冷却系统中的热量、反应器壁中的温度测量或产物气体中甲烷(ch4)或二氧化碳(co2)的含量来估计工艺温度(参见，例如，m.：“industrialcoalgasificationtechnologiescoveringbaselineandhigh-ashcoal[涵盖基准煤和高灰分煤的工业煤气化技术]”，wiley-vch[威利-vch出版社]，isbn978-3-527-33690-6，2014)。这种测量和控制方法的一个缺点是测量是间接的。另一个是所提及的方法是反馈方法。这些基于仅在反应器中的实际气化反应之后进行的测量而工作，没有以任何方式考虑在进入反应器之前固体燃料的组成。由于间接测量，控制系统因此可以仅在工艺中的关键步骤(固体燃料的气化)已经发生时才干预工艺。

由于各固体燃料分析之间的间隔长，因此在实验室中不能检测到固体燃料质量的快速变化，尤其是灰分含量和灰分组成的快速变化。此外，由于工艺参数的间接测量，经常不可能得出关于设备操作的任何明确结论。由于这些间接测量也经常通过反馈原理工作，因此这些测量仅以大的时间延迟对气化工艺中的变化作出反应。结果是，基于由此获得的结果，经常不可能得出关于设备操作的任何明确结论。

因此，大多数固体燃料气化器不是以最佳方式操作的。通常仅在所讨论的固体燃料已经气化之后才可获得每天仅一次经常进行的固体燃料分析。因此，基于间接测量参数和通过反馈原理确定的那些参数的矛盾趋势，延迟的人工干预气化工艺不能建立气化器的理想操作点。此外，基于间接测量参数的气化工艺的自动化几乎是不可能的。

气化方法中特别严重的问题是固体燃料质量的快速变化。这些不仅在煤的情况下遇到，而且在其他生物固体燃料(生物质、污水污泥)和废物的情况下也遇到。由于固体燃料借助于传送带运输到筒仓或储存容器中，因此在所有转运点处不可避免地发生由粒度、密度、水分或类型(例如在煤混合物的情况下)引起的分离。结果是，对于气化器的操作，固体燃料质量的显著变化可能在短时间段如几小时内出现。例如，在煤的造渣飞灰气化设备的操作中，诸位发明人发现实际的灰分含量可以从参考灰分含量变化几个重量百分比(％按重量计)。例如，已确定，给定按重量计13％的测量的参考灰分含量，气化反应器入口处的实际灰分含量可在按重量计11％与按重量计18％之间变化。如果由于变化不可检测而仍然保持气化反应器的参考操作点，则根据实际灰分含量高于还是低于参考灰分含量，产物气体(例如合成气)被燃烧或实现差的碳转化率。

在与参考灰分含量相比更高的实际灰分含量的情况下，结果是由于产物气体的放热燃烧，气化反应器中的温度太高。其结果是，燃烧器的寿命减少，气化剂(例如氧气)的消耗高于原则上所需的(相对于碳过量供应氧气)，产物气体产生减少，并且来自气化工艺本身以及作为氧气产生中提高的电能需求的结果二者，发生co2排放提高。

在与参考灰分含量相比更低的实际灰分含量的情况下，结果是相对于固体燃料的较高碳含量提供不足的气化剂(例如氧气)。其结果是，由于碳过量，气化反应器中的温度显著下降，这可能导致炉渣的凝固，并因此导致设备的紧急关闭。这种情况的另一个结果是一些碳没有转化成产物气体，这导致在灰分/炉渣和急冷水中不期望的大量碳，必须将其从中除去并以昂贵且不方便的方式处置掉。这种情况的另一个结果是每单位供应碳的产物气体量明显下降，这相应地导致生产率损失。

固体燃料质量的瞬时变化另外具有以下结果：由此产生的显著的操作波动也影响上述间接测量参数。例如，间接测量参数受到由于温度变化和改变的炉渣流出量而改变的对反应器冷却系统的除热和其中的蒸汽产生、产物气体的量和组成的变化以及炉渣组成的变化的影响。由于这些问题，定期地需要人工干预气化设备的操作。

经济边界条件经常还需要在气化设备中频繁更换固体燃料，使用具有高灰分含量并因此也具有高炉渣含量的劣质燃料，以及需要添加助熔剂以改善炉渣的流变特性并使用燃料混合物(例如煤共混物)。结果是，在任何情况下存在的燃料质量的变化都会被固体燃料中的进一步的不均匀性加剧。

总之，可以说，由于固体燃料质量的变化，尤其是由于灰分含量和灰分组成的变化，不可能基于现有技术直接建立气化反应器的最佳操作点。仅举几个缺点，偏离气化反应器的最佳操作点将导致设备的能量消耗增加、产物气体产率降低、磨损增加和co2排放增加。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是至少部分地克服现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种在任何时候即使在固体燃料质量快速变化的情况下也能够确定气化反应器的最佳操作点的方法。

本发明的另一个目的是提供一种即使在固体燃料质量快速变化的情况下也能够确定气化反应器中质量、元素和能量的优化平衡的方法。

本发明的另一个目的是提供一种至少部分地通过前馈原理确定气化反应器的操作点、尤其是优化操作点的方法，通过所述方法，在固体燃料进入气化反应器之前，确定、评价和使用建立优化操作点所需的数据来控制所述方法。

本发明的另一个目的是提供一种至少部分实现上述目的的在线控制含碳固体燃料气化的造渣工艺的方法。

本发明的另一个目的是提供一种至少部分实现上述目的的用于生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺。

本发明的另一个目的是提供一种计算机程序，其可以被加载到计算机的存储器中，并且被执行以用于至少部分地控制至少部分实现上述目的的方法。

本发明的另一个目的是提供一种至少部分实现上述目的的用于实施用于由固体燃料生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺的设备。

上述目的至少部分地通过一种在线控制在供应有气化剂和缓和剂的气化反应器中气化含碳固体燃料、尤其是煤的造渣工艺的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

a)规定要通过气化工艺生产的产物气体的量，尤其是合成气的量；

b)借助于在线固体燃料分析仪对在所述固体燃料进入所述气化反应器之前采集的固体燃料样品进行在线固体燃料分析，以确定在进入所述气化反应器之前所述固体燃料的灰分含量和灰分组成；

c)借助于工艺控制系统读出所述气化反应器的操作数据；

d)在工艺模型中处理来自所述在线固体燃料分析的数据和所述气化反应器的操作数据，以确定所述气化反应器的操作点，而同时实现规定的产物气体量，其中所述工艺模型

i.基于通过所述在线固体燃料分析确定的灰分组成确定所述气化反应器的操作温度，以便使炉渣能够基本上完全流出所述气化反应器；

ii.基于通过所述在线固体燃料分析确定的灰分含量确定所需的固体燃料的质量流量；以及

iii.基于所述气化反应器的操作数据确定所需的气化剂和缓和剂的质量流量；

e)借助于用于控制所述气化工艺的所述工艺控制系统来调节所述气化反应器的操作点。

指定的工艺步骤不必一定按指定的顺序执行。

本发明将用于固体燃料例如煤的在线固体燃料分析与工艺模型相结合，以便通过前馈原理在热力学最佳操作点处操作造渣气化工艺。所述工艺通过对迄今未检测到或无法检测到的固体燃料组成的快速变化作出反应来实时建立最佳操作点。所述工艺允许固体燃料气化工艺的全自动操作，而无需人工干预气化工艺。

与迄今已知的控制方法相比，本发明的方法通过前馈原理工作。根据该原理，在由分析代表的固体燃料进入气化反应器之前，借助于在线固体燃料分析仪确定固体燃料的组成和灰分含量。同时，由气化反应器产生的操作数据由设备的工艺控制系统读取，并与在线固体燃料分析仪的分析数据一起在工艺模型中进行处理。在由在线固体燃料分析代表的固体燃料进入气化反应器之前，工艺模型计算出气化反应器操作的最佳操作点。例如，如果灰分含量高于参考灰分含量，则相对而言可用的碳较少，并且所述工艺模型尤其计算出固体燃料(例如煤)的量相应地增加，以便不会无意地燃烧部分产物气体。例如，如果灰分含量低于参考灰分含量，则相对而言可用的碳较多，并且所述工艺模型尤其计算出固体燃料(例如煤)的量减少，以便增加碳产率。

操作点应理解为意指一组参数，所述参数能够实现最佳操作，即最佳操作条件和最佳操作状态，以便在热力学最佳条件下操作气化反应器。气化反应器的操作点在操作期间至少根据所使用的固体燃料的灰分含量和灰分组成连续变化。操作点不能预先规定，并且由工艺模型连续地(即在线)重新确定。操作点包括但不限于足够低的温度或温度间隔，使得一方面实现最大的碳转化率，并且同时确保炉渣不间断地流出。在一个实例中，碳转化率为至少90％、优选至少95％并且进一步优选至少98％。根据操作温度，在一个实例中，在气化反应器中的相应普遍操作温度下炉渣的粘度小于25pa*s。

为了本发明的目的，工艺模型确定气化工艺中的能量、质量和元素的平衡，以便计算气化工艺的(最佳)操作点。气化工艺的能量平衡取决于普遍的热力学平衡和气化工艺的动力学。能量平衡可用于确定确保炉渣流出反应器的操作温度。

在本发明的上下文中，气化反应器不仅包括反应器本身，即固体气化器，其中发生固态材料到产物气体的实际转化。气化反应器还包括但不限于连接到固体气化器并为气化工艺所需要的外围设备，例如燃烧器，将固体燃料引入和引出的管道，输送气体、气化剂和缓和剂的管道。

由工艺模型确定的(最佳)操作点被传输到设备的工艺控制系统，所述工艺控制系统调整操作点并因此控制气化工艺。

气化剂应理解为，但不限于，意指与固体燃料发生放热反应的气体或气体混合物，即与固体燃料反应时具有负的反应焓。典型的气化剂的实例是空气、氧气和氢气。

缓和剂应理解为，但不限于，意指与固体燃料发生吸热反应的气体或气体混合物，即与固体燃料反应时具有正的反应焓。另外地或可替代地，缓和剂不与固体燃料反应，而是惰性的并且由于其热容而从工艺中除去热量。另外地或可替代地，缓和剂是液体，并且由于缓和剂的蒸发焓而从工艺中除去热量。缓和剂的实例是蒸汽、co2、水和氮气。

在本发明的上下文中，表述“在线”意指，但不限于，所讨论的步骤在操作期间执行、尤其是在操作期间连续地执行，或者所讨论的机器在操作期间工作、尤其是在操作期间连续地工作，例如进行分析。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，连续重复步骤b)至e)，以便根据固体燃料随时间推移的灰分含量和灰分组成的变化连续地确保气化反应器的优化操作模式或连续地调整气化反应器的操作模式。

在此有利的是，尽可能经常地重复步骤b)至e)，使得工艺模型甚至可以考虑固体燃料组成的快速变化，并且每次可以相应地重新调整操作点，以便在任何时候尽可能不改变气化反应器的最佳操作模式。

因此，根据本发明的方法的另一个优选实施例的特征在于，步骤b)至e)以10秒至300分钟的间隔重复、优选以1分钟至60分钟的间隔重复、更优选以3分钟至30分钟的间隔重复、进一步优选以5分钟至10分钟的间隔重复。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，基于用于确定作为灰分组成的函数的灰分液相线温度的热力学模型计算所述气化反应器的操作温度，其中计算出的灰分液相线温度对应于所述气化反应器的操作温度。

要建立的操作温度是最低温度，如果可能的话所述温度不应低于所述最低温度，其旨在确保炉渣(基本上是液化的灰分)从气化反应器中可靠流出。该温度取决于灰分的组成。灰分的组成由在线固体燃料分析仪确定。因此，可以基于在线固体燃料分析仪确定的数据，基于热力学模型来计算所谓的灰分的液相线温度或灰分液相线温度。计算受工艺模型影响。灰分液相线温度是这样的温度，高于所述温度，炉渣的熔体中不再存在晶体。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，基于用于确定作为灰分组成的函数的灰分流体温度的人工神经网络模型计算所述气化反应器的操作温度，其中所述操作温度高于计算出的灰分流体温度，优选高于计算出的灰分流体温度50k至100k。

作为基于灰分液相线温度确定操作压力的替代方案，也可以基于所谓的灰分流体温度确定操作温度。在此借助于人工神经网络模型由灰分组成计算灰分流体温度。此处的操作温度高于计算出的灰分流体温度。给予优选的是选择高于计算出的灰分流体温度50k至100k的操作温度。术语“灰分流体温度”在astm标准d1857m-04(2010)中被定义。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，步骤b)中的所述在线固体燃料分析借助于选自下组的方法实施，所述组包括：

-瞬发γ中子活化分析(pgnaa)，

-激光诱导击穿光谱法(libs)，和

-x射线荧光分析(xrf)。

使用哪种提及的方法取决于固体燃料的性质、典型的灰分含量和典型的灰分组成。

pgnaa方法的优势在于由此可以分析固体燃料中存在的几乎所有的化学元素。因此，通过pgnaa方法不仅可以分析灰分中形成无机化合物的元素(金属、半金属)，还可以分析形成有机化合物并且存在于固体燃料中的元素，如碳、氮和氧。这使得能够借助于pgnaa方法对固体燃料进行完全的在线分析。然而，由于其需要快速衰减的辐射源，因此安装pgnaa分析仪涉及批准、维护和集成到现有设备的相对高的要求。

libs方法可以检测固体燃料中最重要的化学元素，但要求分析物的光滑、代表性、细粒且无飞尘的表面，这可能损害测试方法在操作中的可靠性。

xrf方法稳健、廉价，并且要求呈粉尘形式的颗粒大小为粒度小于200μm的固体燃料以进行分析。它允许可靠地检测具有原子序数z＞10的化学元素。因此可以可靠地检测在燃料灰分中形成无机化合物的元素，以便确定灰分组成和灰分含量。由于其稳健性和有利的成本，xrf方法优选用于步骤b)中的在线燃料分析。

形成无机化合物并规定固体燃料的灰分组成和灰分含量的元素的实例为al、si、fe、ca、s、p、cl、k、ti、cr和mn。为了进行根据本发明的方法，确定灰分中主要元素的含量是足够的，而无需分析痕量存在的元素。痕量存在的化学元素影响灰分含量，并且因此以可忽略不计的低程度影响气化工艺的(最佳)操作点。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，基于形成无机化合物的分析元素的典型氧化比确定灰分含量和灰分组成。

在任何情况下，固体燃料的灰分包括处于完全氧化形式的化学元素，而不考虑气化工艺中的条件。这种元素的实例是硅(作为sio2)、钙(作为cao)和铝(作为al2o3)。根据气化工艺中气氛的特征(氧化或还原气氛)，其他元素以非氧化形式或不同的氧化程度存在。这种元素的一个实例是铁，铁可以以元素铁(fe)、feo、fe3o4和fe2o3或以与上述元素的混合物或由上述元素构成的混合物的形式存在于灰分中。根据各自的比例，这导致不同的灰分流体温度或灰分液相线温度。因此，有必要在采用根据本发明的方法之前在氧化或还原气氛下在灰分熔体测试中确定确切的氧化条件。此处采用的气氛是主要在气化工艺条件下存在的气氛。一旦确定了“典型的氧化比”，就可以将通过在线固体燃料分析仪确定的元素组成转换为灰分组成并进行归一化。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述方法包括确定固体燃料的有机含量和有机组成，以及确定在进入气化反应器之前固体燃料的水含量，以及在工艺模型中使用固体燃料的灰分含量、灰分组成、有机含量、有机组成和水含量来确定固体燃料的总体组成。

固体燃料的总体组成的确定使得能够进一步增加在工艺模型中处理的数据的精度，使得确定固体燃料的总体组成允许确定进一步优化的操作点。固体燃料的有机含量和有机组成的确定，即化学元素c、h、n和s的确定以及固体燃料的水含量的确定，如果不能由在线固体燃料分析仪提供的话，则在所述方法之前，例如基于由固体燃料的供应商实施的元素分析来进行。

在此优选地，使用固体燃料的总体组成来确定固体燃料的净热值和/或总热值。

由总体组成确定固体燃料的净热值和/或总热值允许进一步增加在工艺模型中处理的数据的精度，使得基于其总体组成确定固体燃料的净热值和/或总热值允许确定进一步优化的操作点，因为碳(石墨)的热力学生成焓的精度通过总热值增加。净热值和/或总热值的确定尤其允许精确计算气化工艺的能量平衡。固体燃料的净热值通常应理解为意指燃烧随后在标准压力下冷却至25℃时释放的热量的量，燃烧反应中产生的水蒸气呈气态形式。固体燃料的总热值应理解为意指净热值加上水蒸气在冷却至25℃时完全冷凝而释放的热量的量(冷凝焓)。净热值和/或总热值的确定可以基于固体燃料的总体组成，例如借助于已知的近似公式确定(参考见上文)。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，在步骤b)中借助于在线固体燃料分析仪确定固体燃料的有机含量和有机组成和/或水含量。

理想地，固体燃料的有机含量和有机组成和/或水含量同样连续地且与通过在线固体燃料分析仪确定灰分含量和灰分组成一起确定。以此方式，在借助于工艺模型确定操作点中，甚至可以持续考虑有机含量和水含量的组成的变化，这意味着进一步增加由工艺模型处理的数据的精度，并且因此进一步优化操作点的确定。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述方法包括确定在进入所述气化反应器之前所述固体燃料的堆积密度。

确定在进入气化反应器之前固体燃料的堆积密度使得能够进一步增加在工艺模型中处理的数据的精度，使得确定固体燃料的堆积密度允许确定进一步优化的操作点。此处的堆积密度不是借助于在线固体燃料分析仪确定的，而是在方法之前或期间以选定的时间间隔确定的。堆积密度的确定尤其使得能够进一步增加确定在(最佳)操作点处所需的固体燃料的质量流量的精度。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述方法包括确定在采集固体燃料样品与由固体燃料分析代表的固体燃料进入气化反应器之间的时间间隔，以便在步骤e)中借助于工艺控制系统调节在由固体燃料分析代表的固体燃料进入气化反应器时在步骤d)中确定的操作点。

在由在线固体燃料分析仪采样固体燃料与由该采样代表的实际固体燃料的进入之间存在时间延迟。该时间延迟的大小取决于在线固体燃料分析仪是布置在靠近气化反应器的入口还是进一步远离气化反应器的入口，或者两者之间是否有容器(例如，闸门、储存容器)。然而，理想地，仅当由在线燃料分析代表的固体燃料实际进入气化反应器时，应将基于在线分析由工艺模型确定的操作点从工艺控制系统传输到气化反应器，以控制气化方法。因此，优选地应在所述方法的实施中确定并考虑前述时间延迟。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述固体燃料选自来自下组的元素，所述组包括煤、生物质、污水污泥、垃圾衍生燃料和矿物污染塑料。

原则上，根据本发明的方法适用于在气化中没有完全转化成产物气体(如合成气)但含有在气化中作为灰分残留物残留的矿物成分的任何碳基固体燃料。在此，固体燃料是生物还是非生物固体燃料都无关紧要。

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，所述固体燃料样品以微粒形式提供，优选以粉尘形式提供，以进行在线固体燃料分析。

以微粒形式提供固体燃料样品允许直接确定在线固体燃料分析仪所需的数据。如果固体燃料尚未呈微粒形式，例如在煤的气流床气化的情况下，则可以以合适的方式，例如借助于研磨机和/或干燥，制备固体燃料以进行采样。

操作根据本发明的方法的先决条件是固定要通过气化工艺生产的产物气体的量。仅当已规定要生产的产物气体的量时，才可以通过工艺模型确定气化工艺的质量、元素和能量平衡。

气化工艺中的产物气体可以是通过含碳固体燃料的气化可获得的任何气体。产物气体的实例是合成气、水煤气或裂化气。优选地，产物气体在产物气体混合物中至少包含h2和co作为组分，并且例如适合于生产甲醇。

为了借助于工艺模型确定气化反应器的(最佳)操作点，一项要求是通过工艺控制系统读出气化反应器的操作数据。这意味着为了确定气化反应器的最佳操作，必须有根据各自工艺类型的配置选择的各种已知的操作状态或边界条件。

在非穷举或非限制性列举中，这些边界条件包括输送固体燃料所需的输送气体的组成、压力和温度。输送气体的实例是n2和co2。在所谓的浆料引入的情况下，不需要输送气体。这些边界条件还包括输送气体的固体燃料的负载量和固体燃料质量流量。这些边界条件还包括吹扫气体的组成、压力、温度和量。这些边界条件还包括气化剂例如氧气的纯度、压力和温度。这些边界条件还包括缓和剂例如蒸汽的压力、温度和量。这些边界条件还包括反应器冷却系统中产生的蒸汽的当前量、温度和压力，以及锅炉给水的压力和温度。这些边界条件还包括在在线固体燃料分析与固体燃料进入气化器之间的一个、多于一个或所有容器各自的当前填充水平，以及固体燃料的质量流量。

所述工艺模型基于来自在线固体燃料分析的数据和气化反应器的操作数据确定气化反应器的(最佳)操作点，以同时获得固定量的产物气体(即要生产的产物气体)的方式确定操作点。确定操作点至少需要根据步骤d)i.至iii.确定气化反应器的操作温度，所需的固体燃料的质量流量以及所需的气化剂和缓和剂的质量流量。

取决于各自的气化工艺的边界条件，以下方面对于确定(最佳)操作点可能是重要的，随后的列举是非穷举的或非限制性的。一方面，考虑到分别确定的物理参数，工艺模型对在平衡模型中完全确定的固体燃料组成、吹扫气体、燃料质量流量、输送气体以及气化剂和缓和剂的数据进行核对。在另一个方面，可以在增加气化剂的量的同时保持当前的缓和剂的量恒定，直到达到至少95％、优选至少98％、更优选至少99％并且进一步优选至少99.9％的目标碳转化率。在另一个方面，当确定的工艺温度高于基于灰分组成确定的操作温度时，增加缓和剂例如蒸汽的量。在另一个方面，当确定的工艺温度低于基于灰分组成确定的操作温度时，减少缓和剂例如蒸汽的量。在另一个方面，从操作温度下的气化剂和缓和剂的量出发，确定由此预测的产物气体的量与产物气体的固定量的差异。基于确定的差异，调整固体燃料(燃料供应)、气化剂、缓和剂和输送气体的量，以便获得产物气体的固定量。在另一个方面，基于容器的填充水平和燃料的堆积密度，优选干燥且经研磨的燃料的堆积密度，确定将由在线固体燃料分析代表的燃料实际引入气化反应器时的时刻。从该时刻开始，预先确定的操作点是合适的。由此确定的操作点是合适的，直至进行下一次在线固体燃料分析。

由工艺模型确定的操作点由工艺控制系统建立，以便基于在操作点处规定的参数来控制气化反应器。这包括以下用于控制气化工艺和/或气化反应器的控制参数，随后的列举既不是穷举也不是限制性的。

在一方面，所供应的固体燃料的量，例如燃料质量流量，作为控制参数被包括。在另一个方面，气化剂的量，例如以氧气与煤的比率表示，作为控制参数被包括。在另一个方面，缓和剂的量，例如以h2o与氧气的比率表示，作为控制参数被包括。

因此，根据本发明的方法首次使得能够对固体燃料质量的快速变化作出反应并且产物气体的生产效率以热力学最大值连续地运行。气化工艺也可以是完全自动化的。

本发明的目的还至少部分地通过一种用于在高压和高温下由固体燃料生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺来实现，所述气化工艺包括根据本发明的用于在线控制气化工艺的方法。

本发明的目的还至少部分地通过一种计算机程序来实现，所述计算机程序可以被加载到计算机的存储器中以在进行根据本发明的用于在线控制气化工艺的方法中进行步骤d)。

因此，根据本发明的计算机程序能够处理来自在线固体燃料分析的数据和气化反应器的操作数据，并且能够将它们应用在工艺模型中用于确定气化反应器的操作点。

本发明的目的还至少部分地通过一种用于进行用于在高压和高温下由固体燃料生产包括一氧化碳和氢气的产物气体的气化工艺的设备来实现，所述设备具有固体燃料储存容器；用于将所述固体燃料从所述固体燃料储存容器运输到气化反应器中的输送装置；用于向所述气化反应器供应气化剂和缓和剂的输送装置；用于除去从所述气化反应器产生的产物气体的输送装置；设置在所述固体燃料储存容器与所述气化反应器之间的采样点，其用于采集固体燃料样品，并且然后在与所述采样点相连的在线固体燃料分析仪中实施在线固体燃料分析；与所述气化反应器相连的工艺控制系统；以及数据处理装置，其与所述在线固体燃料分析仪和所述工艺控制系统相连，用于处理在所述在线固体燃料分析仪中确定的分析数据，并用于处理通过所述工艺控制系统传输到所述数据处理装置的所述气化反应器的操作数据，其中来自所述固体燃料分析仪的分析数据和所述气化反应器的操作数据可用于借助于所述数据处理装置中的工艺模型确定所述气化反应器的操作点，并且所述气化工艺可以借助于由所述数据处理装置传输到所述工艺控制系统的操作点进行控制。

在一个实例中，气化工艺是造渣气化工艺。在这种情况下，设备具有用于将炉渣从气化反应器中抽出的输送装置。在一个实例中，输送装置是排渣口。

工作实例

在下文中，通过实例详细说明本发明，而不限制本发明的主题。从以下结合附图的工作实例的描述，本发明的另外的特征、优点和可能的应用将变得显而易见。

附图示出：

图1根据本发明的方法100或根据本发明的设备100的示意性流程图。

通过输送装置7，例如输送带，将从筒仓(未示出)中采集的干燥的硬煤(未示出)输送到固体燃料储存容器1中。煤呈粉尘形式(粒度＜100μm)，其中残留水分含量为按重量计2％。煤随着从输送气体管道9供应的输送气体(二氧化碳)的添加通过固体燃料管道17被运输到燃烧器6a的燃烧器空间中，并且在固体气化器6中被转化为合成气。

固体气化器6、燃烧器6a和连接到这些部件的外围设备，例如供应管道17和18以及输出产物气体管道11和排渣口10一起构成气化反应器。

气化工艺的目标是每小时产生50000(五万)m³(stp)的量的合成气，所报告的量是基于产生的氢气和一氧化碳的量。经由产物气体管道11从固体气化器6中抽出合成气。

硬煤的无水和无灰分组成由实验室分析得知(c：86.77；h：3.38；o：8.32；n：1.07；s：0.46，每种以按重量计％计)，并且在一批硬煤内仅略微变化。

在采样点16a处，借助于固体燃料抽取系统，以5分钟的间隔从管道17中采集固体燃料样品16，并在固体燃料分析仪2中借助于x射线荧光分析(xrf)进行分析。所确定的固体燃料分析数据14包括硬煤中频繁高度变化的矿物含量和矿物组成，所述矿物被转化成完全氧化态，并因此作为灰分含量和灰分组成进一步处理。在所述实例中，硬煤具有按重量计11.75％的灰分含量，其中该含量具有以下组成(报告的数字是主要组分，每种以按重量计％计，没有痕量元素的数字)：55.87sio2；21.53al2o3；11.21fe2o3；2.68cao；1.17tio2；2.16so3；0.32p2o5；2.29k2o和0.15mno。

固体燃料分析数据14被传输到工艺模型3，所述工艺模型计算气化工艺的质量、能量和元素平衡。为了对气化反应器和灰分行为进行建模，使用如在m.：“industrialcoalgasificationtechnologiescoveringbaselineandhigh-ashcoal[涵盖基准煤和高灰分煤的工业煤气化技术]”，wiley-vch[威利-vch出版社]，isbn978-3-527-33690-6，2014，第131页及其后中所述的热力学平衡模型。

为了进行计算，除了固体燃料分析数据14之外，还需要气化工艺的进一步的操作数据12，其被传输到工艺控制系统(未示出)，从工艺控制系统4中读出并传输到工艺模型3。操作数据12包括以下的当前值：

-来自气化剂管道19的气化剂的状态(纯度为99.6的氧气，在180℃和42.5巴下)，

-来自缓和剂管道8的缓和剂的状态(蒸汽，在400℃和48巴下)，

-来自输送气体管道9的固体燃料输送气体的类型、可能的负载量和状态(二氧化碳，每有效m³的co2390kg硬煤粉尘，在80℃和43巴下)，

-经由固体燃料管道17供应到固体气化器6的固体燃料7的状态(80℃，43巴)，

-工艺压力(40巴)，

-通过冷却固体气化器6的反应器壁产生的蒸汽的量和蒸汽的状态(蒸汽：在46巴和260℃下3000kg/h，被48巴和170℃下的锅炉给水代替)，和

-采样点16a与固体气化器6(未示出)之间所有容器的填充水平。

工艺模型3首先根据灰分组成计算液相线温度(1430℃)。这被定义为气化反应器的最低反应器温度，以便确保经由排渣口10从固体气化器6可靠地排出炉渣。此外，借助于经验公式，针对该温度计算出相应的碳转化率(97％)。随后，工艺模型迭代地

-以达到1430℃的反应器温度的方式改变氧气体积流量(14840m³(stp)/h)，

-以达到97％的碳转化率的方式改变缓和剂质量流量(蒸汽)(770kg/h)，和

-以达到50000m³/h的氢气和一氧化碳合成气速率的方式改变硬煤质量流量(27175kg/h)。

由此确定的设置代表产生包括50000m³(stp)/h的氢气和一氧化碳的合成气所需的氧气、煤和蒸汽的最低消耗量。因此，所述设置也称为最佳操作条件15或操作点。

根据固体燃料管道17的长度，在采样点16a与固体气化器6之间的所有容器(未示出)的煤质量流量和填充水平，工艺模型3计算出在燃料采样与硬煤实际进入固体气化器6之间的停滞时间(23分钟)。这用于计算将最佳操作条件15的设置(操作点的设置)传输到工艺控制系统4以确定气化剂管道19中的气化剂和缓和剂管道8中的缓和剂的量和条件的时刻。基于从工艺模型3传输到工艺控制系统4的最佳操作条件15，借助于工艺控制系统4的控制器13进行设置。借助于工艺控制系统4经由固定氧气与煤的质量流量比(o2/煤＝0.78kg/kg)，自动确定碳质量流量。

缓和剂和气化剂在混合点15中混合，并作为混合物经由管道18运输到固体气化器6的燃烧器6a。在燃烧器6a和固体气化器6中，使来自固体燃料管道17的用来自输送气体管道9的二氧化碳输送的煤与来自管道18的气化剂和缓和剂反应，以得到合成气。

根据5分钟的固体采样频率，考虑到停滞时间，最佳操作条件15以相同的间隔再次被传输到工艺控制系统4。因此，即使在硬煤的灰分含量和灰分组成变化大的情况下，也可以确保气化反应器的有效操作。

参考不同类型的主题描述了本发明的实施例。具体地，参考方法权利要求描述了某些实施例，而参考装置权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从上面的描述以及随后的描述中推断出，除非另有说明，否则除了属于一种权利要求类型的特征的任何组合之外，也可以考虑与不同主题类型或权利要求类型有关的特征之间的任何组合。可以组合所有特征以实现协同效应，所述协同效应超出技术特征的简单总和。

虽然已经在附图和前面的描述中详细地示出和描述了本发明，但是此类示出和描述应被认为是说明性的或示例性的并且不是限制性的。本发明不限于所披露的实施例。通过研究附图、披露内容和从属权利要求，要求保护的发明的领域内的技术人员可以理解和执行所披露的实施例的其他变化。

在权利要求中，词语“具有”或“包含”不排除另外的要素或步骤，并且不定冠词“一个/种”不排除多个/种。权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

附图标记清单

1固体燃料储存容器

2固体燃料分析仪

3工艺模型

4工艺控制系统

5混合点

6固体气化器

6a燃烧器

7输送装置

8缓和剂管道

9输送气体管道

10排渣口

11产物气体管道

12操作数据

13控制器

14固体燃料分析数据

15最佳操作条件

16固体燃料样品

16a采样点

17固体燃料管道

18管道

19气化剂管道

100方法或设备