了解气化转化化学反应本质对工艺控制的影响
煤等含碳有机质的气化过程实质上就是含碳有机质的不完全燃烧过程或者是在化学反应层面上的部分氧化过程。如果以C代表该发应所涉及的含碳物质，在分子水平上表达非常简单：C + (1-y/2) O2 = (1-y) CO2 + y CO，但在工艺控制方面因排渣涉及大量无机化学反应，所以从控制角度观察气化过程又是异常复杂的。仅从有机质的转化角度分析，分子水平认识这个反应需要对含碳有机质的大分子结构有个基本认识，然后才能针对不同含碳有机质在气化转化过程的不同阶段获得的各种中间产物结合上述公式进行深入研究。对煤炭样品而言，由于其复杂性和高度不均一性，在分子水平很难对其化学结构有准确的描述，所以在研究过程中大多将其简化为C或者CHm等相对简单的物质，这种假设虽然在一定程度上能反映一些变化规律，但是对与反应物结构密切相关的反应过程，如煤炭热解、气化等过程则基本无能为力。
近百年来，人们已经认识到,在分子水平上研究煤的结构组成，从分子水平上认识煤炭以及煤炭资源是实现煤炭转化、用好煤炭资源的基础，其研究结果对实现煤的科学转化有重要的指导意义。而且经过多年的研究煤炭化学工作者对煤炭的结构特征已经初步形成了以下几点共识：一、煤炭是以化学共价键结合为主的三维交联的大分子，具有不溶性的刚性网络结构。它的主要前身物为来自植物中以芳族结构为基础的木质素；二、煤炭结构中包括分子量一千至数千、相当于沥青质和前沥青质的大型和中型分子。这些分子中含有较多的极性官能团，它们以各种物理力为主，或相互缔合，或与第一部分大分子中的极性基团相缔合，成为三维网络结构的一部分；三、煤炭结构中含有分子量数百至一千左右、相当于非烃组分、具有较强极性的中小型分子。它们可以分子的形式被囿于大分子网络结构的空隙之中，也可以物理力与第一和第二部分相互缔合而存在。四、煤炭结构中分散的小分子化合物，主要为分子量小于数百的非极性分子，包括各种饱和烃和芳烃。它们多呈游离态而被包络、吸附或固溶于由以上三部分构成的网络结构之中；五、不同煤阶煤的结构只能以一些平均的化学结构式来表示，目前还没有一种精确的化学结构式可以代表一种特定煤的结构组成，而且不同产地的煤在其组成结构上都有区别。这其中多数都是对煤炭这种特殊有机物的结构特征描述或者主要是一种物理意义上的结构特征描述，从化学角度看，与煤这种大分子物质相比，即使对沥青质这样的小分子物种也远没有达到分子水平认识，所以分子水平认识煤还有很多工作需要做，有很长的路要走。
尽管如此，在此结构基础上还是成功开发出了多个相对成熟的煤转化应用技术，如煤炭热解干馏生产兰炭、煤气化生成合成气以及煤直接液化制油等。在煤气化转化的工程设计过程中将煤气化分成热解、燃烧、气化、成渣、排渣等不同的反应单元，成功设计了各种各样的气化平台，但总体来看传统的煤气化转化技术经过百年的发展已处于发展的平台区，从现有技术入手已很难再有大的突破或创新。所以，为了开发新的煤气化转化技术，需要从煤气化转化的本质方面进行分析，通过对煤气化反应化学进行深入研究而探索一些根本性的问题，或许会找到制约煤气化技术发展的瓶颈，推动气化技术的发展。
显然，要从煤气化转化化学反应的本质切入煤气化技术领域并全面了解传统的煤气化技术，我们必须首先回答煤气化反应的实质是什么、煤的化学结构对煤气化有无影响、煤气化基元反应有哪些、不同底物如何影响反应、设定气化工艺参数的依据的什么、如何精确控制、造成气化效率低的本质原因是什么、飞灰中的碳具有何种结构、灰渣中的碳有何种结构、未反应的原因是什么、催化气化的本质是什么、究竟是碱金属、碱土金属还是碱性本身在起作用、灰的组成、性能如何影响其熔融性和流动性、煤中无机物引起设备腐蚀的原因是什么、炉壁腐蚀和废锅腐蚀有何异同、如何固定或者消除其中的关键腐蚀元素等一系列基础性、现实性问题，只有为这些问题一一找到科学答案，才算是在分子水平层面上讨论煤气化问题。
经过一年多的学习与调研，我们对传统的煤气化技术形成了以下几点认识：①煤气化技术是由国家政治经济形势主导的，与资源禀赋、环境问题、能源结构等多种因素有关；②煤气化排渣是关键，多数情况下排渣温度就是气化温度；③其反应实质是部分燃烧或者部分氧化，存在热平衡，燃烧过多、过少都是问题，精确控制非常重要；④碱、碱土金属对煤气化有催化作用，但会对后处理带来一系列麻烦；⑤配煤气化或者配入无机物一同气化，既可升高或者降低煤灰的熔点，也会吸纳固化部分钾、钠，有利于飞灰控制，但技术成熟度较低；⑥煤质分析速度滞后，很难适应大规模气化，而且分析数据没有与控制单元联机，实际操作粗放；⑦煤气化需交出合格的气化产品，利于后续延伸加工，这一板块还有很多工作需要细化。
所以，开展分子水平煤转化的研究工作，需首先从解决煤炭样品的基本化学结构特征入手，在使用各种分析手段取得煤炭样品的基本结构数据之后，根据煤直接液化和煤气化都将经过热解反应这一反应特点，利用已经了解的Huchel和Clar理论以及有机化合物特别是稠环芳烃的分子轨道理论，在分子水平展开揭示煤转化本质反应的理论研究，同时根据这些理论研究模型进行转化工艺设计。
对传统的煤气化转化工艺，分子水平认识煤气化可以将煤气化分成热解、氧化、气化、灰反应等几种简单的反应模式进行，煤热解后所得小分子化合物的氧化（燃烧）反应是均相反应，反应速度远大于焦炭的氧化，所以能够借助煤焦油的主要组分为烷烃、烯烃、芳烃以及非烃等，结合量子化学的计算结果进行氧化燃烧等基元反应的研究。其实真正的煤气化反应是焦炭的转化反应（本质上也是一种氧化反应），可以借助石墨烯的氧化反应以及量子化学计算结果进行基元反应研究。同时在焦炭的之字形结构和椅式结构方面寻求分析的突破点，然后结合量子化学计算结果进行气化反应的动力性研究。至于灰的化学反应因涉及的是无机反应，需另辟蹊径来解决，但其中的含碳组分当进行仔细分析，研究其是否全部具有完整的Clar苯型结构，这个数据既有理论意义又有实际意义。此外煤气化不同阶段焦炭结构的表征研究对煤的催化气化也具有指导意义，可以借助计算化学的研究成果研究催化剂活性点的活性中心与氧的作用机理。将气化原料焦油、焦油中稠环芳烃的分子结构研究成果与稠环芳烃的Clar结构、量子化学计算结果（稠环芳烃分子的前线轨道能级差ELOMO-ELUMO）相结合，将煤炭、焦炭的平均化学结构研究成果与石墨烯、单壁碳纳米管的理论实验研究成果相结合，对气化反应原料中各组分的反应活性、基元反应的表达、飞灰中含碳化合物的形成、气化效率等研究可以做出水平较高的研究成果。
另一方面，煤气化技术难以掌握，其实质实际上就是反应过程的控制问题，而更本质的原因则是煤分析速度严重滞后，如果能够展开煤炭样品中全元素快速分析研究，将重点关注的元素含量与煤灰的熔融特性以及粘温特性数据相关联即可获得由元素组成到工艺特性参数的数学表达式，进一步研究将这种分析结果及计算方法植入煤气化控制台，即可通过煤炭样品的在线分析结果实现气化工艺的平稳运行控制，减少停工次数。这是一个比较超前的研究构思，目前资料显示气化领域还没有这样的控制思路或者控制技术，我们可以展开基础分析工作并结合样品的工艺特性参数进行数学模拟，获得稳定的计算模型，然后根据实际情况向前推进。
这是基于传统煤气化工艺进行的分子水平研究，该结果对传统工艺的稳定运行进一步改进有一定的借鉴意义。如果考虑煤气化工艺创新则必须对现有工艺进行彻底的变革，目前学术界比较关注的催化气化、超临界气化、等离子体气化莫不如此，但气化反应的本质并没有改变，都是部分氧化反应的结果，过程中供氧过多同样会产生过多的二氧化碳，使气化效率降低。为了降低气化反应的温度，减少为气化反应供热，我们可以采用光催化氧化的方式使煤炭粉末在耗能极低的条件下转化为煤炭的氧化产物，再将氧化产物加热到其分解释放出一氧化碳的温度进行热分解获得合成气，这种气化方式肯定属于创新工艺，但并没有改变煤炭部分氧化并热反应生成合成气的反应本质，却可以免去燃烧相当部分煤炭产生热量的过程，提高气化效率。