煤炭汽化

　　简介

　　煤炭气化指在一定温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其在所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程。对此气体产品的进一步加工, 可制得其它气体、液体燃烧料或化工产品。经气化，使煤的潜热尽可能多地变为煤气的潜热。

　　煤气化方法

　　(1)以原形态为主进行分类，有固体燃烧气化、液体燃料气化、气体燃烧料气化及固/液混合燃料气化等。

　　(2)以入炉煤的粒级为主进行分类, 有块煤气化(6~50mm)、煤粉气化(小于0.1 mm)等。此外, 入炉燃烧以煤/油浆或煤/水浆形成的，均归入小粒煤和煤粉气化法中。

　　(3)以气化过程的操作压力为主进行分类, 有常压或低压气化(0~0.35MPa)、中压气化(0.7~3.5 MPa)和高压气化(7MPa)。

　　(4)以气化介质为主进行分类, 有空气鼓风气化、空气-水蒸气气化、氧-水蒸气气化和加氢气化（以氢气为化剂，由不得煤制取高热值煤气的过程）等。

　　(5)以排渣方式为主进行分类，有干式或湿式排渣气化、固态或液态排渣气化、连续或间歇排渣气化等。

　　(6)以气化过程供热方式进行分类，有外热式气化（气化所需热量通过外部加热装置由气化炉内部释放出来）和热载体（气、固或液渣载体）气化。

　　(7)以入炉煤在炉内的过程动态进行分类，有移动床气化、液化床气化、气流（夹带）床气化和熔融床（熔渣或熔盐、熔铁水）气化等。

　　(8)以固体煤和气体介质的相对运动方向进行分类，有同向气化或称并流气化、逆流气化等。

　　(9)以反应的类型为主进行分类，有热力学过程催化验室过程。

　　(10)以过程的阶段性为主进行分类，有单段气化、两段（单简、双简）或多段气化等。

　　(11)以过程的操作方式为主进行分类,有连续间歇式或循环式气化等。

　　煤炭气化原理

　　气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气（合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料），进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。

　　煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括干燥、燃烧、热解和气化四个阶段。干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。其他属于化学变化，燃烧也可以认为是气化的一部分。煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。

　　主要反应有：

　　1、水蒸气转化反应

　　C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

　　2、水煤气变换反应

　　CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol

　　3、部分氧化反应

　　C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

　　4、完全氧化（燃烧）反应

　　C+O2=CO2+394KJ/mol

　　5、甲烷化反应

　　CO+2H2=CH4+74KJ/mol

　　6、Boudouard反应

　　C+CO2=2CO-172KJ/mol

　　性质

　　主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。

　　工艺

　　煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有：

　　1) 固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。

　　2) 流化床气化：它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。

　　3) 气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。

　　4) 熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。此气化工艺已不再发展。

　　以上均为地面气化，还有地下气化工艺。

　　应用领域

　　煤炭气化技术广泛应用于下列领域：

　　1）工业燃气

　　一般热值为1100－1350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。

　　2）民用煤气

　　一般热值在3000－3500大卡，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。

　　3）合成原料气

　　作为化工合成和燃料油合成原料气

　　早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。随着合成气化工和碳－化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。

　　化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工艺。

　　4）冶金还原气

　　煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。

　　5）联合循环发电燃气

　　整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度-如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床气化（德士古）、加压气流（Shell气化炉）广东省 加压流化床气化工艺，煤气热值2200－2500大卡左右。

　　6）燃料电池

　　燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。煤炭气化燃料电池主要由磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。

　　7）制作氢气

　　氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。

　　8）煤炭液化的气源

　　不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。