煤炭汽化

　　簡(jiǎn)介

　　煤炭氣化指在一定溫度、壓力下，用氣化劑對(duì)煤進(jìn)行熱化學(xué)加工，將煤中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^(guò)程。其涵義就是以煤、半焦或焦炭為原料，以空氣、富氧、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質(zhì)，使煤經(jīng)過(guò)部分氧化和還原反應(yīng)，將其在所含碳、氫等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為一氧化碳、氫、甲烷等可燃組分為主的氣體產(chǎn)物的多相反應(yīng)過(guò)程。對(duì)此氣體產(chǎn)品的進(jìn)一步加工, 可制得其它氣體、液體燃燒料或化工產(chǎn)品。經(jīng)氣化，使煤的潛熱盡可能多地變?yōu)槊簹獾臐摕帷?/p>

　　煤氣化方法

　　(1)以原形態(tài)為主進(jìn)行分類(lèi)，有固體燃燒氣化、液體燃料氣化、氣體燃燒料氣化及固/液混合燃料氣化等。

　　(2)以入爐煤的粒級(jí)為主進(jìn)行分類(lèi), 有塊煤氣化(6~50mm)、煤粉氣化(小于0.1 mm)等。此外, 入爐燃燒以煤/油漿或煤/水漿形成的，均歸入小粒煤和煤粉氣化法中。

　　(3)以氣化過(guò)程的操作壓力為主進(jìn)行分類(lèi), 有常壓或低壓氣化(0~0.35MPa)、中壓氣化(0.7~3.5 MPa)和高壓氣化(7MPa)。

　　(4)以氣化介質(zhì)為主進(jìn)行分類(lèi), 有空氣鼓風(fēng)氣化、空氣-水蒸氣氣化、氧-水蒸氣氣化和加氫氣化（以氫氣為化劑，由不得煤制取高熱值煤氣的過(guò)程）等。

　　(5)以排渣方式為主進(jìn)行分類(lèi)，有干式或濕式排渣氣化、固態(tài)或液態(tài)排渣氣化、連續(xù)或間歇排渣氣化等。

　　(6)以氣化過(guò)程供熱方式進(jìn)行分類(lèi)，有外熱式氣化（氣化所需熱量通過(guò)外部加熱裝置由氣化爐內(nèi)部釋放出來(lái)）和熱載體（氣、固或液渣載體）氣化。

　　(7)以入爐煤在爐內(nèi)的過(guò)程動(dòng)態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，有移動(dòng)床氣化、液化床氣化、氣流（夾帶）床氣化和熔融床（熔渣或熔鹽、熔鐵水）氣化等。

　　(8)以固體煤和氣體介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行分類(lèi)，有同向氣化或稱(chēng)并流氣化、逆流氣化等。

　　(9)以反應(yīng)的類(lèi)型為主進(jìn)行分類(lèi)，有熱力學(xué)過(guò)程催化驗(yàn)室過(guò)程。

　　(10)以過(guò)程的階段性為主進(jìn)行分類(lèi)，有單段氣化、兩段（單簡(jiǎn)、雙簡(jiǎn)）或多段氣化等。

　　(11)以過(guò)程的操作方式為主進(jìn)行分類(lèi),有連續(xù)間歇式或循環(huán)式氣化等。

　　煤炭氣化原理

　　氣化過(guò)程是煤炭的一個(gè)熱化學(xué)加工過(guò)程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或工業(yè)純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過(guò)程。氣化時(shí)所得的可燃?xì)怏w成為煤氣，對(duì)于做化工原料用的煤氣一般稱(chēng)為合成氣（合成氣除了以煤炭為原料外，還可以采用天然氣、重質(zhì)石油組分等為原料），進(jìn)行氣化的設(shè)備稱(chēng)為煤氣發(fā)生爐或氣化爐。

　　煤炭氣化包含一系列物理、化學(xué)變化。一般包括干燥、燃燒、熱解和氣化四個(gè)階段。干燥屬于物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發(fā)。其他屬于化學(xué)變化，燃燒也可以認(rèn)為是氣化的一部分。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成大量揮發(fā)性物質(zhì)（包括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時(shí)煤粘結(jié)成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物，即粗煤氣。氣化反應(yīng)包括很多的化學(xué)反應(yīng)，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應(yīng)，其中碳與氧的反應(yīng)又稱(chēng)燃燒反應(yīng)，提供氣化過(guò)程的熱量。

　　主要反應(yīng)有：

　　1、水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)

　　C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

　　2、水煤氣變換反應(yīng)

　　CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol

　　3、部分氧化反應(yīng)

　　C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

　　4、完全氧化（燃燒）反應(yīng)

　　C+O2=CO2+394KJ/mol

　　5、甲烷化反應(yīng)

　　CO+2H2=CH4+74KJ/mol

　　6、Boudouard反應(yīng)

　　C+CO2=2CO-172KJ/mol

　　性質(zhì)

　　主要包括煤的反應(yīng)性、粘結(jié)性、結(jié)渣性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。

　　工藝

　　煤炭氣化工藝可按壓力、氣化劑、氣化過(guò)程供熱方式等分類(lèi)，常用的是按氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式區(qū)分，主要有：

　　1) 固定床氣化：在氣化過(guò)程中，煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由氣化爐底部加入，煤料與氣化劑逆流接觸，相對(duì)于氣體的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可視為固定不動(dòng)，因此稱(chēng)之為固定床氣化；而實(shí)際上，煤料在氣化過(guò)程中是以很慢的速度向下移動(dòng)的，比較準(zhǔn)確的稱(chēng)其為移動(dòng)床氣化。

　　2) 流化床氣化：它是以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使其懸浮分散在垂直上升的氣流中，煤粒在沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng)，從而使得煤料層內(nèi)溫度均一，易于控制，提高氣化效率。

　　3) 氣流床氣化。它是一種并流氣化，用氣化劑將粒度為100um以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內(nèi)。煤料在高于其灰熔點(diǎn)的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)，灰渣以液態(tài)形式排出氣化爐。

　　4) 熔浴床氣化。它是將粉煤和氣化劑以切線方向高速?lài)娙胍粶囟容^高且高度穩(wěn)定的熔池內(nèi)，把一部分動(dòng)能傳給熔渣，使池內(nèi)熔融物做螺旋狀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并氣化。此氣化工藝已不再發(fā)展。

　　以上均為地面氣化，還有地下氣化工藝。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　煤炭氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于下列領(lǐng)域：

　　1）工業(yè)燃?xì)?/p>

　　一般熱值為1100－1350大卡熱的煤氣，采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機(jī)械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門(mén)，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。

　　2）民用煤氣

　　一般熱值在3000－3500大卡，要求CO小于10%，除焦?fàn)t煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會(huì)效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類(lèi)可燃?xì)怏w含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應(yīng)盡量低。

　　3）合成原料氣

　　作為化工合成和燃料油合成原料氣

　　早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國(guó)等就采用費(fèi)托工藝（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進(jìn)而直接合成各種化學(xué)品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。

　　化工合成氣對(duì)熱值要求不高，主要對(duì)煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國(guó)合成氨的甲醇產(chǎn)量的50%以上來(lái)自煤炭氣化合成工藝。

　　4）冶金還原氣

　　煤氣中的CO和H2具有很強(qiáng)的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來(lái)冶煉。因此，冶金還原氣對(duì)煤氣中的CO含量有要求。

　　5）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?/p>

　　整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡(jiǎn)稱(chēng)IGCC）是指煤在加壓下氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后燃燒，高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對(duì)熱值要求不高，但對(duì)煤氣凈化度-如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般采用固定床加壓氣化（魯奇爐）、氣流床氣化（德士古）、加壓氣流（Shell氣化爐）廣東省 加壓流化床氣化工藝，煤氣熱值2200－2500大卡左右。

　　6）燃料電池

　　燃料電池是由H2、天然氣或煤氣等燃料（化學(xué)能）通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電的化學(xué)發(fā)電技術(shù)。煤炭氣化燃料電池主要由磷酸鹽型（PAFC）、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。它們與高效煤氣化結(jié)合的發(fā)電技術(shù)就是IG-MCFC和IG-SOFC，其發(fā)電效率可達(dá)53%。

　　7）制作氫氣

　　氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領(lǐng)域，世界上96%的氫氣來(lái)源于化石燃料轉(zhuǎn)化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過(guò)變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過(guò)低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。

　　8）煤炭液化的氣源

　　不論煤炭直接液化和間接氧化，都離不開(kāi)煤炭氣化。煤炭液化需要煤炭氣化制氫，而可選的煤炭氣化工藝同樣包括固定床加壓Lurgi氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床氣化工藝。