煤炭汽化

　　簡介

　　煤炭氣化指在一定溫度、壓力下，用氣化劑對煤進行熱化學加工，將煤中有機質轉變?yōu)槊簹獾倪^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，使煤經(jīng)過部分氧化和還原反應，將其在所含碳、氫等物質轉化成為一氧化碳、氫、甲烷等可燃組分為主的氣體產(chǎn)物的多相反應過程。對此氣體產(chǎn)品的進一步加工, 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)為主進行分類，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)以入爐煤的粒級為主進行分類, 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)以氣化過程的操作壓力為主進行分類, 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)以氣化介質為主進行分類, 有空氣鼓風氣化、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程）等。

　　(5)以排渣方式為主進行分類，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)以氣化過程供熱方式進行分類，有外熱式氣化（氣化所需熱量通過外部加熱裝置由氣化爐內部釋放出來）和熱載體（氣、固或液渣載體）氣化。

　　(7)以入爐煤在爐內的過程動態(tài)進行分類，有移動床氣化、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的相對運動方向進行分類，有同向氣化或稱并流氣化、逆流氣化等。

　　(9)以反應的類型為主進行分類，有熱力學過程催化驗室過程。

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

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

　　煤炭氣化原理

　　氣化過程是煤炭的一個熱化學加工過程。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，在高溫高壓下通過化學反應將煤或煤焦中的可燃部分轉化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體成為煤氣，對于做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣（合成氣除了以煤炭為原料外，還可以采用天然氣、重質石油組分等為原料），進行氣化的設備稱為煤氣發(fā)生爐或氣化爐。

　　煤炭氣化包含一系列物理、化學變化。一般包括干燥、燃燒、熱解和氣化四個階段。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)。其他屬于化學變化，燃燒也可以認為是氣化的一部分。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應，生成大量揮發(fā)性物質（包括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結成半焦。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)生化學反應，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物，即粗煤氣。氣化反應包括很多的化學反應，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應，其中碳與氧的反應又稱燃燒反應，提供氣化過程的熱量。

　　主要反應有：

　　1、水蒸氣轉化反應

　　C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

　　2、水煤氣變換反應

　　CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol

　　3、部分氧化反應

　　C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

　　4、完全氧化（燃燒）反應

　　C+O2=CO2+394KJ/mol

　　5、甲烷化反應

　　CO+2H2=CH4+74KJ/mol

　　6、Boudouard反應

　　C+CO2=2CO-172KJ/mol

　　性質

　　主要包括煤的反應性、粘結性、結渣性、熱穩(wěn)定性、機械強度、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、氣化過程供熱方式等分類，常用的是按氣化爐內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，因此稱之為固定床氣化；而實際上，煤料在氣化過程中是以很慢的速度向下移動的，比較準確的稱其為移動床氣化。

　　2) 流化床氣化：它是以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內使其懸浮分散在垂直上升的氣流中，煤粒在沸騰狀態(tài)進行氣化反應，從而使得煤料層內溫度均一，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，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內。煤料在高于其灰熔點的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應和氣化反應，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噴入一溫度較高且高度穩(wěn)定的熔池內，把一部分動能傳給熔渣，使池內熔融物做螺旋狀的旋轉運動并氣化。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。

　　應用領域

　　煤炭氣化技術廣泛應用于下列領域：

　　1）工業(yè)燃氣

　　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、機械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，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%，除焦爐煤氣外，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，具有良好的社會效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應盡量低。

　　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，德國等就采用費托工藝（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學技術的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎，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。

　　化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國合成氨的甲醇產(chǎn)量的50%以上來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冶煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。

　　5）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃氣

　　整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡稱IGCC）是指煤在加壓下氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后燃燒，高溫煙氣驅動燃氣輪機發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對熱值要求不高，但對煤氣凈化度-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（化學能）通過電化學反應直接轉化為電的化學發(fā)電技術。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合的發(fā)電技術就是IG-MCFC和IG-SOFC，其發(fā)電效率可達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域，世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，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。