煤的干餾與煤氣化的差別

【專家解說】：煤干餾 coal carbonization 煤化工的重要過程之一。指煤在隔絕空氣條件下加熱、分解，生成焦炭(或半焦)、煤焦油、粗苯、煤氣等產(chǎn)物的過程。按加熱終溫的不同,可分為三種:900~1100℃為高溫干餾，即焦化;700~900℃為中溫干餾;500~600℃為低溫干餾(見煤低溫干餾)。 煤干餾過程主要經(jīng)歷如下變化:當煤料的溫度高于100℃時，煤中的水分蒸發(fā)出;溫度升高到200℃以上時，煤中結(jié)合水釋出;高達350℃以上時,粘結(jié)性煤開始軟化，并進一步形成粘稠的膠質(zhì)體(泥煤、褐煤等不發(fā)生此現(xiàn)象);至400~500℃大部分煤氣和焦油析出，稱一次熱分解產(chǎn)物;在450~550℃，熱分解繼續(xù)進行，殘留物逐漸變稠并固化形成半焦;高于550℃，半焦繼續(xù)分解,析出余下的揮發(fā)物(主要成分是氫氣)，半焦失重同時進行收縮，形成裂紋;溫度高于800℃,半焦體積縮小變硬形成多孔焦炭。當干餾在室式干餾爐內(nèi)進行時，一次熱分解產(chǎn)物與赤熱焦炭及高溫爐壁相接觸，發(fā)生二次熱分解，形成二次熱分解產(chǎn)物(焦爐煤氣和其他煉焦化學(xué)產(chǎn)品)。 煤干餾的產(chǎn)物是煤炭、煤焦油和煤氣。 煤干餾產(chǎn)物的產(chǎn)率和組成取決于原料煤質(zhì)、爐結(jié)構(gòu)和加工條件(主要是溫度和時間)。隨著干餾終溫的不同，煤干餾產(chǎn)品也不同。低溫干餾固體產(chǎn)物為結(jié)構(gòu)疏松的黑色半焦，煤氣產(chǎn)率低，焦油產(chǎn)率高;高溫干餾固體產(chǎn)物則為結(jié)構(gòu)致密的銀灰色焦炭，煤氣產(chǎn)率高而焦油產(chǎn)率低。中溫干餾產(chǎn)物的收率，則介于低溫干餾和高溫干餾之間。煤干餾過程中生成的煤氣主要成分為氫氣和甲烷，可作為燃料或化工原料。高溫干餾主要用于生產(chǎn)冶金焦炭，所得的焦油為芳烴、雜環(huán)化合物的混合物，是工業(yè)上獲得芳烴的重要來源;低溫干餾煤焦油比高溫焦油含有較多烷烴，是人造石油重要來源之一。 煤炭氣化 煤炭氣化是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機質(zhì)與氣化劑(如蒸汽/空氣或氧氣等)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。煤炭氣化時，必須具備三個條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。 如圖: 氣化過程發(fā)生的反應(yīng)包括煤的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅?、固、液三相產(chǎn)物的過程。煤的氣化和燃燒反應(yīng)則包括兩種反應(yīng)類型，即非均相氣-固反應(yīng)和均相的氣相反應(yīng)。 不同的氣化工藝對原料的性質(zhì)要求不同，因此在選擇煤氣化工藝時，考慮氣化用煤的特性及其影響極為重要。氣化用煤的性質(zhì)主要包括煤的反應(yīng)性、粘結(jié)性、結(jié)渣性、熱穩(wěn)定性、機械強度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。 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(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(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噴入一溫度較高且高度穩(wěn)定的熔池內(nèi)，把一部分動能傳給熔渣，使池內(nèi)熔融物做螺旋狀的旋轉(zhuǎn)運動并氣化。目前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。 煤炭氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于下列領(lǐng)域: 1)作為工業(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)作為民用煤氣 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(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)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進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)作為冶金還原氣 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)作為聯(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?zé)煔怛?qū)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(qū)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)作煤炭氣化燃料電池 燃料電池是由H2、天然氣或煤氣等燃料(化學(xué)能)通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電的化學(xué)發(fā)電技術(shù)。目前主要由磷酸鹽型(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53%。 7)煤炭氣化制氫 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，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉(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，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)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(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。