煤炭的氣化原理

【專家解說】：煤炭氣化 中國潔凈煤技術網(wǎng) 煤炭氣化是指煤在特定的設備內，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑（如蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有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。 圖見： http://www.cct.org.cn/cct/upinstrimg/200310301232321.gif 氣化過程發(fā)生的反應包括煤的熱解、氣化和燃燒反應。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則包括兩種反應類型，即非均相氣－固反應和均相的氣相反應。 不同的氣化工藝對原料的性質要求不同，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。 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。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。 煤炭氣化技術廣泛應用于下列領域： 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盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應盡量低。 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）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）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（化學能）通過電化學反應直接轉化為電的化學發(fā)電技術。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合的發(fā)電技術就是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域，目前世界上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。