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煤炭氣化
煤炭轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的生產(chǎn)過程
煤炭氣化 (Coal Gasification)是指在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機(jī)質(zhì)與氣化劑（如蒸汽/空氣和/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、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w和二氧化碳、氮?dú)?/a>等非可燃?xì)怏w的合成氣(Syngas, or synthesis gas)的過程。煤炭氣化時(shí)，氣化爐、氣化劑、供熱，三者缺一不可。
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^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)過程。對(duì)此氣體產(chǎn)品進(jìn)行進(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，煤的潛熱將盡可能多地變?yōu)槊簹獾臐摕帷?/span>
2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單初步整理參考，煤炭氣化在一類致癌物清單中。
基本信息
| 中文名 | 煤炭氣化 |
| 外文名 | Coal Gasification |
| 應(yīng)用 | 化學(xué)反應(yīng) |
| 所屬領(lǐng)域 | 能源 |
| 分類 | 固體 液體 氣體氣化 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 工業(yè)燃?xì)?、民用煤?/div> |
| 必要條件 | 氣化爐、氣化劑、供給熱量 |
收起
概念
煤炭的氣化是以煤炭為原料，在特定的設(shè)備（如氣化爐）內(nèi)，在高溫高壓下使煤炭中的有機(jī)物質(zhì)和氣化劑發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使固體的煤炭轉(zhuǎn)化成可燃性氣體的生產(chǎn)過程。通常以氧氣、蒸汽或氫氣為氣化劑，生成的可燃性氣體以一氧化碳、氫氣及甲烷為主要成分。煤炭氣化包括高溫使煤炭干燥脫水，加熱使揮發(fā)物析出，揮發(fā)物與剩余的煤炭進(jìn)行氣化反應(yīng)。
煤炭的直接燃燒會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，如生成二氧化硫、一氧化氮等有害氣體，大量的有害氣體在高空聚集會(huì)導(dǎo)致酸雨形成，嚴(yán)重危害建筑物、農(nóng)作物及人類的身體健康。用直接燃燒的方法不可能充分利用煤炭資源，爐煙帶走了大量的熱，爐渣中仍含有沒有燃燒充分的炭。目前這些問題無法得到經(jīng)濟(jì)有效的解決，于是人們考慮能否將煤炭轉(zhuǎn)化為潔凈的氣體或液體燃料再加以利用，煤炭的氣化技術(shù)得到了大力發(fā)展，煤炭氣化后生成的可燃性氣體經(jīng)燃燒后只會(huì)生成水、二氧化碳，大大減輕了煤炭利用給環(huán)境帶來的壓力，可以說是未來煤炭潔凈利用的技術(shù)基礎(chǔ)。煤炭的氣化過程只生成少量的二氧化碳和水，大部分碳都轉(zhuǎn)化成可燃性氣體，大大提高了煤炭的利用效率。煤炭的氣化產(chǎn)物煤氣在電力生產(chǎn)、城市供暖、液體燃料、化工原料合成等方面可以得到廣泛利用，煤炭資源隨之可以得到有效的充分利用。
主要分類
(1)以原形態(tài)為主進(jìn)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。
(3)以氣化過程的操作壓力為主進(jìn)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(zhì)為主進(jìn)行分類, 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程）等。
(5)以排渣方式為主進(jìn)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(jìn)行分類，有外熱式氣化（氣化所需熱量借助外部加熱裝置由氣化爐內(nèi)部釋放出來）和熱載體（氣、固或液渣載體）氣化。
(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，有同向氣化或稱并流氣化、逆流氣化等。
(9)以反應(yīng)的類型為主進(jìn)行分類，有熱力學(xué)過程催化驗(yàn)室過程。
(10)以過程的階段性為主進(jìn)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(jìn)行分類，有連續(xù)間歇式或循環(huán)式氣化等。
實(shí)現(xiàn)原理
氣化過程是煤炭的一個(gè)熱化學(xué)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(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)狻?/span>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)又稱燃燒反應(yīng)，提供氣化過程的熱量。
主要反應(yīng)有：
1、水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)
C+HO=CO+H-131KJ/mol
CO+ HO =CO+H+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+O=CO+394KJ/mol
CO+2H=CH+74KJ/mol
6、Boudouard反應(yīng)
C+CO=2CO-172KJ/mol
性質(zhì)
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(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(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)，因此稱之為固定床氣化；而實(shí)際上，煤料在氣化過程中是以很慢的速度向下移動(dòng)的，比較準(zhǔn)確的稱其為移動(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噴入一溫度較高且高度穩(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：
工業(yè)燃?xì)?/div>
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，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。
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H、CH、及其它烴類可燃?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。
冶金還原氣
煤氣中的CO和H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冶煉。因此，冶金還原氣對(duì)煤氣中的CO含量有要求。
聯(lián)合循環(huán)
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(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅(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。
燃料電池
燃料電池是由H、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)。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%。
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H，然后通過變換反應(yīng)將CO和HO轉(zhuǎn)換成H和CO，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。
煤炭液化
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。
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