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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。

1簡介

如圖:
氣化過程發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為氣、固、液三相產物的過程。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
煤炭氣化
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。

2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,對於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,還可以採用天然氣、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。一般包括乾燥、燃燒、熱解和氣化四個階段。乾燥屬於物理變化,隨著溫度的升高,煤中的水分受熱蒸發。其他屬於化學變化,燃燒也可以認為是氣化的一部分。煤在氣化爐中乾燥以後,隨著溫度的進一步升高,煤分子發生熱分解反應,生成大量揮發性物質(包括乾餾煤氣、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產物,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

3性質

主要包括煤的反應性、粘結性、結渣性、熱穩定性、機械強度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。

4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,相對於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,煤粒在沸騰狀態進行氣化反應,從而使得煤料層內溫度均一,易於控制,提高氣化效率。
3) 氣流床氣化。它是一種併流氣化,用氣化劑將粒度為100um以下的煤粉帶入氣化爐內,也可將煤粉先製成水煤漿,然後用泵打入氣化爐內。煤料在高於其灰熔點的溫度下與氣化劑發生燃燒反應和氣化反應,灰渣以液態形式排出氣化爐。
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並氣化。此氣化工藝已不再發展。
以上均為地面氣化,還有地下氣化工藝。

5應用領域

煤炭氣化技術廣泛應用於下列領域:
2)民用煤氣
一般熱值在3000-3500大卡,要求CO小於10%,除焦爐煤氣外,用直接氣化也可得到,採用魯奇爐較為適用。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境效益。出於安全、環保及經濟等因素的考慮,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。
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;在有色金屬工業中,鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶鍊。因此,冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。
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電技術就是IG-MCFC和IG-SOFC,其發電效率可達53%。
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。

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