煤炭气化技术的进展(论文)

煤炭气化技术的进展

《摘要》：煤炭气化技术是我国煤炭高效洁净利用的关键技术，本文主要阐述了煤炭气化技术的基本原理、过程和发展概况，以及在总结我国多年来研究开发煤气化工艺技术的基础上，对该技术的发展趋势以及发展煤炭气化的必要性进行了相关介绍。

《关键词》：煤炭气化；工业应用；发展现状；发展趋势；

Abstract： Coal gasification technology is the key technology of efficient and clean use of coal in our country, this paper describes the basic principle, process and development of coal gasification technology, and based on the summary of our country for many years research and development of coal gasification technology, the necessity of the development trend of the technology and development of coal gasification was introduced.

Key words ： Coal gasification; Industrial application; Development Status; development trend;

引言

煤炭气化是指以煤或以煤焦为原料，以氧气(空气，富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在一定温度和压力下通过化学反应将固体煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的热化学过程。本文就煤炭气化技术及发展趋势作简要介绍。

煤炭在我国能源生产与消费结构中一直占主导地位。煤炭的开发和加工利用已经成为我国环境污染物排放的主要来源。因此，发展洁净煤技术、提高煤炭利用率是我国能源发展战略的必然选择。作为洁净、高效利用煤炭的先进技术之一的煤炭气化技术是我国能源领域重点发展对象，是煤炭化工合成、煤炭直接／间接液化、IGCC技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术。煤炭气化技术分为地面气化和地下气化2种。笔者根据自己掌握的煤化工基础理论，结合多年积累的煤气化工作实践经验，着重从工程应用角度对煤气化的发展道路作初步探讨，并提出参考性意见。

1 煤的气化原理及气化工艺

1．1 煤炭气化的基本原理及过程

在气化炉内，煤炭经历了干燥、干馏、气化和燃烧等几个过程。

干燥：原料煤进人气化炉后受热，大约在200~C煤孔中吸附态或吸藏的气体及水分首先被脱除。干馏：干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度进一步提高，煤中的挥发物从煤中逸出。

气化过程的基本反应：经干馏后得到的半焦与气流中的H2O，CO：，H2：等反应，生成可燃性气体等产物，其主要反应有碳与水蒸气的反应，碳与二氧化碳的反应，甲烷生成反应，变换反应。燃烧：经气化后残留的半焦与气化剂中的氧进行燃烧。由于碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应都是强烈的吸热反应，因此气化炉内要保持高温才能维持吸热反应的进行。

煤中硫、氮的反应：除了以上反应外，气化过程同时还有s、N等杂原子发生的反应，其反应会引起腐蚀和环境污染，因此须经净化工艺将其脱除。

1．2 煤炭气化工艺

煤炭气化工艺按照不同的分类标准有多种分类方法，本文只介绍其中两类。

按煤炭是否需要开采分类：按该标准分为地面气化和地下气化，①地面气化。煤的地面气化是指原料煤炭预先开采出来，在地面气化炉内进行气化反应生成煤气的过程，目前开发应用的绝大多数属于地面气化；②地下气化。煤炭地下气化是通过在地下煤层中直接构筑“气化炉”，通入气化剂，有控制地使煤炭在地下进行气化反应，使煤炭在原地自然状态下转化为可燃气体并输送到地面的过程。

地下气化的基本特征：①煤层不发生移动，但气化过程中各气化反应区的位置和燃空区状态时刻都在变化；②地下气化进行到一定程度后，对于较薄煤层，气化剂只能在与煤壁接触的单一表面上反应，另外三个表面为顶板，底板及反应完的灰渣和顶板塌陷物，因此没有地面气化炉金属外壳似的密闭层，气体会在空间中扩散；③由于气化反应过程和加热过程的不均匀性及加热过程范围扩大，反应过程产生的热量不仅随气流带向出口方向，同时也通过热辐射、对流、传导等过程将热量传至煤层纵向的深部，并沿煤层深度形成温度梯度，煤层温度不同，其所发生的反应也不同。因此在煤层纵深方向上可分为：燃控带，焦化带，干流带，干燥带，煤层自燃带。

与地面气化相比，地下气化最大的技术瓶颈是不可视和不可控，因受煤层赋存条件复杂、测温技

术难以实现、气化过程稳定性较差、气化强度低等多种因素的影响，目前地下气化还处于示范开发阶段。

按煤和气化剂在气化炉中的流体力学状态分类：气化方法可分为三大类，①固定床气化法。固体气化原料在高温下与气化剂发生氧化还原反应，产生以H 、CO和CH 为有效气体的煤气，气化炉内原料床层相对稳定或随着原料的消耗缓慢向下移动。固体原料由气化炉顶加入，灰渣从气化炉底排除，气化剂由炉底通过炉栅送人炉内，生成的煤气由炉顶导出；②流化床气化法。采用0～10 mm的小颗粒煤作为气化原料，气化剂为蒸气／空气或蒸气／氧气，气化剂自下而上经过床层。依据原料的力度分布和湿度，控制气化剂的流速，使床内原料煤全部处于流化状态，在剧烈搅动和回混中，煤粒和气化剂充分接触，进行化学反应和热量传递。利用碳燃烧放出的热量，使煤粒干燥干馏和气化。流化床气化炉内，主要进行的是碳的燃烧反应，二氧化碳的还原反应，水蒸气分解反应，水煤气变换反应。通过上述化学反应生成的煤气夹带大量细小微粒(其中70％为灰渣和部分未反应完全的碳粒)由炉顶离开气化炉，部分密度较重的渣粒由炉底排出；③气流床气化法。气化剂(氧气和水蒸气)夹带着煤粉或煤浆，通过特殊喷嘴送人炉膛内，在高温辐射作用下，氧煤混合物瞬间被点燃，并迅速燃烧，燃烧使煤粒干馏并且使干馏产物分解，同时煤焦被气化，生成CO和H 等组成的煤气和熔渣的气化过程。气流床气化的显著优点是煤种适应性强，原料煤的粘结性，机械强度，热稳定性等对气流床气化过程几乎没有影响。它还具有气化温度高，强度大，煤气不含焦油等优点。但由于气流床气化要求使用尽可能细的煤粉(70％到80％煤粒<200网目)，故需要庞大的制粉设备，同时为回收煤气中的余热及灰尘也需要复杂的余热回收及除尘设备，因此设备投资较高 J。

2．煤炭气化技术主要应用于下列领域

2.1 化工合成原料气。

随着原料气合成化工和碳一化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学产品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要产品有合成氨、尿素、F-T 合成燃料、甲醇、二甲醚等。化工合成气主要对煤气中的CO、H2等成分有要求。目前国内生产化工合成原料气所采用的煤气化技术，以国产的常压固定床水煤气发生炉为主，同时引进了部分先进的气化炉，如Lurgi 加压固定床气化炉、Texaco 加压气流床气化炉、Shell加压气流床气化炉等。中国合成氨产量的60%以上、甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工艺。

2.2 工业燃气。

采用常压固定床气化炉和流化床气化炉，均可制得热值为4.59-5.64MJ/m3（1100-1350kcal/m3）的煤气，用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品。

目前，用于生产工业燃料气的煤气化技术主要是常压固定床混合煤气发生炉，全国约有)4000台常压固定床气化炉在运行。

2.3 民用煤气。

一般热值在12.54-14.63MJ/m3(3000-3500kcal/m3)，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为使用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环抱及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4及其他烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；要求有毒成分CO的含量应尽量低。2000年，中国统计665个城市的燃气普及率已达84.2%，用气人口总数达1.76亿，其中应用液化石油气（LPG）的占66.5%，使用天然气的占14.6%，使用人工煤气（包括焦炉煤气和各种气化炉煤气）的占22.4%。

2.4 冶金还原气。

煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海绵铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量要求，在中国冶金和有色金属行业得到大量应用。

2.5 联合循环发电燃气。

整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是先将煤气化，产生的煤气经净化后驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动整齐轮机发电。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度，如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床（德士古、Shell气化炉）气化、流化床气化等，煤气热值

9.20-10.45MJ/m3(2200-2500kcal/m3)左右。

2.6 燃料油合成原料气和煤炭液化气源。