气化反应原理

水煤浆气化反应的原理

单喷嘴水煤浆加压气化炉是一个两相并流气化的炉型，氧气和煤浆通过三流式工艺烧嘴混合后喷入气化炉内，中心管走氧约占总氧量15—20%、内环隙走水煤浆、外环隙走氧气约占80—85%，在气化炉内水煤浆和氧气发生部分氧化反应产生粗水煤气，为了达到较高的转化率，采用部分氧化释放能量，维持气化炉在煤的灰熔点温度以上反应以满足液态排渣的需要，这个反应温度根据煤种不同一般在1320 -1350 °C。气化炉的操作压力在4.0-8.5MPa。气化炉内的反应的速度进行得非常迅速,水煤浆细颗粒在炉内停留时间仅5—6 秒钟, 反应生成的合成气中甲烷含量较少,一般仅为0.1 ％以下,碳的转化率较高。由于反应温度较高, 不生成焦油、酚及高级烃等易凝聚的副产物，所以对环境的污染较小。

多元料浆加压煤气化炉属于气流式反应器，也称自热式反应器，在加压没有催化剂的条件下，水煤浆和氧气发生部分氧化反应，生成以CO W “为有效成份的粗合成气：总体反应如下：

原料+氧化剂+温度缓和剂一-主要产品（CO H2、CO、HO +次要成分（HS、2、CH,含量小于2% + 微量组份（NH、COS HCN细灰或渣，含量小于200ppn）。

整个部分氧化反应是一复杂的多种化学反应过程，反应大致可分三步进行：

第一步、裂解及挥发份的燃烧：当料浆和氧气喷入煤气化炉后，迅速的被加

热到高温，水煤浆中的水分急速变为水蒸气，煤粉发生干馏及热裂解，释放出焦油，酚，甲醇，树脂，甲烷等挥发份，粉煤变为煤焦，由于这一区域氧气浓度高，在高温下挥发份迅速完全燃烧，同时放出大量热量，因此，粗煤气中不含有焦油，酚，高级烃等有机物。

第二步、燃烧及气化：煤焦在与氧气发生反应生成一氧化碳和二氧化碳放出大量热量的同时，又与水蒸气和二氧化碳发生反应生成氢气和一氧化碳，在气相中，氢气和一氧化碳又与残余的氧气发生燃烧反应，同时放出大量的热能。

第三步、气化反应。在反应物中几乎不含有氧气的情况下，煤、甲烷与水蒸

气、二氧化碳发生气化反应，生成氢气和一氧化碳。其总体的反应式可写为：CnHm +(n /2)O> n C0+(m/2)H+Q

各步分反应为：

1）非均相水煤气反应C+2H2O—> 2H?+C(2+Q

2）变换反应CO+H2O—> CO+H—Q

3）甲烷化反应CO+3H2> CH+HO- Q

4）加氢气化反应C+2H2> CH —Q

5）部分氧化反应C+1/2O 2 f CO+Q

6）氧化反应C+O 2 f CO—Q

（7）CO还原反应C+CO2—f2CO—Q

8）热裂解反应CmHn—f (n/4)CH 4+[(4m-n) /4]C 通过上述的反应可以看出在气化炉中的反应很复杂，且停留时间极短，对我们研究气化反应的机理带来了困难，为了简化反应机理的研究，我们引入了独立反应数的概念。所谓独立反应数，就是构成物系的物质数与构成这些物质的元素总数之差，假定煤气化反应在气化炉出口气体组成达到平衡，气体中含有C02、C0、

H、0、HS、CH、COS和C等八种物质，而这些物质是由C H O S等四种元素构成。因此，气化反应只有四个独立反应，所以，我们只讨论上述反应中的任意四个反应就够了。

另外，对于水煤浆气化来讲，硫含量相对较低，基本上是一个确定值，这样

我们可以把与硫有关的反应简化，我们的独立反应数就只剩三个了，根据国内目

前运行的生产厂家的经验及综合经济评价，碳的转化率一般都在95%以上，所以对于多元料浆气化反应，我们只讨论变换反应和甲烷化反应这两个主反应。

水煤浆气化反应的化学平衡：

(1)变换反映的化学平衡：

C0+ --> CO+H—9838Kcal/Kmol

平衡常数计算式如下：

Kp=PC0 PH/ (PCO PHO)

式中：Kp为该反应的平衡常数，PCO PCO、PHO PH分别表示CO CO、

HO H的平衡分压：

LgKp=2182/T-0.0936LgT+0.000632T- 1.0806 X 10-T-2.2967

式中：T为平衡时温度。

从化学平衡方面考虑，变换反应为放热反应，降低反应温度有利于达到化学

平衡，但提高反应温度有利于加快化学反应速度。

(2)甲烷化反应的化学平衡：

CO+3 --> CH+HO- 49.271Kcal/Kmol

平衡常数计算式如下：

Kp=PCH PHO/[PCO・( PH) 3]

式中：Kp为该反应的平衡常数，PCH、PHO PCO PH分别表示CH、HO

CO H2的平衡分压：

LgKp=9859.6/T- 8.3636LgT+2.08X10-3T-1.8716X10-7+11.888

式中：T为平衡时温度。

该反应为放热反应,提高温度,甲烷含量减小,反应向生成CO和H的方向进行,同

时,假如提高操作压力,从化学平衡方面考虑,甲烷含量将升高.

总之, 煤气化反应是体积增大的反应, 从化学平衡方面来讲, 提高压力不利于达到化学平衡, 但提高气化压力, 提高了反应物浓度, 加快了反应速度, 提高了气化强度,有利于提高整个气化效率,增加经济效益,所以,现代水煤浆气化都向大型化高压方向发展.

气化过程是一个复杂的过程，它所涉及的化学反应很多，化学反应过程随煤种、反应时间的不同而不同，因此，对于气化过程的动力学作出唯一明确的表述是很困难的，只能做一简要的叙述。

气化反应是氧气与煤粒接触在高温下进行的，它的反应历程包括：

1) O2 与煤接触

2) O2 内扩散与碳原子接触反应

3) O2 与碳发生气化反应

4) 反应产物外扩散

影响气化反应速度的因素是很多的，虽然模型及理论很多，但原则性的基础是一样的，即氧气与碳进行的反应过程可视为氧气分子被吸附，氧与碳反应，反应气体扩散这几个过程。

几个主要动力学讨论：

1) 碳与氧之间的燃烧反应

碳与氧之间反应可以生成CO和CQ而CQ CO与碳反应又可相互转化，氧与CQ反应也可生成CQ,因此，这是包括众多反应的复杂反应，其中结果可表示成：

mC+Q2=2（m-1）CQ+（2-m）CQ2

m是系统常数，它取决于反应条件。