煤炭气化技术
一．煤炭气化的概念：
煤炭气化是指适当处理后的煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧、纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在一定的温度和压力条件下通过化学反应将煤或煤
焦中的可燃部分（碳、氢）转化为气体（气体中含有CO、H
2、CH
4
、CO
2
、N
2
）的
热化学过程，而煤中的灰分以废渣的形式排出。

煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。

二．煤炭气体原理和反应
气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。

气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气（合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料），进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。

煤炭气化包含一系列物理、化学变化。

一般包括干燥、燃烧、热解和气化四个阶段。

干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。

其他属于化学变化，燃烧也可以认为是气化的一部分。

煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。

煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。

气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。

煤气的热值分类
中热值煤气的热值在10.0—22.4MJ/m3,主要成分是一氧化碳和氢气，燃烧迅速，火焰温度比天然气高，适合于冶金和机械制造行业供热。

低热值煤气是由于在制造过程中混入大量不可燃烧气体，比如煤气化过程中直接采用空气，引入大量氮气，或者气化过程氧超标，室可燃气体被进一步氧化生成二氧化碳，低热值煤气热值一般在3.1—5.6MJ/m3,除一定量的一氧化碳和氢气外，还有大量不可燃氮气，燃烧温度低。

高热值煤气热值一般在36.2—37.3MJ/m3,主要成份是甲烷和少量一氧化碳和氢气。

其热值与天然气相当。

中低热值煤气可以通过催化转化后制得高热值煤气。

1．干燥
干燥是原料煤进入气化炉后，由于煤与热气流或炽热的半焦之间发生热交换，使煤中的水分蒸发变成水蒸气进入气相，从而使煤得到干燥的过程。

煤在气化炉中的干燥速率主要受原料煤粒度、气化温度、煤与气化剂接触方式等因素影响。

2．干馏
干馏是脱除挥发分的过程，随着温度的升高，煤分子会发生热分解反应，生成一定数量的挥发性物质，剩余为半焦。

干馏也叫热分解反应，它是所有气化工艺的基本反应之一，煤热分解产生的挥发分数量和质量主要与煤的煤阶、煤粉的升温速度及煤料在气化炉内的运行方式有关。

3．气化反应
经干馏后得到的半焦与气流中的H
2O、CO
2
、H
2
等反应，生成可燃性气体等产物，
主要反应有四类。

3.1碳与水蒸气反应
在一定温度下，碳与水蒸气之间发生反应下列非均相反应：
C+H
2O=== CO+H
2
+135.0kJ/mol
C+2H
2O=== CO
2
+2H
2
+96.6kJ/mol
这是制造水煤气的主要反应，有时也称为水蒸气分解反应，这两个反应都是吸热反应。

3.2碳与二氧化碳反应
在气化阶段进行的第二个重要非均相反应为碳与二氧化碳反应：
C+ CO
2
=== 2CO +173.3kJ/mol
这是非常强烈的吸热反应，必须在高温条件下才能进行。

3.3甲烷生成反应
煤气中的甲烷，一部分来自煤中挥发物的裂解，另一部分来自碳与氢非均相反应或气体产物之间均相反应。

这些生成甲烷的反应都是放热反应：
C+2H
2=== CH
4
-84.3kJ/mol
CO+3H
2=== CH
4
+H
2
O-219.3kJ/mol
3.4变化反应
在气化阶段进行的变换反应如下：
CO+H
2O === CO
2
+H
2
-38.4 kJ/mol
该反应称为一氧化碳变换反应，或称水煤气平衡反应，它是均相反应。

由于该反
应易于达到平衡，通常在气化炉煤气出口温度条件下，反应基本达到平衡，从而该反应决定了出口煤气的组成。

该反应的另一个作用是制取H
2
或调节合成气总
的H
2
/CO摩尔比等。

4．燃烧反应
经气化残留的半焦与气化剂中的氧进行燃烧。

由于上述碳与水蒸气、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。

为了提供必要的热量，通常用部分煤燃烧的方法提供。

5．煤中硫、氮反应
除了以上主要反应外，气化过程同时还有S、N等复杂原子发生的反应，其主要
产物为H
2S、COS、NH
3
、HCN（氰化氢），会引起腐蚀和环境污染。

三、气化过程反应平衡
1．温度对反应平衡的影响
由理论分析可知，吸热反应的平衡常数K值随温度升高而增加，而放热反应的K 值随温度升高而降低。

对气化有重要意义的碳与水蒸气反应，其初次反应为：
C+H
2O=== CO+H
2
但在过量水蒸气的参与下，又发生如下反应
C+2H
2O=== CO
2
+2H
2
在高温时一水反应的平衡常数增加快得多，而在低温时双水反应所占比重增加，所以提高气化反应温度可以相对的提高CO含量而降低CO2含量。

C+ CO
2
=== 2CO的反应也是强吸热反应，温度上升时，平衡常数急剧增加，有利于反应进行。

这也是干粉进料气化因反应温度高而煤气中CO含量高的原因。

C+2H
2=== CH
4
是放热反应，提高温度时，反应平衡常数下降，在平衡状态下甲烷
含量低。

2．浓度的影响
在平衡体系内增加反应物浓度或者减少生成物浓度，平衡就会向产生物的方向移
动，反之亦然。

在气化过程中，对于C+H
2O=== CO+H
2
的反应，为了充分利用碳，
使反应向生成CO+H
2
的方向进行，通常采用过量水蒸气，并不断从气化炉中将产
品煤气引出，这有利于碳的气化。

实际气化过程中，气化剂中的惰性气体虽参加反应，但影响平衡的移动。

3．碳-氢-氧气化体系的平衡特征
对于同时存在CO、CO
2、H
2
、H
2
O和CH
4。

CO的平衡浓度随温度增加而增加，而随
压力增加而降低；CO
2
摩尔分数随温度增加达到最大值然后快速降低，随压力增
加而增加；CH
4
的相对量随压力增加而增加，温度提高则基本下降。

四、气化过程反应动力学。