煤炭气化

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什么是煤炭气化[1]

  煤炭气化是指煤在特定的设备内,在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂(如蒸汽/空气或氧气等)发生一系列化学反应,将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。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。

Image:煤炭气化.jpg

  气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型,即非均相气-固反应和均相的气相反应。

  不同的气化工艺对原料的性质要求不同,因此在选择煤气化工艺时,考虑气化用煤的特性及其影响极为重要。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。

煤炭气化的基本原理及过程[2]

  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℃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H_2O,CO_2,H_2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。

煤炭气化的分类[1]

  煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类,常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分,主要有:

  (1)固定床气化。在气化过程中,煤由气化炉顶部加入,气化剂由气化炉底部加入,煤料与气化剂逆流接触,相对于气体的上升速度而言,煤料下降速度很慢,甚至可视为固定不动,因此称之为固定床气化;而实际上,煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的,比较准确的称其为移动床气化。

  (2)流化床气化。它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料,在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中,煤粒在沸腾状态进行气化反应,从而使得煤料层内温度均一,易于控制,提高气化效率。

  (3)气流床气化。它是一种并流气化,用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内,也可将煤粉先制成水煤浆,然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应,灰渣以液态形式排出气化炉。

  (4)熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内,把一部分动能传给熔渣,使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。

  以上均为地面气化,还有地下气化工艺。

煤炭气化的应用[3]

  煤炭气化技术广泛应用于下列领域:

  (1)作为工业燃气。一般热值为1100-1350大卡热的煤气,采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门,用以加热各种炉、窑,或直接加热产品或半成品

  (2)作为民用煤气。一般热值在3000-3500大卡,要求CO小于10%,除焦炉煤气外,用直接气化也可得到,采用鲁奇炉较为适用。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环境效益。出于安全、环保经济等因素的考虑,要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高,以提高煤气的热值;而CO有毒其含量应尽量低。

  (3)作为化工合成和燃料油合成原料气。早在第二次世界大战时,德国等就采用费托工艺(Fischer-Tropsch)合成航空燃料油。随着合成气化工和碳-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品的路线已经成为现代煤化工的基础,主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。

  化工合成气对热值要求不高,主要对煤气中的CO、H2等成分有要求,一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工艺。

  (4)作为冶金还原气。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棉铁;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含量有要求。

  (5)作为联合循环发电燃气。整体煤气化联合循环发电(简称IGCC)是指煤在加压下气化,产生的煤气经净化后燃烧,高温烟气驱动燃气轮机发电,再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。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)、气流床气化(德士古)、加压气流(Shell气化炉)广东省加压流化床气化工艺,煤气热值2200-2500大卡左右。

  (6)作煤炭气化燃料电池。燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料(化学能)通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要由磷酸盐型(PAFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC,其发电效率可达53%。

  (7)煤炭气化制氢。氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域,目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用,一般是将煤炭转化成CO和H2,然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O,将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术,即可获得氢气。

  (8)煤炭液化的气源。不论煤炭直接液化和间接氧化,都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢,而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。

煤炭气化技术的研究趋势和方向[2]

  世界各国对传统煤气化方法的改进和新气化方法的开发研究从来没有停止,研究趋势和方向可归纳为:

  ①设备大型化。目的是提高单炉生产能力,降低成本投资

  ②操作高温高压化。普遍使用氧气为气化剂,使操作温度提高到1400 ~1500℃ ,不仅强化了生产,而且大大提高了碳的利用率,并大大降低三废的排放。操作高温高压化是新气化工艺的主要特点;

  ③煤种广谱化。可利用煤粉、劣质煤和粘结性煤,几乎可以使用各种煤进行气化;

  ④工艺洁净化。注意消除气化过程中污染物的生成,如含酚废水、焦油等的生产限制在最低水平。

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参考文献

  1. 1.0 1.1 煤炭气化.节能与发展.海南省人民政府,2008年9月5日
  2. 2.0 2.1 郭冠龙,滑怀田.浅析煤炭气化技术及发展趋势[J].陕西煤炭,2011(4)
  3. 煤炭气化.节能技术(节煤技术).厦门节能公共服务网,2004年10月20日
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