煤炭氣化
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什麼是煤炭氣化[1]
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。
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。氣化用煤的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。
煤炭氣化的基本原理及過程[2]
在氣化爐內，煤炭經歷了乾燥、乾餾、氣化和燃燒等幾個過程。
乾燥：原料煤進人氣化爐後受熱，大約在200℃煤孔中吸附態或吸藏的氣體及水分首先被脫除。
乾餾：乾餾是脫除揮發分過程，當乾燥煤的溫度進一步提高，煤中的揮發物從煤中逸出。
氣化過程的基本反應：經乾餾後得到的半焦與氣流中的H_2O，CO_2，H_2等反應，生成可燃性氣體等產物，其主要反應有碳與水蒸氣的反應，碳與二氧化碳的反應，甲烷生成反應，變換反應。
燃燒：經氣化後殘留的半焦與氣化劑中的氧進行燃燒。由於碳與水蒸氣、二氧化碳之間的反應都是強烈的吸熱反應，因此氣化爐內要保持高溫才能維持吸熱反應的進行。
煤中硫、氮的反應：除了以上反應外，氣化過程同時還有s、N等雜原子發生的反應，其反應會引起腐蝕和環境污染，因此須經凈化工藝將其脫除。
煤炭氣化的分類[1]
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。它是一種並流氣化，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。目前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。
煤炭氣化的應用[3]
煤炭氣化技術廣泛應用於下列領域：
(1)作為工業燃氣。一般熱值為1100-1350大卡熱的煤氣，採用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用於鋼鐵、機械、衛生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產品或半成品。
(2)作為民用煤氣。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儘量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應儘量低。
(3)作為化工合成和燃料油合成原料氣。早在第二次世界大戰時，德國等就採用費托工藝(Fischer-Tropsch)合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳-化學技術的發展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經成為現代煤化工的基礎，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。
化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國合成氨的甲醇產量的50%以上來自煤炭氣化合成工藝。
(4)作為冶金還原氣。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煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。
(5)作為聯合迴圈發電燃氣。整體煤氣化聯合迴圈發電(簡稱IGCC)是指煤在加壓下氣化，產生的煤氣經凈化後燃燒，高溫煙氣驅動燃氣輪機發電，再利用煙氣餘熱產生高壓過熱蒸汽驅動蒸汽輪機發電。用於IGCC的煤氣，對熱值要求不高，但對煤氣凈化度-如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般採用固定床加壓氣化(魯奇爐)、氣流床氣化(德士古)、加壓氣流(Shell氣化爐)廣東省加壓流化床氣化工藝，煤氣熱值2200-2500大卡左右。
(6)作煤炭氣化燃料電池。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。目前主要由磷酸鹽型(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%。
(7)煤炭氣化制氫。氫氣廣泛的用於電子、冶金、玻璃生產、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領域，目前世界上96%的氫氣來源於化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然後通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，即可獲得氫氣。
(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。
煤炭氣化技術的研究趨勢和方向[2]
世界各國對傳統煤氣化方法的改進和新氣化方法的開發研究從來沒有停止，研究趨勢和方向可歸納為：
②操作高溫高壓化。普遍使用氧氣為氣化劑，使操作溫度提高到1400 ～1500℃ ，不僅強化了生產，而且大大提高了碳的利用率，並大大降低三廢的排放。操作高溫高壓化是新氣化工藝的主要特點；
③煤種廣譜化。可利用煤粉、劣質煤和粘結性煤，幾乎可以使用各種煤進行氣化；
④工藝潔凈化。註意消除氣化過程中污染物的生成，如含酚廢水、焦油等的生產限制在最低水平。
