煤的气化.doc

煤的气化能源消费是造成当今环境恶化的一个主要原因，尤其是煤炭在直接作为能源燃烧过程中，存在着效率低、污染严重的问题。统计表明，我国每年排入大气的污染物中有80%的烟尘，87%的SO2，67%的NOx来源于煤的燃烧。我国的大气污染主要是锅炉、窑炉燃煤产生烟气形成的煤烟型污染。目前我国能源仍然以煤炭为主，改变能源结构，使用油气电等清洁能源，与我国的国情又不太相适应，未来相当长一段时间内，煤炭在我国一次能源结构中的主体地位不会改变，这已成为不争的现实。因此大力发展和应用洁净煤燃烧技术与装置，是解决和控制大气污染的一条重要措施。 近年来，人们已在洁净煤燃烧技术方面进行了大量的研究与实践，特别是在煤的气化技术方面取得了突破。 煤的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。如图：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。煤发生气化的基本条件：1）气化原料和气化剂。气化原料一般为煤和焦炭，气化剂可选空气，空气整齐混合气，富氧空气蒸汽，蒸汽或二氧化碳等。2)气化反应容器：即煤气发生炉，炉体外壳一般由钢板构成，内衬耐火层，装有加煤和排灰渣设备，调节空气和水蒸气用量的装置，鼓风管道和煤气导出管等。3）煤气发生炉内保持一定的的温度：通过向炉内鼓入一定的空气或氧气，使部分入炉原料燃烧放热，以此作为炉内反应的热源，使气化不间断的进行。4）维持炉内一定的压力。不同的气化工艺所要求的气化炉内压力不同，分为常压和加压气化炉（1到6Mpa）。煤的干燥与部分燃烧阶段：煤的主要干燥阶段发生在150摄氏度以前，在此阶段煤失去大部分水分。之后煤发生挥发反应，开始释放出挥发性物质，主要是煤中可燃物热解生成的气体，焦油蒸汽和有机化合物，以及热分解水分所生成的水蒸气等物质，由于有少量氧气存在，部分可燃物发生燃烧。随着温度升高，煤的干燥和产物的释放进程如下：100200度放出水分及吸附二氧化碳，200300度放出二氧化碳一氧化碳和热分解水，300400度放出焦油蒸汽一氧化碳和气态碳氢化和物，400500度焦油蒸汽产生最多一氧化碳逸出减少直至终止，500600度放出氢气 甲烷和碳氢化合物，600度以上 碳氢化合物分解成甲烷和氢。反应基本方程式：C+O2CO2+394.55KJ/mol H2+1/2O2H2O+21.8KJ/mol CO2+C2CO-173.1KJ/mol C+H2OCO+H2-131.0KJ/mol C+2H2OCO2+2H2-88.9KJ/mol 2CO+2H2CH4+CO2+247.02KJ/mol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。煤的气化工艺可按压力、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。其主要应用于一下方面：1）作为工业燃气一般热值为11001350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30003500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与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，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。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）加压流化床气化工艺，煤气热值22002500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