煤炭氣化
煤炭氣化
煤炭氣化 (Coal Gasification)是指在特定的設備內，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑（如蒸汽/空氣和/或氧氣等）發生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有CO、氫氣、甲烷等可燃氣體和二氧化碳、氮氣等非可燃氣體的合成氣(Syngas, or synthesis gas)的過程。煤炭氣化時，氣化爐、氣化劑、供熱，三者缺一不可。
煤炭氣化指在一定溫度、壓力下，用氣化劑對煤進行熱化學加工，將煤中有機質轉變為煤氣的過程。其涵義就是以煤、半焦或焦炭為原料，以空氣、富氧、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質，使煤經過部分氧化和還原反應，將其在所含碳、氫等物質轉化成為一氧化碳、氫、甲烷等可燃組分為主的氣體產物的多相反應過程。對此氣體產品進行進一步加工，可製得其它氣體、液體燃燒料或化工產品。經氣化，煤的潛熱將儘可能多地變為煤氣的潛熱。
2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，煤炭氣化在一類致癌物清單中。
煤炭的氣化是以煤炭為原料，在特定的設備（如氣化爐）內，在高溫高壓下使煤炭中的有機物質和氣化劑發生一系列的化學反應，使固體的煤炭轉化成可燃性氣體的生產過程。通常以氧氣、蒸汽或氫氣為氣化劑，生成的可燃性氣體以一氧化碳、氫氣及甲烷為主要成分。煤炭氣化包括高溫使煤炭乾燥脫水，加熱使揮發物析出，揮發物與剩餘的煤炭進行氣化反應。
煤炭的直接燃燒會帶來嚴重的環境問題，如生成二氧化硫、一氧化氮等有害氣體，大量的有害氣體在高空聚集會導致酸雨形成，嚴重危害建築物、農作物及人類的身體健康。用直接燃燒的方法不可能充分利用煤炭資源，爐煙帶走了大量的熱，爐渣中仍含有沒有燃燒充分的炭。目前這些問題無法得到經濟有效的解決，於是人們考慮能否將煤炭轉化為潔凈的氣體或液體燃料再加以利用，煤炭的氣化技術得到了大力發展，煤炭氣化後生成的可燃性氣體經燃燒后只會生成水、二氧化碳，大大減輕了煤炭利用給環境帶來的壓力，可以說是未來煤炭潔凈利用的技術基礎。煤炭的氣化過程只生成少量的二氧化碳和水，大部分碳都轉化成可燃性氣體，大大提高了煤炭的利用效率。煤炭的氣化產物煤氣在電力生產、城市供暖、液體燃料、化工原料合成等方面可以得到廣泛利用，煤炭資源隨之可以得到有效的充分利用。
(1)以原形態為主進行分類，有固體燃燒氣化、液體燃料氣化、氣體燃燒料氣化及固/液混合燃料氣化等。
煤炭氣化
(3)以氣化過程的操作壓力為主進行分類, 有常壓或低壓氣化(0~0.35MPa)、中壓氣化(0.7~3.5 MPa)和高壓氣化(7MPa)。
(4)以氣化介質為主進行分類, 有空氣鼓風氣化、空氣-水蒸氣氣化、氧-水蒸氣氣化和加氫氣化（以氫氣為化劑，由不得煤製取高熱值煤氣的過程）等。
(5)以排渣方式為主進行分類，有乾式或濕式排渣氣化、固態或液態排渣氣化、連續或間歇排渣氣化等。
(6)以氣化過程供熱方式進行分類，有外熱式氣化（氣化所需熱量藉助外部加熱裝置由氣化爐內部釋放出來）和熱載體（氣、固或液渣載體）氣化。
(7)以入爐煤在爐內的過程動態進行分類，有移動床氣化、液化床氣化、氣流（夾帶）床氣化和熔融床（熔渣或熔鹽、熔鐵水）氣化等。
(8)以固體煤和氣體介質的相對運動方向進行分類，有同向氣化或稱併流氣化、逆流氣化等。
(9)以反應的類型為主進行分類，有熱力學過程催化驗室過程。
(10)以過程的階段性為主進行分類，有單段氣化、兩段（單簡、雙簡）或多段氣化等。
(11)以過程的操作方式為主進行分類，有連續間歇式或循環式氣化等。
氣化過程是煤炭的一個熱化學加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或工業純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學反應將煤或煤焦中的可燃部分轉化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體成為煤氣，對於做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣（合成氣除了以煤炭為原料外，還可以採用天然氣、重質石油組分等為原料），進行氣化的設備稱為煤氣發生爐或氣化爐。
煤炭氣化包含一系列物理、化學變化。一般包括乾燥、燃燒、熱解和氣化四個階段。乾燥屬於物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發。其他屬於化學變化，燃燒也可以認為是氣化的一部分。煤在氣化爐中乾燥以後，隨著溫度的進一步升高，煤分子發生熱分解反應，生成大量揮發性物質（包括乾餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發生化學反應，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態產物，即粗煤氣。氣化反應包括很多的化學反應，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應，其中碳與氧的反應又稱燃燒反應，提供氣化過程的熱量。
主要反應有：
1、水蒸氣轉化反應
C+HO=CO+H-131KJ/mol
2、水煤氣變換反應
CO+ HO =CO+H+42KJ/mol
3、部分氧化反應
C+0.5 O2=CO+111KJ/mol
4、完全氧化（燃燒）反應
C+O=CO+394KJ/mol
5、甲烷化反應
CO+2H=CH+74KJ/mol
6、Boudouard反應
C+CO=2CO-172KJ/mol
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。它是一種併流氣化，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。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。
煤炭氣化技術廣泛應用於下列領域：
一般熱值為1100－1350大卡熱的煤氣，採用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可製得。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。
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H、CH、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應盡量低。
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，以煤氣化製取合成氣，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。
煤氣中的CO和H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鍊。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。
整體煤氣化聯合循環發電（簡稱IGCC）是指煤在加壓下氣化，產生的煤氣經凈化后燃燒，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。
燃料電池是由H、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。煤炭氣化燃料電池主要由磷酸鹽型（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%。
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，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H，然後通過變換反應將CO和HO轉換成H和CO，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。
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。
基本信息
- 中文名
- 煤炭氣化
- 外文名
- Coal Gasification
- 應用
- 化學反應
- 所屬領域
- 能源
- 分類
- 固體、液體、氣體氣化
- 應用領域
- 工業燃氣、民用煤氣
- 必要條件
- 氣化爐、氣化劑、供給熱量