煤炭气化工艺学第二章煤炭气化原理

第二节煤炭气化原理煤的气化是指利用煤或半焦与气化剂进行多相反应产生碳的氧化物、氢、甲烷的过程，主要是固体燃料中的碳与气相中的氧、水蒸气、二氧化碳、氢之间相互作用。

也可以说，煤炭气化过程是将煤中无用固体脱除，转化为可作为工业燃料、城市煤气和化工原料气的过程。

一、气化过程主要化学反应使用不同的气化剂可制取不同种类的煤气，主要反应都相同。

煤炭气化过程可分为均相和非均相反应两种类型。

即非均相的气-固相反应和均相气-气相反应。

生成煤气的组成取决于这些反应的综合过程。

由于煤结构很复杂，其中含有碳、氢、氧和硫等多种元素，在讨论基本化学反应时，一般仅考虑煤中主要元素碳和在气化反应前发生的煤的干馏或热解，即煤的气化过程仅有碳、水蒸气和氧参加，碳与气化剂之间发生一次反应，反应产物再与燃料中的碳或其他气态产物之间发生二次反应。

主要反应如下。

一次反应：22C+O CO → H ∆= 394.1 kJ/mol 22C+H O CO+H → H ∆= －135.0 kJ/mol21C+O CO 2→ H ∆=110.4 kJ/mol （2-4） 222C+2H O CO +2H → H ∆=96.6 kJ/mol （2-5）24C+2H CH H ∆=84.3 kJ/mol （2-6）2221H +O H O 2H ∆= 245.3 kJ/mol (2-7) 二次反应：2C+CO 2CO H ∆= －173.3 kJ/mol 222CO+O 2COH ∆= 566.6 kJ/mol (2-8)222C O +H O H C O+H ∆= 38.4 kJ/mol (2-9) 242CO+3H CH H O + H ∆= 219.3 kJ/mol (2-10) 243C+2H O CH 2CO →+ H ∆= 185.6 kJ/mol (2-11) 2422C+2H O CH CO →+ H ∆= 12.2 kJ/mol (2-12)根据以下反应产物，煤炭气化过程可用下式表示：O H H CO CO CH C 2224+++++−−−−−→−高温、加压、气化剂煤在气化过程中，如果温度、压力不同，则煤气产物中碳的氧化物即一氧化碳与二氧化碳的比率也不相同。

第二章煤制气一、煤气生产过程：1.煤制气的气化原理：（1）概述：煤气：可燃气体、煤或重油等液体燃料经干馏或气化而得到的气体产物是一种热燃料气。

煤气主要成分：H2、CO、CH4等。

煤气：焦炉煤气（H2、CO、CH4）煤在焦炉中干馏产生煤气。

爆炸极限：5~36%发生炉煤气（CO、N2）空气和少量水蒸气跟煤或焦炭在煤气发生炉内反应。

爆炸极限：20 ~74%水煤气（H2、CO）水蒸气和炽热的无烟煤或焦炭作用产生。

爆炸极限：6 ~72%（2）气化机理：煤气是在特定的装置发生炉内，控制气化条件，块煤或焦炭在空气（氧气）和蒸汽混合组成的气化剂下发生一系列复杂物理化学变化产生。

注：爆炸极限：H2 4~74.2%;CO12.5~74.2;CH45~15.4%干馏：隔绝空气加热分解。

2.化学反应：氧化燃烧：还原反应：蒸汽转化：甲烷化：仅部分为气相均相反应，大多数为气固相反应。

反应进行程度影响因素：发生炉的操作条件。

即：气体温度、压力、气化剂组成和流速，气化剂与燃料接触时间，燃料反应性、表面性质。

3.生产方式：发生炉在生产过程中，气化剂从炉底进入炉内煤层，气化生成的粗煤气从顶部输出。

（1）灰渣层：厚度约为100~200mm，气化剂在灰渣层中不发生化学反应，只与灰渣进行热交换，气化剂吸收热量升温预热，灰渣释放热量被冷却，同时对炉箅起保护作用。

（2）氧化层：既有O2存在的燃料层，煤中固定碳与气化剂中的氧气发生强烈氧化反应，放出大量的热，使炉内保持足够的温度。

（3）还原层：从氧化层中来的高温CO2和水蒸气与炙热的碳发生还原反应，吸收热量，生成CO和H2。

（4）干馏层：煤炭受热干馏，释放挥发分，得到CH4、焦油蒸汽等气态烃类物质及其他气体成分。

（5）干燥层：入炉煤炭在该层内脱除水分。

4.工艺流程：热煤气燃烧系统由煤气发生炉、除尘器、隔离水封、热煤气管道、燃烧器（用户）等组成，其关键设备是煤气发生炉。

二、煤制气生产危险分析及安全技术（1）煤的主要危险：自燃、煤尘爆炸温度升高，接近临界温度（70℃左右），进一步引起自燃。

煤炭气化技术煤炭气化是煤炭转化的主导途径之一，是煤化工、IGCC、加氢工艺、煤液化等的龙头和基础，我公司正在建设的煤直接液化项目，以及即将建设的煤间接液化项目，煤制烯烃项目都要用到煤炭气化。

一、煤气化原理气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。

它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。

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。

一般包括热解和气化和燃烧四个阶段。

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。

主要反应有：1、水蒸气转化反应C+H2O=CO+H2-131KJ/mol2、水煤气变换反应CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol3、部分氧化反应C+0.5 O2=CO+111KJ/mol4、完全氧化（燃烧）反应C+O2=CO2+394KJ/mol5、甲烷化反应CO+2H2=CH4+74KJ/mol6、Boudouard反应C+CO2=2CO-172KJ/mol二、煤气化工艺煤炭气化技术虽有很多种不同的分类方法，但一般常用按生产装置化学工程特征分类方法进行分类，或称为按照反应器形式分类。

煤气化的主要反应式
煤气化是一种将煤分解成有用的气体的技术，其中最重要的反应式式和反应机理就是“焦化反应”，也就是把煤转化为含有一定量烃和气体的矿物焦油。

“焦化反应”：
煤（C）+蒸气（H2O）→物焦油（C+H2）+量（Q）
“焦化反应”可以通过烧煤来实现，也可以通过化学的方式实现，可以使煤被水蒸汽劈裂为烃和气体，烃体积小，热量大，可以用来作为工业和居民的燃料。

此外，由于煤的结构比较复杂，焦化反应的条件比较严格，需要特殊的工艺和设备来实现。

“气化反应”：
煤（C）+水蒸气（H2O）+氧气（O2）→CO+H2+各种气体（CH4、CO2、H2S等）+热量（Q）。

气化反应可以把煤分解为气态物质，其反应机理和焦化反应是相似的，但是气化反应会产生大量的气体，也就是说将煤气化可以获得更多的气体，可以把煤气化后的气体用作居民和工业的燃料。

此外，气化反应的条件也比较严格，温度要求很高，需要特殊的设备来实现。

总结：
煤气化是把煤转化为有价值的气体的技术，主要有焦化反应和气化反应，两种反应均要求有特定的温度和特殊的设备，也都需要水蒸气和氧气，可以生产烃和气体，作为燃料。

焦化反应可以产生少量的
气体，用作煤的热量；气化反应可以产生大量的气体，用作居民和工业的燃料。

煤气化是一项重要的工业技术，在新能源开发、燃料利用方面发挥了重要的作用，能够有效的利用煤炭资源，节省能源，保护环境，有助于改善能源结构，为经济发展提供源头。

综上所述，煤气化是一种广泛应用于新能源开发、燃料利用以及经济发展的有效技术，而其主要反应式包括焦化反应和气化反应，这些反应都是一种可以将煤转化为有价值的气体的技术。