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煤炭气化的原理引言煤炭是一种重要的能源资源，传统的煤炭燃烧产生的废气和温室气体对环境造成了严重的污染和全球气候变化的威胁。
为了减少对环境的影响，煤炭气化技术应运而生。
煤炭气化是将煤炭转化为合成气或液体燃料的过程，能够实现煤炭资源的高效利用和二氧化碳的减排。
本文将详细探讨煤炭气化的原理及其应用。
1. 煤炭气化的基本原理1.1 煤炭气化的定义煤炭气化是指将煤炭在高温和高压下与水蒸气或空气反应，将其转化为可燃气体的过程。
这种气化过程包括物理变化和化学变化两种形式。
1.2 煤炭气化的热化学反应煤炭气化的热化学反应包括煤的干馏和气化两个阶段。
首先，煤炭在干馏过程中，由于热作用分解，生成固体残余物和煤气。
然后，这些煤气在高温和高压下与水蒸气或空气反应，生成合成气（主要为CO和H2）或液体燃料。
2. 煤炭气化的过程2.1 煤的预处理在煤炭气化过程中，为了提高煤的反应性和减少热解需氧量，通常需要对煤进行预处理。
预处理包括煤的破碎、煤的干燥和煤的分类等步骤。
2.2 典型的煤炭气化过程典型的煤炭气化过程包括干燥、热解、煤气生成和气体净化等步骤。
首先，煤炭经过干燥步骤，除去煤中的水分。
然后，在高温下进行热解，将煤转化为固体残余物和煤气。
接下来，这些煤气经过煤气生成步骤，与水蒸气或空气反应生成合成气或液体燃料。
最后，气体经过气体净化步骤，除去其中的灰尘和其他杂质。
3. 煤炭气化的应用3.1 合成气的应用合成气（主要为CO和H2）是煤炭气化的主要产物之一，具有很高的能量密度和可调节性，广泛应用于合成液体燃料、合成化学品和制氢等领域。
3.2 煤直接液化的应用煤直接液化是将煤转化为液体燃料的过程。
液化后的燃料可以用作煤油替代品，并广泛应用于交通运输、工业生产和居民生活等领域。
3.3 电力生产的应用煤炭气化技术可以与燃气轮机和蒸汽联合循环发电技术相结合，用于发电。
这种方式可以提高燃煤电厂的效率和环保性能。
3.4 煤炭气化技术的前景煤炭气化技术在能源结构调整和减排目标的实现上具有重要意义。
煤气化技术的基本原理煤气化是一种将煤转化为合成气（Syngas）的技术，合成气是由氢气（H2）、一氧化碳（CO）和少量的甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）组成的气体混合物。
煤气化技术的基本原理是通过高温和压力将煤与氧气（或水蒸气）反应转化为可燃气体。
1.干煤气化：干煤气化是指在缺乏水蒸气的条件下，将煤转化为合成气。
在干煤气化过程中，煤被分解成固体炭和气体产物。
首先，煤被加热至高温，煤中的有机物质开始分解。
然后，产生的气体与煤中残留的炭反应，生成合成气。
2.水煤气化：水煤气化是指在存在水蒸气的条件下，将煤转化为合成气。
在水煤气化过程中，水蒸气与煤反应，生成氢气和一氧化碳。
水煤气化通常在高温和高压下进行，以提高反应效率和产气质量。
3.煤热解：煤热解是将煤在缺乏氧气的条件下加热，使其发生裂解反应，产生可燃气体。
煤热解可以通过煤干馏或焦化过程实现。
在煤热解过程中，煤中的有机物质被分解为固体炭、液体烃和气体产物。
液体烃和气体产物可以进一步加工提炼为石油产品或作为燃料使用。
1.碳气化反应：C+H2O->CO+H2煤中的碳与水蒸气反应，生成一氧化碳和氢气。
这个反应是煤气化过程中生成合成气的主要途径之一2.碳气化反应：C+2H2->CH4煤中的碳与氢气反应，生成甲烷。
这个反应也可以在煤气化过程中生成合成气。
3.热解反应：C->C+C煤中的高分子有机物质在高温下发生裂解反应，生成固体炭。
煤气化技术的应用广泛，可用于生产合成气、液体燃料、化学品和氢气等。
合成气可用于发电、制造合成燃料、合成化学品和进行化学反应。
煤气化技术在能源转型和减少对化石燃料的依赖方面具有重要地位。
然而，煤气化技术也面临一些挑战，如高能耗、环境污染和废弃物处理等问题。
因此，在推广和应用煤气化技术时，需要综合考虑技术、经济和环境等方面的因素。
煤气化的基本原理
1煤气化技术
煤气化技术是利用煤碳气化反应，将煤碳与氧气通过煤气炉加热分解，生成煤气作为资源的一种技术。
煤气化技术是一种“一步到位”、即高效利用煤碳源，一次性获取煤气（CO+H2）的技术。
此外，煤气化技术所得到的煤气可直接用于高效照明、车用燃料、加热烹饪和工业用途。
2煤气化的基本原理
煤气化的基本原理是将煤碳气化反应物（C）和氧气（O2）加入煤气炉中，将煤碳、氧气分解为较小的分子碳氢化物。
这种反应可以生成氢气和二氧化碳，并释放大量的热量。
C+O2=CO2+H2+Heat
煤气化反应的起始温度为750~850℃，当反应温度达到了
1500~1700℃时，大量的氢气和二氧化碳就会生成，就会产生大量的热量，使煤气化反应更加有效率。
3应用
煤气化的应用范围广泛，开发了许多应用方案，被广泛应用于房屋建筑、化工行业、煤炭电厂等领域。
例如，它被广泛应用于汽车行业，生产汽油类燃料；用于工业烧窑中，分解成气体，生产低温灰光火；用于电厂，生产热水用于温度控制；在医院用于消毒，清洗等等。
4发展
煤气化技术作为一种可再生资源，具有资源可持续利用的特点，可有效降低利用化石能源的负担，以及降低对环境的污染。
煤气化技术的使用也可以减少很多二氧化碳的排放、改善空气环境，促进人类可持续发展。
由于这些特性，煤气化技术的发展受到越来越重视，大量的科研如今正在付诸实施，有朝一日，它将发挥出更大的行业影响力。
煤炭气化原理一、引言煤炭气化是一种将煤炭转化为合成气的技术，通过高温和缺氧环境下的反应使煤炭中的有机物发生热解、干馏、燃烧等化学变化，产生一种含有一氧化碳和氢气的混合气体，称为合成气。
本文将对煤炭气化的原理进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、煤炭气化的基本反应煤炭气化的主要反应可以分为三个步骤：热解、干馏和燃烧。
2.1 热解煤炭在高温下分解，释放出挥发性物质和焦炭。
这个过程称为热解反应。
热解主要由以下三个步骤组成： 1. 原煤脱水：煤炭中的水分在高温下蒸发。
2. 碳氢化合物分解：煤炭中的碳氢化合物（如烃类）在高温下发生热解，产生小分子气体和炭质残留物。
3. 炭质残留物退变：煤炭中的炭质残留物在高温下发生退变，产生焦油和焦炭。
2.2 干馏在热解的基础上，进一步进行干馏反应。
干馏是指将挥发性物质和焦炭分离的过程。
干馏过程主要包括以下几个步骤： 1. 挥发性物质分离：将挥发性物质（包括一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、重烃等）从煤中分离出来。
2. 固体焦炭生成：将挥发性物质分离后得到的残渣进一步热解，生成固体焦炭。
2.3 燃烧燃烧是指将产生的一氧化碳（CO）和水蒸气（H2O）与外部供气中的氧气（O2）反应，产生二氧化碳（CO2）和热能的过程。
煤炭气化中的燃烧反应主要包括以下几个步骤： 1. 供气：将外部的氧气供应到煤炭气化反应器中。
2. 氧化反应：一氧化碳与氧气发生氧化反应，生成二氧化碳。
3. 氢化反应：水蒸气与一氧化碳发生氢化反应，生成二氧化碳和水。
4. 燃烧释能：燃烧反应放出的热能可以用于产生蒸汽、发电等。
三、煤炭气化的影响因素煤炭气化过程受到许多因素的影响，主要包括以下几个方面：3.1 温度温度对煤炭气化速率和产物组成有显著影响。
较高的温度可以促进煤炭中的碳氢化合物热解和干馏反应，加快气化反应速率。
同时，高温条件下还有利于催化剂的活性和稳定性。
3.2 压力压力对气化反应的平衡和速率同样具有重要影响。
煤炭气化原理煤炭气化是一种将固体煤转化为可燃气体的过程。
在这个过程中，煤被加热到高温，然后与水蒸气或氧气反应，产生可燃性气体。
这些气体可以被用作能源或化学原料。
一、煤的组成及其影响1. 煤的组成煤是一种有机物质，由碳、氢、氧、硫和少量的杂质组成。
它的主要成分是碳，占据了其总质量的50%到90%。
其他元素的含量相对较低。
2. 煤的影响由于不同类型和等级的煤具有不同的组成和结构，因此它们对于气化过程会产生不同的影响。
高灰分和挥发分含量较低的煤通常比较难以气化。
另外，硫和灰分等杂质也会降低气化效率并增加环境污染。
二、煤的预处理为了提高气化效率并减少环境污染，需要对原始煤进行预处理。
1. 破碎首先需要将原始煤进行粉碎，以便于后续的处理。
煤可以通过机械破碎或化学方法进行分解。
2. 脱水接下来需要将煤中的水分去除，以便于气化过程。
这可以通过加热和压缩等方法实现。
3. 脱硫由于硫会降低气化效率并产生环境污染，因此需要对煤进行脱硫处理。
这可以通过物理或化学方法实现。
三、气化过程在预处理完成后，原始煤被送入气化反应器中进行气化反应。
在这个过程中，煤被加热到高温并与水蒸气或氧气反应，产生可燃性气体。
1. 煤的加热首先需要将煤加热到高温。
这可以通过外部加热或内部反应器加热来实现。
2. 氧化反应如果使用的是氧气作为反应剂，则会发生完全氧化反应：C + O2 → CO2H2 + 1/2O2 → H2OS + O2 → SO23. 水蒸汽反应如果使用的是水蒸汽作为反应剂，则会发生部分氧化和还原反应：C + H2O → CO + H2C + 2H2O → CO2 + 2H2S + H2O → H2S + 1/2O24. 反应产物的处理在反应结束后，需要对产生的气体进行处理。
这可以通过冷却、净化和压缩等方法实现。
四、气化产物的用途气化产物可以被用作能源或化学原料。
1. 能源气化产物可以被用作燃料，例如燃气发电和城市燃气供应。
2. 化学原料气化产物中的一些成分可以被用于生产化学品，例如合成氨、合成甲醇和合成油等。
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。
在气化时，氧与燃料巾的碳在煤的表面形成中间碳氧配合物C O x y ，然后在不同条件下发生热解，生成CO 和2CO 。
即：2C O CO CO x y m n →+因为煤中有杂质硫存在，气化过程中还可能同时发生以下反应：22S+O SO 2222SO 3H H S+2H O +222SO 2CO S+2CO + 2222H S+SO 3S+2H O 2C+2S CS CO+S COS223N +3H 2NH2223N +H O+2CO 2HCN+O 222N +O 2NO x x在以上反应生成物中生成许多硫及硫的化合物，它们的存在可能造成对设备的腐蚀和对环境的污染。
在第六章中，还要详细介绍硫及其化合物对煤气的危害及净化方法。
前已述及。
煤炭与不同气化剂反应可获得空气煤气、水煤气、混合煤气、半水煤气等。
其反应后组成如表2-1所示。
表2-1工业煤气组成二、气化过程的物理化学基础煤的反应性是指煤的化学活性，是煤与气化剂中的氧、水蒸气、二氧化碳等的反应能力。
煤的反应性是决定气化方法的一个重要因素。
影响反应性的冈素很多，如煤化度、煤的岩相组成、煤的热解及预处理条件、内表面积及煤中矿物质种类及含量等。
煤炭气化的总过程有两种类型的反应，即非均相反应和均相反应。
前者是气化剂或气态反应产物与固体煤或煤焦的反应；后者是气态反应产物之间的相互作用或与气化剂的反应。
煤的气化过程是一个热化学过程，影响其化学过程的因素很多，除了气化介质、燃料接触方式影响外，其工艺条件的影响也必须考虑。
为了清楚地分析、选择工艺条件，现首先分析煤炭气化过程中的化学平衡及反应速度。
(一)气化反应的化学平衡在煤炭气化过程中，有相当多的反应是可逆过程。
特别是在煤的二次气化中，几乎均为可逆反应。
在一定条件下，当正反应速度与逆反应速度相等时，化学反应达到化学平衡。
A B C D m n p q ++[][]nm p p k V B A 正正= [][]qp p p k D C V 正逆=化学平衡时： [][][][]A B C D mn pqk p p k p p =正逆[][][][]C D A B pqp m np p k K k p p ==正逆 (2-13) 式中 p K ——化学反应平衡常数；i p ——各气体组分分压(i 分别代表A 、B 、C 、D)，kPa ； k 正、k 逆——分别为正、逆反应速度常数。
1．温度的影响温度是影响气化反应过程煤气产率和化学组成的决定性因素。
温度对化学平衡的关系如下：lg 2.303p HK C RT-∆=+ (2-14)式中 R ——气体常数，8.314 kJ/(kmol ·K)； T ——绝对温度，K ；H ∆——反应热效应，放热为负，吸热为正； C ——常数。
从上式可以看出·若H ∆为负值时，为放热反应，温度升高，p K 值减小，对于这类反应，一般来说降低反应温度有利于反应的进行。
反之，若H ∆为正值时，即吸热反应，温度升高，p K 值增大，此时升高温度有利于反应的进行。
例如气化反应式(2-2)、式(2-3)，其反应如下： 22C+H O H CO + H ∆= －135.0 kJ/mol (2-2) 2C+CO 2COH ∆= －173.3 kJ/mol (2-3)两反应过程均为吸热反应，由式(2-14)分析得知，在这两个反应进行过程中，升高温度，平衡向吸热方向移动，即升高温度对主反应有利。
C 与2CO 反应生成CO ，反应如式(2-3)所示，反应在不同温度下2CO 与CO 的平衡组成如表2-2所示。
表2-2 在不同温度下的反应中2CO 与CO 的平衡组成温度/℃ 450 650 700 750 800 850 900 950 1000 φ(CO 2)/％ 97.8 60.2 41.3 24.1 12.4 5.9 2.9 1.2 0.9 φ(CO)/％2.239.858.775.987.694.197.198.899.1从表2-2中可以看到，随着温度升高，其还原产物CO 的含量增加。
当温度升高到1000℃时，CO 的平衡组成为99.1％。
在前面提到的可逆反应中，有很多是放热反应，温度过高对反应不利，如式(2-8)、式(2-10)。
222CO+O 2CO H ∆= 566.6 kJ/mol (2-8)242CO+3H CH H O + H ∆= 219.3 kJ/mol (2-10) 在式(2-10)中，如有1％的CO 转化为甲烷，则气体的绝热温升为60~70℃。
在合成气中CO 的组成大约为30％左右，因此，反应过程中必须将反应热及时移走，使得反应在一定的温度范围内进行，以确保不发生由于温度过高而引起催化剂烧结的现象发生。
2．压力的影响平衡常数p K 不仅是温度函数，而且随压力变化而变化。
压力对于液相反应影响不大，而对于气相或气液相反应平衡的影响是比较显著的。
根据化学平衡原理，升高压力平衡向气体体积减小的方向进行；反之，降低压力，平衡向气体体积增加方向进行。
在煤炭气化的一次反应中，所有反应均为增大体积的反应，故增加压力，不利于反应进行。
可由下列公式得出：up N K K p ∆= (2-15) 式中 p K ——用压力表示的平衡常数； N K ——用物质的量表示的平衡常数；u ∆——反应过程中气体物质分子数的增加(或体积的增加)。
理论产率决定于N K ，并随N K 的增加而增大。
当反应体系的平衡压力p 增加时的u p∆值由u ∆决定。
如果u ∆<0，增大压力p 后，u p ∆减小。
则由于p K 是不变的，如果N K 保持原来的值不变，就不能维持平衡，所以当压力增高时N K 必然增加，因此加压有利。
即加压使平衡向体积减少或分子数减小的方向移动。
如果u ∆>0．则正好相反，加压将使平衡向反应物方向移动，因此，加压对反应不利，这类反应适宜在常压甚至减压下进行。
如果u ∆=0，反应前后体积或分子数无变化，则压力对理论产率无影响。
例如，在下列反应中： 2C+CO 2COH ∆= －173.3 kJ/molu ∆=2－l = l ，此时u ∆>0，即反应后气体体积或分子数增加，如增大压力，则使u p ∆增大，平衡向左移动；相反，如此时减小压力，平衡则向右移动；因此上述反应适宜在减压下进行。
图2-4为粗煤气组成与气化压力的关系图，从图中可见，压力对煤气中各气体组成的影响不同，随着压力的增加，粗煤气中甲烷和二氧化碳含量增加，而氢气和一氧化碳含量则减少。
因此，压力越高，一氧化碳平衡浓度越低，煤气产率随之降低。
图2-4 粗煤气组成与气化压力的关系由上述可知，在煤炭气化中，可根据生产产品的要求确定气化压力，当气化炉煤气主要用作化工原料时，可在低压下生产；当所生产气化煤气需要较高热值时，可采用加压气化。
这是因为压力提高后，在气化炉内，在2H 气氛中，4CH 产率随压力提高迅速增加，发生如下反应：24C+2H CHH ∆=84.3 kJ/mol242CO+3H CH H O + H ∆=219.3 kJ/mol 2242CO +4H CH 2H O + H ∆=162.8 kJ/mol 2242CO+2H CO +CH H ∆= 247.3 kJ/mol上述反应均为缩小体积的反应，加压有利于4CH 生成，而甲烷生成反应为放热反应，其反应热可作为水蒸气分解、二氧化碳等吸热反应热源，从而减少了碳燃烧中氧的消耗。
也就是说，随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少；同时，加压可阻止气化时上升气体中所带出物料的量．有效提高鼓风速度，增大其生产能力。
在常压气化炉和加压气化炉中，假定带出物的数量相等，则出炉煤气动压头相等，可近似得出，加压气化炉与常压气化炉生产能力之比如下式所示：21V V = (2-16) 对于常压气化炉，1p 通常略高于大气压，当1p =0.1078MPa 左右时，常压、加压炉的气化温度之比1/T T =1.1～1.25，则由式(2-16)可得： 21V /V =3.19～(2-17)例如气化压力为2.5～3MPa 的鲁奇加压气化炉，其生产能力将比常压下高5～6倍；又如(鲁尔-100)气化炉，当把压力从2 .5MPa 提高到9.5MPa 时，粗煤气中甲烷含量从9％增至17％，气化效率从8％提高到85％。
煤处理量增加一倍．氧耗量降低10％～30％。
但是，从下列反应：22C+H O H CO +H ∆= －135.0 kJ/mol可知，增加压力，平衡左移，不利于水蒸气分解，即降低了氢气生成量。
