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/mol

2、水煤气变换反应

CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol

3、部分氧化反应

C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

4、完全氧化(燃烧)反应

C+O2=CO2+394KJ/mol

5、甲烷化反应

CO+2H2=CH4+74KJ/mol

6、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。气化工艺在很大程度上影响煤化工产品的成本和效率，采用高效、低耗、无污染的煤气化工艺(技术)是发展煤化工的重要前提，其中反应器便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着反应器的发展而发展的，为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方向，气化压力由常压向中高压(8.5 MPa)发展;气化温度向高温(1500～1600℃)发展;气化原料向多样化发展;固态排渣向液态排渣发展。

1、固定床气化

固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。

固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂于煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。

固定床气化炉常见有间歇式气化(UGI)和连续式气化(鲁奇Lurgi)2种。前者用于生产合成气时一定要采用白煤(无烟煤)或焦碳为原料，以降低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多;后者国内有20多台炉子，多用于生产城市煤气;该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。

(1)、固定床间歇式气化炉(UGI)

以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰;煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。我国中小化肥厂有900余家，多数厂仍采用该技术生产合成原料气。随着能源政策和环境的要来越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。

(2)、鲁奇气化炉

30年代德国鲁奇(Lurgi)公司开发成功固定床连续块煤气化技术，由于其原料适应性较好，单炉生产能力较大，在国内外得到广泛应用。气化炉压力(2.5～4.0)MPa，气化反应温度(800～900)℃，固态排渣，气化炉已定型(MK～1～MK-5)，其中MK-5型炉，内径4.8m，投煤量(75～84)吨/h，粉煤气产量(10～14)万m3/h。煤气中除含CO和H2外，含CH4高达10%～12%，可作为城市煤气、人工天然气、合成气使用。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大;入炉煤必须是块煤;原料来源受一定限制;出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣含碳5%左右。针对上述问题，1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了液体排渣气化炉(BGL)，特点是气化温度高，灰渣成熔融态排出，炭转化率高，合成气质量较好，煤气化产生废水量小并且处理难度小，单炉生产能力同比提高3～5倍，是一种有发展前途的气化炉。

2、流化床气化

流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化能得以迅速发展的主要原因在于：(1)生产强度较固定床大。(2)直接使用小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术发展，避开了块煤供求矛盾。(3)对煤种煤质的适应性强，可利用如褐煤等高灰劣质煤作原料。

流化床气化炉常见有温克勒(Winkler)、灰熔聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床(PFB是PFBC的气化部分)等。

(1)、循环流化床气化炉CFB

鲁奇公司开发的循环流化床气化炉(CFB)可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是移动床的2倍，碳转化率高(97%)，炉底排灰中含碳2%～3%，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在(5～7)m/s之间，有很高的传热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在(800～1050)℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术，在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有 30多个工厂，在世界市场处于领先地位。

CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料生产合成气，每公斤煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气 (l.9～2.0)m3。煤气成份CO+H2>75%，CH4含量2.5%左右， CO215%，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中CO2含量，有利于合成氨的生产。

(2)、灰熔聚流化床粉煤气化技术

灰熔聚煤气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内(1050～1100)℃的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两极旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，从而提高了碳转化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系统简单。粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化，这种先进的煤气化技术中国已自行开发成功。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有广阔的发展前景。

U-Gas在上海焦化厂(120吨煤/天)1994年11月开车，长期运转不正常，于2002 年初停运;中科院山西煤化所开发的ICC灰熔聚气化炉，于2001年在陕西城化股份公司进行了100吨/天制合成气工业示范装置试验。CFB、PFB可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例;Winkler已有用于合成气生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，甲烷含量较高(0.7%～2.5%)，而且设备生产强度较低，已不代表发展方向。

3、气流床气化

气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类;从专利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度1350～1500℃;后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500～1900℃高温下气化，残渣以熔渣形式排出。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下，因此，其热解、燃烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。