第二章 煤炭气化原理
人们称煤的气化是将大分子的煤转化为小分子的可燃气体的技术；也有的认为煤的完全气化是通过煤的高温燃烧和还原反应生成气态的燃料，因而称煤的气化为煤的“部分氧化”。前一种概念可包括煤的热解，而后一种概念对煤的完全气化描述得更切合实际些。
煤的气化过程是一个热化学过程，是煤或焦煤与气化剂（空气、氧气、水蒸气、氧等）在高温下发生化学反应将煤或焦煤中有机物转化为煤气的过程，该过程是在高温、高压下进行的一个复杂的多项无力级物理化学过程，通过煤炭气化工艺可以利用煤中所含的几乎全部有机物，是获得基本有机化学工业原料的重要途径。[2]
煤气的有效成分为一氧化碳、氢气、甲烷等，其可作为化工染料、城市煤气和工业燃气。
2.1煤炭气化技术
气化技术发展已有150年的历史，许多技术已经相当成熟并广泛应用于生产实际，根据技术大类可分为地面气化和地下气化。 (一)地面气化
将煤从煤从地下挖掘出来再经过各种气化技术获得煤气的方法称为地面气化。地面气化现在被世界各国广泛采用，该方法可利用煤炭气化方法获得气化煤气，生产工艺也很成熟。其方法主要有：
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。
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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。 (二)地下气化
煤炭地下气化是将地下煤炭有控制燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术。只提取煤中含能组分，而将灰渣等污染物滞留在井下。这种新技术集建井、采煤、转化工艺为一体，大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境破坏，并可大大提高煤炭资源的利用率。因此深受世界各国重视。 以传热方式可分为外热式、内热式 (一)自热式煤的水蒸汽气化
自热式即气化过程中没有外界供热，煤与水蒸汽进行吸热反应所消耗的热量，是由煤与氧进行的放热反应所提供。根据气化炉类型的不同，反应温度在800一1800℃之间，压力在0.1—4MPa之间，制得的煤气中除了CO2及少量或微量CH4外，主要含CO和H2。该过程中，也可用空气代替氧气，这样制得的煤气含有相当量的氮气。
图2.1 自热式煤的水蒸汽气化原理 (二) 外热式煤的水蒸气气化
外热式气化是指利用外部给气化炉提供热量的过程，其热源可由加热外部炉壁来加热燃料，炉壁需选用耐火度高且导热性好的材料，同时也可用高度过热水蒸气，（1100C）；另外也可用加热水蒸气和粉末燃料的混合物到1100C,达到水煤气反应温度。其反应原理如图2-3所示。
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图2.3外热式煤的水蒸气氧化原理
2.2 煤炭气化的原理
煤气化过程中的基本化学反应式见表2.1
表2.1煤气化过程中的基本化学反应
在这些反应中，反应10、反应11两反应是煤的热解反应，因煤的变质程度的加深，煤中的氢和氧都在减少，到无烟煤的年老阶段，两者都很少，热解中产生的氢和甲烷更少，煤气中的氢大部分产生于水蒸气气化反应(反应3)。
加氢反应和甲烷化反应是放热反应和体积缩小的反应，加压和低温有利于反应的进行，常压和高温对甲烷的生成都不利。加氢气化反应5只在生产城市煤气中应用，这些反应在常压移动床气化炉内比较常见。而甲烷化反应9有时用于煤气净化中脱除微量的一氧化碳。
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当煤的灰中含有氧化钙一类矿物时，煤气中常会有高的二氧化碳和氢的含量，说明这类矿物对变换反应有一定的催化作用。
变换反应8也称均相水煤气反应，在气化炉中根据炉温起到各组分的平衡。该反应主要是在煤气净化，调节合成气中一氧化碳和氢的比例时应用。根据催化剂的不同，该过程有两种形式：一种是常规的变换，可以在较低的压力下进行变换反应，但它应用的不耐硫催化剂，要求变换前煤气中的硫含量很低，称为无硫煤气的变换；另一种是耐琉变换，变换反应要求在较高的压力下进行(1.0MPa以上)使用耐硫变换催化剂。合成气先进行变换后再进行脱硫，这对于煤气中的COS脱除较为有利，因为在变换时它可变为硫化氢。[3]
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