煤气化过程的基本原理解析

煤气化过程依据气化炉内固体燃料气化技术不同分为固定床气化、流化床气化和气流床气化几种。目前在国内较为成熟的仍然只是常压固定床气化技术，下面主要介绍固定床气化工艺。

1.间歇式固定床气化反应原理

①以空气为气化剂。空气通过高温燃料层，主要发生下列反应：

若忽略惰性气体氮，则上述反应体系共有C、CO、CO2、O2四种物质，由C、O两种元素构成，反应体系独立的反应数为4-2=2，即可由式（11-1）和式（11-4）计算平衡组成。其反应平衡常数如表11-2所示。

表11-2　反应式（11-1）和式（11-4）的平衡常数

由式（11-4）及表11-2中的平衡常数可计算出总压0.1MPa时，空气煤气的组成如表11-3所示。假设O2全部与C反应生成CO，空气中N2/O2=79/21=3.76（摩尔比），总压为p。

表11-3　总压0.1MPa时，空气煤气的组成

由表11-3可知，碳和氧的反应在制气时均为不可逆反应，而平衡时氧含量几乎为零。实际生产时只需考虑式（11-4）即可，由表11-3中数据显示，CO平衡含量随温度升高而增加，CO2的平衡含量随之下降。当温度高于900℃，碳与氧的主产物是CO，CO2的含量很少。

②以水蒸气为气化剂。此时主要是炽热的碳将氢从气化剂（水蒸气）中还原出来，进行的主要是还原反应：

另外还会发生生成的CO2与炽热的碳发生反应：

其次燃料在气化时，随着反应条件的改变，还有可能发生如下副反应：

注意：因为煤中含有少量的硫化物，在煤气化时可生成硫化氢和微量的有机硫。

当生成的少量硫化物可忽略时，此反应体系有六个组分C、H2o、H2、CO、CO2和CH4，均有三个元素C、H、O构成，故独立反应数为3，一般选用式（11-5）、式（11-7）、式（11-10），其有关平衡常数见表11-4所示。(www.xing528.com)

当温度和压力已知时，则由式（11-5）、式（11-7）、式（11-10）的平衡关系式和式（11-13）、式（11-14）即可计算平衡组成。在总压0.1013MPa和2.026MPa时不同温度下的平衡组成分别如图11-4、图11-5所示。

表11-4　反应式（11-5）及式（11-10）的平衡常数

由图11-4可知，在总压1.013MPa下，温度高于900℃时，水蒸气与碳反应达到平衡时，含有等量的CO和H2，其他组分接近于零，而H2O、CO2和CH4的平衡组成随着温度的提高而降低，这意味着在高温下进行此反应，水蒸气分解率高，水煤气中CO和H2含量高。

图11-4　0.1013MPa时不同温度下的平衡组分

图11-5　2.026MPa是不同温度下的平衡组成分

对比图11-4和图11-5可知，在温度相同时，随着压力增加时，气相中H2O、CO2和CH4增加，而CO和H2的含量减少。故从平衡看，欲制得CO和H2含量高的水煤气，反应应在低压高温下进行；欲生产CH4含量高的高热值煤气，反应应在低温高压下进行。

2.固体煤气化速率

固体燃料中的碳和气化剂在煤气发生炉中所进行的反应属于气固相系统的多相反应。其反应速度的大小不仅与碳和气化剂的化学反应速度有关，同时还受气化剂向碳表面扩散速度的影响。

（1）碳和氧的反应。此属于气固相非催化反应，反应过程包括：氧气由气流主体向煤表面扩散、氧气在煤表面的吸附、氧气和煤发生化学反应、生成的气体在煤表面脱附、生成的气体由煤表面向气流主体扩散共五个过程。若反应速率低于扩散速率，则过程属于动力学控制；反之属于扩散控制。研究证明：在温度高于1000℃时，燃烧产物主要是CO，在500℃以下时主要是CO2；温度低于7750℃，属动力学控制；温度高于9000℃，扩散控制加剧。

（2）碳和水蒸气的反应。该反应机理与碳和氧的反应相似。研究证明：在温度为400～1100℃时，反应速度很慢，过程属动力学控制；当温度超过1100℃时，反应速度很快，过程属扩散控制。

3.固体燃料气化的反应条件

为了保证煤的气化率高、煤气中杂质含量低（CO2、CH4等），且能量消耗低，气化条件主要考虑：气化温度、气化压力及蒸气/氧比、煤的颗粒大小。

（1）温度。由上述热力学和动力学分析可知，温度必须在900℃以上才有满意的气化速度，且H2、CO含量较高，一般操作温度在1100℃以上。近年来新工艺采用1500～1600℃进行气化，使生产强度大大提高。

（2）压力。降低压力有利于提高CO和H2的平衡浓度，但加压有利于提高反应速率并减小反应体积，目前气化一般采用2.5～3.2MPa，其CH4含量较常压高些。

（3）水蒸气和氧气的比。氧的作用是与煤燃烧放热供给水蒸气与煤的气化反应，H2O/O2比值对温度和煤气组成有影响，其比值要依据采用煤气化方法而定。

煤的颗粒取决于煤的种类、气化方法、气化温度和气化压力。