煤炭气化方法及其技术规律

煤炭气化是煤炭清洁有效利用技术的方法之一。与煤炭直接燃烧相比具有较多的优越性，如工艺设备可以简化，生产过程容易控制和调节，燃烧稳定，减少环境污染等。在煤矿建立煤气站，可用管道运输，减少车、船运输负担。另外，采用煤气为热源，可以提高产品的质量，如前面所介绍的，陶瓷窑炉采用直接燃煤，不可能烧出高质量的产品。

（一）地下气化方法

1.相关概念及意义

煤的地下气化法就是对地下煤层直接进行气化，将煤的开采和转化集于一体的技术。这种气化工艺不需要与煤的开采、加工以及气化有关的各种设施，也减少甚至省却了地下作业过程，降低了投资费用和生产成本。美国对地下气化进行的成本估算为鲁奇地面气化工艺的50%～65%，苏联进行地下气化的投资仅为地面气化的35%～50%。此外，地下气化只向地面输出清洁能源，气化后的灰渣仍滞留地下，大幅度减轻了煤矿开采和地面制气时对环境所造成的污染。还有，对于各种类型的煤，地下气化方法都能适用。尤其是对在技术和经济上不值得开采的煤，如低品位、高硫分、过薄及过深的煤层，或是从安全性考虑不适宜开采的煤，如过于陡斜、多断层、顶板状况危险的煤层，都可以进行地下气化，从而提高煤炭的可采储量。

地下气化法的研究已经历了60余年，苏联、美国、英国等，也包括我国都进行了不同程度的研究工作。但只有苏联曾做了商业规模的试验，其他国家尚未获得技术上及经济上成功。因为地下气化工艺毕竟要复杂得多，主要是由于地下煤层的构造复杂，且随着气化过程的推移不断变化。但通过长期的研究工作，已成功开发出一些地下煤气化的技术，并获得了一些地下气化的规律。

2.地下煤气的工作原理

进行地下煤气化时，将气化剂（空气、氧、水蒸气）通过钻孔送入地下煤层的反应区，使煤发生燃烧和气化反应，从而获得煤气。可见，地下煤气化的原理与一般的煤气化原理相同。

在煤层上方的地面开掘两个钻孔直通煤层下部，并开凿一条水平通道将两钻孔底部连通，两个钻孔与水平通道所包围的煤区即为地下煤气发生炉。其中一个钻孔为气化剂注入通道，生成的煤气则由另一钻孔排出。在气化剂注入钻孔的底部，着火的煤层遇到注入的氧后，形成燃烧区并生成CO2和H2O。接着，高温气流沿水平通道向前流动进入气化区，生成的CO2和H2O与灼热煤层反应，其终端是在煤层温度降低至还原反应停止的地方，即干馏和干燥区的始端。由气化区来的热气体使煤干馏和干燥，生成的干馏产物混入气流中外成为产品煤气排出。产品煤气为低或中热值煤气，它的主要成分是H2、CO、CO2、N。

在地下气化时，燃烧、气化、干馏和干燥的区间不是固定的，而是随气化过程的进行缓慢移动变化，残存的灰渣留在原处。此外，煤层的燃烧和气化反应，不仅沿着水平通道方向推进，在煤层的底部向上方向也有类似的变化。为了防止长时间仅由一个钻孔鼓风燃烧引起的煤层严重变形塌陷，可轮替地向另一个钻孔供给气化剂，与此相应，生成煤气也交替地从另一钻孔排出。

3.地下煤气化的两种方式

地下煤气化方法一般分为两种，即有井式和无井式。有井式地下气化方法需要开凿竖井和在地下挖掘水平通道，可分为室式、钻孔法和气流法三种。室式就是用贯通的水平通道将两个竖井连接在一起。钻孔法在煤层底部先开凿两条相距约150m的相互平行的水平通道，再在通道之上钻出一列间隔5m，中100mm直达通道的孔，然后沿水平通道垂直方向将两条水平通道贯通，建立气化通道。气化时，向一列孔输入气化剂，另一列孔则成为煤气输出管道，该法比较适合于水平煤层。

气流法较适合于陡斜煤层，苏联哥尔罗夫克用此法实现工业化生产。它是顺着煤层的倾斜角开掘长约66m的斜竖井，两井间隔110 m，井底贯通，煤层厚2m，一个气化区约12 000t煤，在一片煤区可以开掘多组竖井同时进行气化，大量的地下作业，以及水平通道空间随着气化过程的进行不断扩大，引起崩塌堵塞气化空间是有井式地下气化的主要问题。

无井式地下气化方法不需要开凿竖井和挖掘水平通道等地下作业，只需先向煤层钻孔，再设法贯通钻孔之间的煤层。这种方法减少了大量的开凿挖掘工作，是正在致力于开发的方法。逆向燃烧火力渗透法是比较简单的一种，在煤层中钻若干个间距为20～40m左右孔，这些孔可在地面上排列成一个圆。每两个孔之间，利用煤层的天然孔隙和裂缝所具有的渗透性将两孔贯通，形成气化通道。贯通时，将一个钻孔下的煤层点燃，并从另一钻孔送入空气。由于气流运动方向与火焰面移动方向相反，称为逆向燃烧。火焰移动方向前锋面的煤与逆向渗透扩散过来的氧气接触后燃烧，并将氧气消耗，使得火焰后方的煤层难以燃烧，这样就形成一个直径约为1m的通道将两孔贯通，其贯通速率可达3m/d。逆向燃烧法贯通要求煤及煤层具有良好的透气性。气化时的过程与上述相同，点燃一个孔的煤，并鼓入空气，煤气从另一个孔排出。煤气组成和热值与有井式地下气化方法接近。

除了逆向燃烧法贯通外，常用的贯通方法还有电力贯通法、水压贯通法、气压贯通法和定向贯通法。

电力贯通法是把电极按一定间隔装在钻孔煤床上，电极间通小于6 000V电压，利用煤的导电率使煤炭化，从而形成高渗透性通道。贯通速率为2～4m/d。主要问题是定向性差，难以控制。电力贯通法也可作为逆向燃烧法的先头工序。

水压贯通法是将添加砂粒的高压水流从钻孔注入煤层中，使煤层压裂形成裂缝。由于煤层裂缝中渗入了水流中的砂粒，即使泄压后裂缝也不会合拢。水力贯通方法的问题也是难以控制，一般在火力或电力法行不通时使用，其贯通速率更快。

定向贯通法是采用定向钻孔方法按要求钻出气化通道，是一种有效可靠的新技术，但成本较高。装有导向传感器装置的钻头接近煤层时，能按预定方向拐弯，进入煤层后即按煤层水平方向钻进。

4.影响地下煤气化的因素

影响地下煤气化的因素很复杂，主要有煤的性质、煤层及围岩结构状况及工艺操作条件等。

地下气化方法使用渗透性强、膨胀性小、质地疏松和活性好的煤，才能保持气化通道的畅通，提高反应速率，获得质量较好的煤气。煤的渗透性随煤的品位而变，褐煤的渗透率为烟煤的1 000倍，无烟煤的透气性最差。膨胀性小的煤在加热时易破碎成小块，气化时不易堵塞煤层中的气化通道。因此，活性较高、透气性能较强的褐煤、烟煤都可以进行地下气化，而无烟煤、焦煤以及强黏结性的烟煤则难以进行地下气化。

气化过程中煤层围岩发生破碎塌陷，若有限的塌落物充填在析空区中，缩小气化空间，有利于气流与煤层表面的接触与反应。但塌落物的块度很大，塌落时形成的岩石裂缝会造成气流短路，不利于气化反应，严重时可能堵塞气化通道。

适量的地下水流入产生的水蒸气促进了水煤气反应，煤气热值增大。但是过多地下水涌入气化区又将降低气化温度，不利于气化反应，使煤气热值下降。显然，大量的地下水涌入会造成气化区熄火。

鼓风量的多少控制气化温度和煤气热值。随着流入水的增大，提高鼓风量可以保证流入水完全蒸发，并提高气化区的温度，煤气热值也相应提高。但鼓风量过高，煤气的热值反而下降。

周期性地改变操作压力可以明显提高煤气质量、热效率和气化效率，并减少热损失，压力的周期变动使得气流速度也随之变化，改善了传热传质的状况。周期变化压力实现的方法，一是保持入口鼓风速度不变，循环地打开或关闭煤气出口阀门；二是交替打开或关闭入口及出口阀门。

地下气化通道较长时，各个反应区较完整，有利于气化反应的顺利完成。但通道过长会降低气化温度，不利于还原反应。较短的通道使干馏区减少或消失，减少煤气中的甲烷含量，煤气热值降低。

（二）移动床气化方法

移动床（或称固定床）气化炉是最早开发出的气化炉。它和燃煤的层燃炉类似，以块煤为原料，下部为炉排，用以支承上面的煤层。通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧或空气和水蒸气）则从炉子的下部供入。由于气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，灰渣中残碳少，气化效率较高。移动床气化方法又分常压及加压两种类型，常压方法通常以空气或空气—水蒸气作气化剂，制得的煤气热值较低；加压方法一般以氧气及水蒸气为气化剂，扩大了对煤种的适应性。按照气化剂的不同，可以分成空气煤气、混合煤气、水煤气和半水煤气等。

1.发生炉煤气温度区域

采用蒸汽和空气的混合物作为气化剂，在常压移动床煤气发生炉内进行气化，产生的可燃气体称为混合发生炉煤气（简称发生炉煤气）。目前，发生炉煤气在工业上得到广泛应用。发生炉煤气的主要可燃成分是CO和H2，体积分数约为40%，还含有不定量的干馏产物，如甲烷、不饱和烃等碳氢化合物。由于发生炉煤气中含有约50%的惰性组分N2，以及少量的O和CO，所以煤气的热值不会很高，因此发生炉煤气属于低热值煤气。

煤气发生炉（或称气化炉）是实现煤气化过程的制气设备，主要由外壳由钢板制造的圆筒形炉体、加煤装置和排渣装置等部分组成。考虑到工艺的简便和热传递效果等因素，发生炉煤气制造是一个逆流过程，即煤从气化炉上部的加煤装置输入炉内，移动方向自上而下，并由炉膛下部的炉栅支撑，而气化剂从气化炉下部送入炉内，向上流动，气化反应生成的煤气经煤层上方的煤气出口引出，煤气化后剩余的灰渣由排渣装置排出炉外。

当供入炉内的煤粒自上而下移动时，会和自下而上的热气体相遇。煤粒在气化炉内要经历几个温度自上而下逐渐升高的区域，在不同的温度区域中，进行着不同的化学反应过程。这些不同的反应区自下而上包括灰渣、燃烧、气化、干馏、干燥等五个主要区气化区域。

在气化炉中，事实上的分区并不是完全独立的，区与区之间相互交错，气化反应在整个物料层中错综复杂地进行着，但气化过程的分区有助于理解发生炉煤气的气化过程。产生的煤气最终由发生炉的煤气出口引出。根据移动床气化炉煤气出口位置的不同，可分为单段气化炉和两段气化炉。单段气化炉只有一个煤气出口，位于煤层干燥区上面的顶部。由于此时出口处煤气的温度较高，约为370～590℃，干馏区中产生的油和煤焦油等会发生裂解和聚合反应，生成重质焦油和沥青。同时，高温煤气穿过煤层时产生的剧烈干馏会使煤发生爆裂，产生的大量煤尘被煤气携带出气化炉，导致单段气化炉的煤气质量比较差。两段气化炉有两个煤气出口，除了在干燥区上部的出口外，另一个位于气化区的顶部，一半的煤气产量从这个出口离开气化炉。因此流经干馏区和干燥区的煤气量只有单段炉的一半，煤气的温度大为降低，阻止了重质焦油和沥青的产生，且可防止煤的爆裂，从而使得两段炉产生的煤气质量比较好。

2.影响发生炉煤气气化效果的因素分析

影响发生炉煤气气化效果的主要因素包括煤的理化性质，气化过程的工艺条件，如气化剂性质、气化温度及气化强度，以及气化设备的型式等。一般，根据煤的性质来确定工艺条件和发生炉的构造，因此煤性质是最主要因素。下面分析煤的性质和工艺条件的影响。

煤的活性组分。煤的活性组分包括煤中的挥发分和固定碳。当以含有较多挥发物的烟煤制取发生炉煤气时，因为煤气中含有一些甲烷、不饱和烃等干馏产物，热值较高，但煤的气化产率较低。相反，采用挥发物含量较少的无烟煤制取发生炉煤气时，热值相对较低，而气化产率因碳含量高而相对较高。一般，挥发分含量增加，煤气的产率随着减少，因为转变为焦油的数量增加。但是挥发分含量对煤气热值的影响还取决于干馏产物的组成和各组分的比例。例如，挥发分几乎相同的烟煤和褐煤，从褐煤制得的煤气热值明显高于从烟煤制得的煤气热值。研究表明，随着煤中固定碳的提高，需要更多的空气，煤气产率增加。随着煤的热值提高，气化强度增加；热值居中的煤其煤气热值和气化效率较高。

煤的惰性组分。煤的惰性组分有煤中的灰分和水分。采用相同的气化工艺条件时，灰分含量愈高，排渣量及未完全气化的灰分包裹的碳就愈多，排渣的热损失和灰渣中的碳损失就愈大，则煤气产率和气化效率降低。如果煤灰具有较强的熔融性、黏结性和结渣性，在气化炉中易结成大的渣块，使得排渣困难，影响气化生产，同时小颗粒的煤会被熔渣或黏结灰包裹成为排出物，也增大碳的损失。显然，结渣性较强的煤种不适用于普通气化炉，一般要求煤的软化温度ST≥1200℃。如采用有黏结性或较易结渣煤为气化原料时，则发生炉中需装有破除燃料层黏结的搅拌装置，或适当提高蒸汽的耗量来降低炉温、预防结渣，但过分降低炉温度又使一部分碳不能充分与气化剂反应而随炉渣排出。

煤中的水分含量高，用于干燥煤的热量多，煤的气化效率下降；煤中水分在快速加热时易使煤发生爆裂，导致煤气中的煤尘数量上升，带出物损失增大，煤气的产率减少，气化效率降低；部分未分解的水蒸气降低煤气质量，增加煤气冷却净化的工艺废水处理的压力。同时，煤气出口温度下降，所以煤中水分的含量不宜多。

煤的物理特性。煤的物理特性是指煤的机械强度、灰分和粒度。气化用煤应具有一定的机械强度，要求煤在冷、热环境具有一定的抗破碎能力，防止煤在运输、加煤、加热过程中出现破碎，造成小颗粒煤被气流夹带，增加带出物的损失。小颗粒煤比表面积大，有利于CO2的还原和水蒸气的分解反应，同时也改善了煤气质量。但料层的阻力增加，带出物相应增多，结渣可能性大，煤气产率和气化效率会降低。因此，入炉原料煤通常分为两级，大小分别为6～13mm和13～25mm。

发生炉中的气化剂是空气和水蒸气的化合物。由于气化剂中的水蒸气在炉内吸热分解，可降低炉温，有利于防止灰的结渣。但水蒸气过量或未分解时也会降低热效率和煤气的质量。通常，控制空气为水蒸气所饱和的温度来调节水蒸气的用量，饱和温度愈高，水蒸气的饱和含量愈大，炉内反应温度愈低。在正常气化过程中，饱和温度控制在50～60℃，水蒸气的消耗量一般为0.40～0.65kg/kg（煤）。随着水蒸气耗量的增加，水蒸气分解量也增加，气化区温度下降，导致CO含量的减小速度大于H2含量的增大速度，使得煤气的热值略有降低，但水蒸气的分解率降低，即利用率会降低。增加水蒸气消耗量可以防止结渣，小颗粒燃料比大块燃料需要消耗更多的水蒸气，这种方法适用于高灰低熔点的燃料，或者当气化炉的排渣能力较差时。

气化强度是指单位发生炉截面积上，每小时气化的燃料量，量纲为kg/（m2·h），提高气化强度，显然可以提高发生炉的生产能力，但也受到煤的性质、气化工艺及发生炉构造等素的制约，因此应选择合适的气化强度。通常，发生炉的气化强度在200～350kg/（m2·h）之间，无烟煤挥发分少，煤结构致密，可采用较低的气化强度；干馏后的烟煤固相产物数量相对减少，其半焦或焦炭有良好的化学反应性，气化强度可取高一些。如果燃料的性质适宜采用较高的气化温度，气化强度也可以随之提高；反之，气化强度条低。在适当的气化温度下，提高气化剂的入炉速度可以获得较高的气化强度，煤气的生产能力提高。但过高的气流速度会增加流动阻力及带出物数量，甚至由于气体与燃料的反应时间缩短而使煤气质量恶化，因此应根据燃料种类、气化温度及气化强度选择合适的气流速度，通常发生炉横截面的气流速度为0.1～0.2m/s。

3.水煤气的处理

水煤气是以水蒸气为气化剂，与碳反应所制成的煤气，其主要成分是H2、CO、CO和N2，可作为化学工业的原料气及城市煤气的掺混气源。水煤气与发生炉煤气相比较，其特点是N2含量很少，H2含量和热值较高。由于水煤气中的主要可燃组分还是CO和H2,煤气热值提高有限，仍然属于低热值煤气。

如果采用水煤气部分甲烷化技术，可进一步降低CO含量，催化合成CH2，提高煤气的热值。为了得到（CO+H2）与N2之比为3:1的合成氨原料气，在水煤气生产中的气化阶将空气与水蒸气一起送入发生炉，也可将吹风阶段燃烧后烟气与水煤气适量混合，使制得的煤气中含有合适的氮，这种加氮的水煤气称为半水煤气。

水煤气的制造原理是将整个反应过程分为吹风和制气，吹风阶段是空气中的O2与C的燃烧放热反应，反应所放出的热量蓄积在炉膛中，当蓄积的热量达到制造水煤气所需的温度时，鼓风，排出燃烧后的烟气；制气阶段将水蒸气送入气化炉内，使蒸汽与炽热的C进行吸热分解反应而生成水煤气。当燃料层温度下降至不利于水蒸气的分解反应时，停止蒸汽输入，重新向炉内送入空气，进行下一轮循环，这种制取水煤气的方法称为间歇式气化法。与理想发生炉煤气相同，理想水煤气的气化效率也达到了100%。但生产中的水煤气制取过程与理想状态相差甚远，实际的气化指标与理论计算值有显著差别。

实际水煤气的制取过程与理想状态相差甚远。两者的主要区别在于生产过程中总是存在质及热量的损失，化学反应也并不完全遵循理想条件进行，即C不可能完全氧化成CO2，水蒸气也不可能完全分解，因此实际吹风烟气和水煤气的成分组成和产率，气化效率及热值等气化指标均与理论计算值存在差异。

实际生产过程中的物质损失有飞灰和炉渣中未参与反应的碳损失。热量损失包括飞灰和炉渣等带出炉外的物理热，气化炉体的散热，吹风烟气和水煤气排出炉外携带的物理显热和气体中尚存的可燃物质的化学热，以及吹风阶段不完全燃烧存在CO损失的反应热等。此外，由于入炉的水蒸气流速高，在制气过程中炉膛温度水平逐渐降低，导致水蒸气不能完全分解，影响气化过程的进行。因此，水煤气的实际气化效率为55%～65%，低于发生炉煤气的气化效率。实际水煤气的组成中，除含有H2和CO外，还含有其他成分的气体，如CO2、CH、O2、H2S、N2和H2O、CO2、O2和N2等来自于气化炉和管道中剩余的吹风阶段的烟气，水煤气中的CO和水蒸气有可能发生变换反应形成CO2和H2，也增加水煤气中CO2和H2的含量，因此实际水煤气中H2含量约为50%，基本与理想水煤气中的H2含量一致，而CO的含量远低于H2的含量。水煤气中的CH4一般认为是在灰分中铁元素的催化作用下，C与H2进行的甲烷生成反应结果。

气化效率是反映气化效果的综合指标。间歇气化法制造水煤气的过程分为吹风和制气两个阶段，每个阶段均有各自的效率，水煤气气化过程的总效率是两个阶段气化效率的综合效应。(www.xing528.com)

4.水煤气的工作循环

水煤气制造过程需要提供热能，使炉膛保持适当的反应温度，以维持水蒸气的吸热分解反应。根据热量的提供方法，可以分为：间歇式气化法，气化剂为空气和水蒸气；连续式气化法，气化剂为氧和水蒸气；外部加热法；热载体循环制气法。工业上一般采用前两种方法，属于内热式的气化工艺技术。我国主要采用间歇气化法，工艺操作比较简单，但生产出现周期性的间歇。随着空分技术的发展，连续气化法已成为水煤气制取的发展趋势。

间歇气化法主要由吹风和制气两个阶段组成一个工作循环，周期地送入空气和水蒸气，吹风阶段燃烧后的烟气和制气阶段生成的水煤气被分别引出。为了保证生产过程的安全和正常运转，一般一个工作循环中还有几个辅助阶段，分别为吹风阶段、蒸汽吹扫阶段、上吹制气阶段、下吹制气阶段、二次上吹制气阶段和空气吹扫阶段。通过控制各个阀门的开闭，完成不同阶段的生产运行。

实际生产过程中，选择合适的操作参数及工艺条件，能够强化气化过程，提高气化效率，获得质量较好的水煤气。为了缩短吹风阶段积蓄一定热量的时间，增加煤气发生炉的生产能力，一般在燃料许可范围内，总是采取提高鼓风速度的方法。鼓风速度提高后，燃烧反应得到强化，燃料层升温迅速，吹风气中的CO2由于与燃料的接触时间缩短而不能充分还原，吹风气中CO含量较低，化学热损失减少，使吹风效率和气化强度均有所提高。鼓风实验数据表明，高风压、大风量、短时间的送风方法，积蓄在料层间的热量多，燃烧烟气中CO含量低。但鼓风速度过高，吹风气中的炉内带出物增加，煤气质量恶化，通常采用的鼓风速度为0.5～1.0m/s。

水蒸气速度。适宜的水蒸气速度与燃料层温度及燃料的活性有关。当料层温度一定时，降低水蒸气速度，水蒸气的分解率增加，水煤气中CO2含量减少，过程的总效率有所提高。但也不能过低，否则煤气的生产能力下降。通常水蒸气速度保持在0.05～0.15m/s范围。如果采用高鼓风速度（约1.5m/s)强化生产，可相应提高水蒸气喷人速度，约0.25m/s。如果使用活性较高的燃料，可采用较高的水蒸气喷入速度，并缩短喷入的延续时间，从而提高煤气的产率和质量。喷入水蒸气的延续时间取决于它的分解率，当炉温降至使水蒸气的分解率开始急剧下降时，即制气效率也急剧下降时，停止喷入水蒸气。

炉膛温度。提高炉膛温度，可以加速碳与氧的燃烧反应、水蒸气的分解反应以及二氧化碳的还原反应，从而大幅度提高了气化强度，促进了水煤气的生产能力。为此，需要回收被吹风气带出炉外的热量。通过在吹风气出口设置的蓄热燃烧室回收这部分热量，使得吹风效率下降有限。但过高的炉温可能产生结渣，不利于气化操作，因此炉温应控制在燃料的灰熔点之下。因此，在煤种的限制条件下，总是尽可能提高燃料层的温度。

燃料层高度。燃料层高度增加，可降低吹风气和水煤气的出口温度，使燃料层蓄积更多的热能，提高能量的利用率，但对煤气的组成影响不大。同时可以保持较厚的气化层，有利于煤气质量的提高，并适应高风量的操作条件。通常燃料层高度可控制在1.8m以下。当使用颗粒较小的原料，由于热交换率增加，可适当降低燃料层的高度。

循环时间。使用活性较高的燃料时，通常采用较高的鼓风速度和水蒸气喷入速度，吹风阶段和制气阶段的时间较短；反之，应延长循环时间。

对间歇式生产水煤气，一般采用不黏结、灰熔点较高，水分、挥发分和灰分较少，粒度均匀，机械强度高和热稳定性好的原料，这些特性对水煤气制取过程的影响与发生炉煤气基本相同。一般水煤气炉的气化原料是焦炭和无烟煤。低挥发分煤可以避免生产中形成的焦油等杂质对安全生产的危害。为适应高气化强度的需要，入炉煤的粒度要比一般气化炉大，也有用型煤作为入炉原料，可保证粒度均匀和高的机械强度。与焦炭相比较，无烟煤的化学活性、机械强度及稳定性都较差，因此不是任何无烟煤都能用于制取水煤气，应作认真的选择。

5.移动床加压气化工艺的特点

目前，广泛应用的移动床气化炉是鲁奇炉，与常压移动床气化床比较，有以下主要特点。首先就是气化强度和气化效率高。加压气化的生产能力非常大，如水分高于20%的褐煤，气化强度比常压气化炉高5倍左右，适合工业化大生产的要求。由于燃料在炉内停留时间长，高压条件有利于炉内的化学反应，出炉煤气温度低，气化效率可达75%～85%，甚至更高。其次就是热值升高。气化炉内在高压条件下能发生甲烷生成反应，煤气中增加了甲烷的含量，经净化脱除CO2和变换CO的工艺后，净煤气热值达14～16MJ/m3。再次煤种适应性广。褐煤、烟煤、无烟煤和焦炭都可以气化,通常加压气化选择较多的是褐煤，以水分20%左右的褐煤气化效果最佳。而且对煤的灰分含量、灰熔点、机械强度和热稳定性的要求比常压气化低。最后就是可远距离输送。在中途不设加压站，2MPa的气化压力能将煤气输送到150km以外，有利于实现煤矿的坑口气化。空分装置大。加压气化采用纯氧，需要配备大容量的空分装置，投资及运行成本较高。

6.加压气化的原理及过程

移动床加压气化过程与常压过程相同，原料媒从炉顶加入，自上而下运动，生成的炉渣从炉底排出；化剂由炉底送入，自下而上经过燃料层的不同反应区域，生成的煤气由炉上部引出。燃料层从下向上可分为灰渣、燃烧、气化、甲烷、干馏、干燥等六个主要区域。除了甲烷区，其他区域的作用及主要反应过程与常压气化基本相同。

气化区，除了发生水蒸气分解反应和CO2还原反应外，加压下还伴随着在灰渣催化作用下的2C+2H2O=CH4+CO2生成甲烷和二氧化碳的反应，而甲烷的生成反应主要在甲区，其反应速度比燃烧区和气化区要小得多，因此甲烷层较厚。

在加压气化过程中，影响加压气化过程的主要工艺参数有气化压力、气化温度及气化剂的参数等。从加压气化的基本反应中可以分析气化压力对加压气化过程的影响，主要反映在以下几个方面。首先煤气组成；其次煤气产率。当压力升高后，CO2在煤气的含量增加，因而煤气产率减少。脱除CO后的煤气体积更小，即净煤气的产率更低。气化强度，随着气化压力的提高，气化强度增大，即加压气化炉的生产能力增强。这是因为气化压力提高后，一方面增大了反应物浓度，加快了反应速度；另一方面，加压气化炉的整个气化反应区高于常压气化炉，增加了反应时间。压力对气化炉的生产能力的影响非常显著，再次水蒸气耗量。气化压力升高，水蒸气的分解率降低，但气化过程却需要消耗更多地从水蒸气中分解的H2用于甲烷的生成，因此水蒸气耗量增加，这也导致热效率有所下降通常，加压气化的水蒸气分解率为常压气化的75%～45%左右，而水蒸气的耗量比常压气化增加约70%～200%。最后氧气消耗量，氧气的消耗量随着气化压力的提高而减少。这是由于甲烷生成的放热反应提供的热量，可以减少燃烧反应提供给其他吸热气化反应所需的热量，则氧耗量下降。通常，加压气化的氧耗量比常压气化的氧耗量减少约10%～30%。

气化温度的选择主要考虑原料的特性和煤气的组成。固态排渣炉中要避免炉内结渣，气化温度应低于灰熔点。对活性强的煤，选择较低的气化温度有利于甲烷的生成。根据化学反应平衡原理，随着气化温度升高，化学平衡有利于向吸热的方向移动，则CH4和CO2含量下降而H2和CO增大，由于CH4含量减少较多使煤气热值降低。因此降低气化温度有利于甲烷的生成反应，但温度过低，各反应的速度都很低。通常，气化温度不低于750℃，制取城市煤气的气化温度在950～1050℃范围，生产合成原料气的温度约1150℃。

气化剂的参数是指汽氧比和温度。气化剂中水蒸气和氧气的消耗量之比称为汽氧比，它影响煤气的组成。随着汽氧比的增加，未分解的水蒸气增多，促进变换反应的进行，粗煤气CO2和H2含量增加，CO减少，CH4几乎不变，热值下降。但净煤气中脱除后，CH4含量增加，提高了煤气热值。

（三）流化床气化方法

1.流化床煤燃烧的优势

流化床煤燃烧技术具有如下优势。首先就是燃烧的效率高，对于一些劣质燃料也同样适用。其次就是具有良好的燃烧强度，单位床面积的处理高。再次就是燃烧温度低，灰渣不容易被软化与黏结。最后就是燃烧技术适用于煤的气化过程，对于床层内温度的均匀分布，在有限的空间内，使工业用户气化炉的工作效率达到最高。液化床媒气化是将气化剂（蒸汽和富氧空气氧气）从床层下部送入炉内，使煤颗粒在的作用下被托起，在炉内呈悬浮状态进行气化反应。

2.流化床的气化流程

流化床中的燃料层虽然呈悬浮状，但其气化过程与固定床非常相似，仍分为燃烧和气化两大区域。燃烧区位于料层的底部，其高度与原料的粒径无关，约为70～100mm。气化区位于燃烧区的上面，直至全部料层的上部界面为止。

流化床中主要的气体组成随料床层高度变化情况也与固定床相似，在燃烧区，强烈的氧化反应使O2急剧减少，在燃料层高度0.07～0.1m几乎完全耗尽,同时CO含量迅速上升至最大值。C含量在CO含量接近最大值时开始产生，H2出现于水蒸气开始分解时，两者含量随CO2下降而增大。而后因变换反应，CO2含量略有增加，CO开始减少。可见，煤气的主要可燃成分是CO和H2,CH4的含量一般少于2%。虽然流化床的气化过程与固定床十分相似，但两者之间仍存在不同之处。

3.流化床气化的影响因素

燃料颗粒的混合。由于燃料颗粒在流态化过程中混合充分，原煤中含有的一部分细小颗粒送人炉内后停留时间很短，便迅速被烟气携带出气化炉，对于那些不易着火和燃尽的燃料，这部分细小颗粒很难燃尽，而且与灰分不易分离，使排出物中的可燃物增多。充分混合还使得燃料的干燥、馏过程在气化区进行，燃料的加热温度较高且受热均匀，挥发分的分解完全，因此煤气中的甲烷和酚类很少，并不含焦油。

床内温度分布。流化床气化过程中，由于混合条件比较好，沿床层高度的温度变化基本上是线性递减，燃烧区的温度比较低。而在固定床中，燃烧区的温度比流化床高得多。因此，流化床的整个床层温度较均匀，沿床层高度的变化比固定床平稳。流化燃烧的不利条件是燃烧的温度受限制，因为过高的炉温会导致燃料的结渣，从而会破坏流化床的正常工作。通常，流化床的燃烧采用低温燃烧方式，气化温度约为850～950℃左右，控制在燃料灰分的开始变形温度以下200℃，这也是为了防止由于床层混合不均匀，出现局部过热时可能产生的局部结渣。当混合良好，床层温度比较均匀时，一般不会出现某局部点上的温度超过燃料的灰熔点。

由于低温燃烧会减慢燃烧的化学反应速度，为了获得质量较好的煤气，流化床气化炉通常用反应性好的煤种（如褐煤、长焰煤）为气化原料。但是根据理论分析和实践经验可知，对于在流化床中燃烧的0.2～8mm的燃料颗粒而言，当气化床温为900～950℃时，它的燃烧速度主要取决于气体的扩散速度，包括氧气从两相界面由气泡相扩散到颗粒相，以及氧气在颗粒相中扩散到每个燃烧着的燃料颗粒，而不是取决于燃烧的化学反应速度。这样，可采用防止局部碳量过分集中、减小燃料颗粒直径等措施以强化燃烧，扩大气化原料的范围。

虽然流化床气化炉燃烧区的氧化反应进行得比较缓慢，但气化区的反应温度比固定床相对要高，反应速度较快，可是由于料层的燃料量较固定床为少，因此还原反应进行得不完全，结果制取的煤气中CO2含量较高。而且由于流化床中温度均匀，使气化炉出口煤气温度较高。

颗粒带出物。流化床气化炉的燃料颗粒一般小于10mm，在悬浮状态下进行气化反应时，不可避免地使部分细小煤粒被煤气夹带离开炉膛，降低了碳的转化率。尤其是宽筛分原料入炉时，这种现象将更加严重。因此，研究、控制和降低气化炉中带出物的数量和性质非常重要。

气化炉中的部分入炉细小煤粒，以及气化过程中不断缩小的煤灰粒，当这些颗粒的自由沉降速度小于操作条件下的气流速度时，极易被出炉气流携带，造成相对量很大的燃料热损失。一般地，为提高煤气化炉的碳转化率，在炉内或炉外加装一高效旋风分离器，使炉气中夹带的固体颗粒部分分离出来，重新返回料层中再气化：或者在流化床上部空间引入二次空气，使其燃烧气化，这就需要流化床气化炉的总高度除了保证燃料所需的气化时间，还能捕集从料层内带出的颗粒，使它们和二次空气作用。当然，采用加压流化床工艺，也能大幅度减少颗粒带出物。

4.流化床气化炉的分类

当前，用于GCC系统的流化床气化炉有温克勒炉、KRW炉和UGas炉等。常压温克勒气化炉最早将流态化技术用于生产工业煤气，1926年在德国建成第一台生产装置。鉴于常压温克勒炉存在不少问题，目前仅有为数不多的炉子在运行。采用新技术开发的高温温克勒炉采用加压气化法，提高了各项气化指标；KRW炉和UGas炉均采用灰团聚排灰技术，降低了排出物的含碳量，这些新型的流化床气化炉，部分已经商业化，部分正处于示范阶段或中试研究阶段。

温克勒气化炉是下部为圆锥形的立式圆筒形装置，钢制炉壳内衬有耐火材料。流化床位于下部的圆锥形区域，高度约3m，上部的颗粒分离区的高度约为流化床高度的6～10倍。气化炉直径为2.5～5.5m。初期的温克勒炉的底部布置有炉栅，气化剂经由炉栅进入炉内。为了避免在炉栅处出现局部过热和结块，以及气体形成沟流，后来的气化炉取消了炉栅，简化了炉子结构，而且同样能使气流分布均匀。

经过破碎并干燥（水分8%～12%）的粒度为0～10mm的原料煤，由可控制加料速度的螺旋加料机（若是黏结性煤，可采用气流输送）送入炉内。气化剂氧气（或空气）水蒸气的50%～75%从下部流化床上不同高度的几排喷嘴送入，与处于流化状态的煤发生气化反应。炉内良好的混合作用使料层温度迅速趋于均一，煤气化反应很快接近平衡。由于反应温度较高，褐煤的气化温度约为815℃，烟煤的气化温度为982℃，因此产生的焦油、酚、苯和萘等大分子有机物基本上都能被裂解为简单的双原子或三原子气体。气化后剩余的密度大的灰颗粒沉入床层底部由卸灰装置排出，约占排出颗粒物的30%，在底部被排出，其余约70%的较轻颗粒则由煤气携带从上部排出。

在炉内上部的颗粒分离区送入占气化剂25%～40%的二次氧气/水蒸气，对部分尚未转化但已离开料层的碳进行气化，该处的温度比床层内的气化温度高200℃左右。二次气化可以提高气化效率，对低活性煤的气化尤为明显。煤在炉内的停留时间约为15～30min。

为了防止有些发生熔融的飞灰堵塞气化炉后面的余热锅炉的管子，在炉子上部沿内壁布置一些水冷壁，类似于辐射式废热锅炉，可以降低气体温度约200℃，使气化炉出口的煤气温度低于灰熔点，有效地使熔化的灰粒再固化。气化炉后面的余热回收装置包括过热器、省煤器和空气预热器等，通常可产生压力达2.2MPa的过热蒸汽。

出炉煤气经过余热回收装置，冷却后进入旋风除尘器。在余热锅炉和除尘器中分离的约75%～90%飞灰，与气化炉排出的灰渣合并后一起送往辅助锅炉内燃烧。经过除尘后的煤气再进入洗涤器—电除尘器系统（低压下可由文丘里洗涤器代替）内分离剩余的颗粒。

典型的温克勒气化炉在常压下操作，最适用的原料煤为活性高的褐煤和次烟煤，要求粒度为0～10mm，水分含量小于20%，否则要进行破碎或炉外干燥处理，但煤中灰分含量对气化没有什么影响。

高温温克勒气化炉（HTW）是在常压方法的基础上，于20世纪70年代开发出的新一代气化炉。从小试、中试到示范装置，历经30余年。1978年在科隆建立的加料量为34t/d的中试装置，到1985年6月共气化2万t褐煤；1989年投入运行的用于联合循环发电(IGCC)的处理能力为干褐煤160t/d的装置（气化剂为氧或水蒸气，操作压力2.5MPa），经历3年试运行，操作运行950h，证明HTW气化炉的低负荷及负荷跟踪特性能满足发电厂操作要求；一台设计能力为3 600t/d褐煤商业炉已于1995年在德国建成。

研究发现，HTW气化炉除了保持常压温克勒炉所具有的维修简单、运行稳定可靠、氧耗量低和不产生液态烃等优点外，还具有以下特性：采用加压气化，提高了气化炉的生产能力，也减少了后续化学合成所需的压缩用能量；提高气化温度，使粗煤气中的CH4含量减少，从而提高了碳的转化率和煤气产率；采用飞灰再循环，提高碳的转化率。开发研究工作主要包括气化温度、气化压力及原料等对气化过程的影响。

利用小试PDU装置对次烟煤、褐煤、莱茵褐煤、泥煤、木材等5种燃料，研究了常压条件下，原料对气化指标的影响。试验表明：随原料活性的增加，依次从次烟煤木材到木材煤，反应速度提高，进料量和气化强度明显增加；而原料氧含量逐渐增加，原料热值下降，合成气的产量显著降低。对于炭化程度高的燃料，可通过增加供氧，即提高气化温度来强化气化过程；随挥发分含量降低，气化温度增高。对于挥发分含量高的木材，气化温度（约600℃）低，可在床层上部加入一些氧或空气，提高气化温度，使液态产物裂解成气体。对于中等变质程度的褐煤等，适当降低上部的供氧量可以提高煤气的热值。

煤中灰分和进料量。HTW炉对含灰量为5%和20%的莱茵煤均适用。随着给煤量的增加，气化强度呈线性关系增加，而煤气产率基本不变，热损失在能量平衡中的比例下降幅度较大。不同含灰量煤的气化强度和煤气产率试验值的离散度约为9%，即不同含灰量的煤对气化强度和煤气产率的影响较小。当气化高灰煤时，煤气产率要比低灰煤小，但仍然在离散范围之内。

HTW炉与常压温克勒气化炉的基本结构形式相似，不同的是在加压条件下工作。此外，HTW炉中试装置的粗煤气进入两级旋风除尘器，第一级除尘器分离的粗粒子再返回到流化床中，第二级除尘器分离的细粒子通过螺旋输送器送往锅炉供作燃料。除尘后煤气进入水平式火管锅炉换热，煤气被冷却到350℃，产生中压蒸汽。而后煤气再进一步经激冷器、文丘里洗涤器和水洗塔冷却、除尘。净化过程得到的部分CO2气体，压缩后可作为煤、灰渣和尘粒锁斗的加压气体。

由于传统的流化床气化炉床层中物料分布均匀，需维持稳定的不结渣操作，因此气化温度较低，造成排灰碳含量过高。为了提高气化过程的碳利用率，在对温克勒炉改进的基础上提出了灰熔聚排灰方法。经过了十多年的试验研究，建立了一些中试装置和示范装置。目前采用灰团聚物排出方式的有KRW气化炉、UGas气化炉以及我国中科院山西煤化所开发的灰熔聚气化炉。

所谓灰团聚排灰技术，就是提高床层内局部区域的温度，使煤中灰分在介于软化和熔化之间的状态下相互团聚并黏结，当含碳量较低的团粒不断长大而不能被流化时，降落至炉底，从而降低了排灰的碳损失。这种灰熔聚流化床气化炉，其灰渣比固态排渣的碳损失少，比液态排渣的温度低，因此碳的利用率提高。