煤气化分类及原理分析

目前在开发和应用的煤炭气化的方法及设备种类很多，采用不同的气化剂和气化工艺，所得到的煤气成分和热值也不同，一般有以下几种分类方法（许世森等，2006；姚强等，2005）。典型的煤气化方法及温度分布如图6-2所示。

1.按供热方式分类

不同的煤气化过程所需的热量各不相同，主要由气化工艺设计和煤质特征所决定，一般需要消耗气化用煤发热量的15%～35%。顺流式气化取上限，逆流式气化取下限。其供热方式又分为以下几种。

（1）自供热气化方式。即气化过程中没有外界供热，煤与水蒸气反应所需的热量由煤的氧化反应所提供，又称部分氧化供热。

（2）间接供热气化方式。在自供热方法中由于过于依赖碳与氧的反应，导致煤气中CO2的含量过高；如果采用纯氧作气化剂，会增加制氧成本；如果用空气作气化剂，则又带入了大量的N2、N2和CO2将使煤气的热值降低。因此，考虑让煤仅与水蒸气反应，热量通过气化炉壁从外部传给煤或气化剂。

（3）加氢气化方式。为了提高煤气的热值，工业上常常采用加压或加氢的方法以提高煤气中CH4的含量。先使煤气加氢气化，然后残余的焦炭再与氧气和水蒸气发生气化反应，产生的合成气为加氢阶段提供氢源。

图6-2　典型的煤气化方法及温度分布示意图

（据许世森等，2006）

（4）热载体供热方式。在一个单独的反应器内，用煤和空气燃烧加热热载体供热，通常以熔渣、熔盐或熔铁为载体。

2.按原料煤和气化剂的混合方式及运动状态分类

根据炉内原料煤和气化剂的混合运动方式分为固定气化法、流化床气化法、气流床气化法和熔融床气化法，相应的气化方法对原煤的粒度和黏结性、操作工艺条件等均有不同的要求，同时热效率、碳转化率、处理能力及煤气组成也有明显区别。此种分类是最常用的气化分类方式（表6-1）。

表6-1　煤气化方法分类（据许世森等，2006；郑楚光，1996）

固定床气化法的原料是块煤，与气化剂是逆流接触，煤在炉内停留时间较长（1～1.5h），反应温度低，碳转化率和气化效率高，但煤气的生产能力较小。(www.xing528.com)

与固定床气化法相比，流化床气化法采用粒度较小的煤，与气化剂的接触面积大，反应速度快，因此单炉的生产能力得到了提高。原料煤在炉内停留时间短，常以分钟计，但流化床气化的灰渣和飞灰含碳量较高，存在一定的技术问题。

气流床气化法的原料煤粒度要求在0.1mm以下，与气化剂顺流接触，反应速度十分迅速，炉内温度很高，其碳转化率和单炉生产能力都很高。

3.按气化剂和煤气成分分类

根据采用的气化剂和煤气成分的不同，通常分为以下几类。

（1）空气煤气。单独以空气作为气化剂得到的煤气，这种煤气的主要成分为一氧化碳和氮气，而且氮气含量较多，可燃成分较少，热值很低，运输很不经济。除非就地燃烧发电，否则用途不大。如果用氧气全部（或部分）代替气化过程中使用的空气，则气化产物中的氮气含量减少，提高煤气的热值，并不会改变其可燃气体的组成成分。

（2）混合煤气。用空气及蒸汽作为气化剂得到的煤气，也被称为发生炉煤气，主要成分为一氧化碳、氢、氮、二氧化碳等。热值稍高于空气煤气，可以直接作为燃料气使用，也可作为高热值煤气的稀释气。

（3）水煤气。采用水蒸气和氧气作为气化剂而得到的煤气，由蒸汽和赤热的无烟煤或焦炭作用而得，主要成分为氢和一氧化碳。可作为燃料，或用作合成氨、合成石油、氢气制备等的原料，但制备成本较高。

（4）半水煤气。用蒸汽及空气作为气化剂所得到的煤气，也可以是空气煤气与水煤气的混合气，其成分和用途与水煤气相近。

（5）焦炉煤气。由煤在炼焦炉中进行干馏所制得，主要成分为氢、甲烷和一氧化碳，也含有少量的乙烯、氮和二氧化碳等。可用作燃料，也可作合成氨等的原料。

4.按制取煤气的热值分类

按制取的煤气在标准状态下的热值可将煤的气化分为3类。

（1）低热值煤气化。煤气的热值低于8374kJ／m3（2000kcal／m3），一般为空气煤气、发生炉煤气。

（2）中热值煤气化。煤气热值为16 747～33 494kJ／m3（4000～8000kcal／m3），用氧气或富氧气体代替空气作为气化剂，煤气中可燃成分的比例较高，可以管道输送，适于民用或工业用，还特别适用于就地发电。焦炉煤气也属于这一类煤气。

（3）高热值煤气化。煤气热值高于33 949kJ／m3（8000kcal／m3），是中热值煤气经过进一步甲烷化工艺过程而制得的，主要成分是甲烷，也称为合成天然气。