煤炭气化（煤炭转化成可燃气体的生产过程）
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更新时间：2023-05-20
煤炭气化
煤炭转化成可燃气体的生产过程
煤炭气化 (Coal Gasification)是指在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气和/或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、氢气、甲烷等可燃气体和二氧化碳、氮气等非可燃气体的合成气(Syngas, or synthesis gas)的过程。煤炭气化时，气化炉、气化剂、供热，三者缺一不可。
煤炭气化指在一定温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其在所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程。对此气体产品进行进一步加工，可制得其它气体、液体燃烧料或化工产品。经气化，煤的潜热将尽可能多地变为煤气的潜热。
2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，煤炭气化在一类致癌物清单中。
基本信息
| 中文名 | 煤炭气化 |
| 外文名 | Coal Gasification |
| 应用 | 化学反应 |
| 所属领域 | 能源 |
| 分类 | 固体 液体 气体气化 |
| 应用领域 | 工业燃气、民用煤气 |
| 必要条件 | 气化炉、气化剂、供给热量 |
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概念
煤炭的气化是以煤炭为原料，在特定的设备（如气化炉）内，在高温高压下使煤炭中的有机物质和气化剂发生一系列的化学反应，使固体的煤炭转化成可燃性气体的生产过程。通常以氧气、蒸汽或氢气为气化剂，生成的可燃性气体以一氧化碳、氢气及甲烷为主要成分。煤炭气化包括高温使煤炭干燥脱水，加热使挥发物析出，挥发物与剩余的煤炭进行气化反应。
煤炭的直接燃烧会带来严重的环境问题，如生成二氧化硫、一氧化氮等有害气体，大量的有害气体在高空聚集会导致酸雨形成，严重危害建筑物、农作物及人类的身体健康。用直接燃烧的方法不可能充分利用煤炭资源，炉烟带走了大量的热，炉渣中仍含有没有燃烧充分的炭。目前这些问题无法得到经济有效的解决，于是人们考虑能否将煤炭转化为洁净的气体或液体燃料再加以利用，煤炭的气化技术得到了大力发展，煤炭气化后生成的可燃性气体经燃烧后只会生成水、二氧化碳，大大减轻了煤炭利用给环境带来的压力，可以说是未来煤炭洁净利用的技术基础。煤炭的气化过程只生成少量的二氧化碳和水，大部分碳都转化成可燃性气体，大大提高了煤炭的利用效率。煤炭的气化产物煤气在电力生产、城市供暖、液体燃料、化工原料合成等方面可以得到广泛利用，煤炭资源随之可以得到有效的充分利用。
主要分类
(1)以原形态为主进行分类，有固体燃烧气化、液体燃料气化、气体燃烧料气化及固/液混合燃料气化等。
(3)以气化过程的操作压力为主进行分类, 有常压或低压气化(0~0.35MPa)、中压气化(0.7~3.5 MPa)和高压气化(7MPa)。
(4)以气化介质为主进行分类, 有空气鼓风气化、空气-水蒸气气化、氧-水蒸气气化和加氢气化（以氢气为化剂，由不得煤制取高热值煤气的过程）等。
(5)以排渣方式为主进行分类，有干式或湿式排渣气化、固态或液态排渣气化、连续或间歇排渣气化等。
(6)以气化过程供热方式进行分类，有外热式气化（气化所需热量借助外部加热装置由气化炉内部释放出来）和热载体（气、固或液渣载体）气化。
(8)以固体煤和气体介质的相对运动方向进行分类，有同向气化或称并流气化、逆流气化等。
(9)以反应的类型为主进行分类，有热力学过程催化验室过程。
(10)以过程的阶段性为主进行分类，有单段气化、两段（单简、双简）或多段气化等。
(11)以过程的操作方式为主进行分类，有连续间歇式或循环式气化等。
实现原理
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。一般包括干燥、燃烧、热解和气化四个阶段。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+HO=CO+H-131KJ/mol
CO+ HO =CO+H+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+O=CO+394KJ/mol
5、甲烷化反应
CO+2H=CH+74KJ/mol
6、Boudouard反应
C+CO=2CO-172KJ/mol
工艺
煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，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。
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。
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。此气化工艺已不再发展。
以上均为地面气化，还有地下气化工艺。
应用领域
煤炭气化技术广泛应用于下列领域：
工业燃气
民用煤气
一般热值在3000－3500大卡，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H、CH、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。
冶金还原气
制作氢气
氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H，然后通过变换反应将CO和HO转换成H和CO，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。
煤炭液化
不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。
