1、 煤氣化簡介 煤是一種固體化石燃料，固體燃料的氣化過程是一個在高溫或同時在高壓下進行的，復雜的多項物理化學過程。 一、煤氣化的定義 煤炭氣化是一個概括的朮語，用來描述煤炭轉化成煤氣的過程。即煤炭在高溫條件下，與氣化劑進行熱化學反應的過程。 能使煤炭氣化生產煤氣的設備稱為煤氣發生爐，簡稱氣化爐。煤炭在此稱為氣化原料，使煤炭與之反應產生煤氣的氣體(空氣、氧氣、水蒸汽、二氧化碳等)稱為氣化劑。 二、煤的氣化方法 煤氣的用途多種多樣，制取煤氣的控制方式也多種多樣。以壓力控制方式分類煤氣化可分為常壓氣化法和加壓氣化法；以氣化原料在氣化爐內的運動方式分類，氣化又可分為移動床氣化、流化床氣化和氣流床氣化；根

2、據排渣方式，煤的氣化可分為固態排渣氣化法和液態排渣氣化法。 魯奇加壓氣化是成熟的工業化煤加壓氣化的方法。于1936年德國建立起第一套加壓氣化裝置至今工業化已有五十多年的歷史，魯奇爐根據爐型的變化大至可劃分為三個發展階段 第一階段（19301954） 1930年西德建立了第一套加壓氣化的試驗裝置，根據多次試驗取得的經驗于1936年設計投產了第一臺工業化的魯奇爐，爐子內徑為1100毫米，用褐煤為原料原料生產城市煤氣，氣化劑為氧氣和水蒸汽，氣化劑通過爐篦之中空心軸從爐低中心進入爐內，出灰口設在爐低側部，爐內壁襯有耐火磚，爐內無攪拌裝置，只有氣化非粘結性的煤，氣化強度較低。 第二階段（19521965

3、年） 由于第一代僅適用非粘結性的褐煤且氣化能力低，為了能夠氣化弱粘結性的煤，并 生產合成氣，提高氣化能力。1950年1954年魯爾公司與魯奇公司合作建立了一套試驗裝置，根據試驗設計了第二代魯奇爐，該魯奇爐在爐內設置了攪拌裝置，其起到了破粘作用，從而可以氣化弱粘結性煤，同時取消了爐內耐火磚襯里，設置了水夾套，排灰改為爐底中心排灰，氣化劑由爐底測向進入爐篦下部。 第三階段（19691980年） 為了進一步提高魯奇爐的生產能力，擴大煤種的應用范圍，滿足現代化大型廠的需要，研究設計了第三代魯奇爐，其內經正大到直徑3800mm，采用雙層夾套外殼， 爐內裝有攪拌器和煤分布器，轉動爐篦采用多層結構，布氣效果

4、好，單爐氣化提高到化能力3500050000m3粗煤氣/hr，同時第三代的結構材料，制作方法，操作控制等均采用了現代技術，自動化程度高。 目前，國外魯奇爐正向第四代發展，其方向是提高能力，進行液態排渣等方面發展。在南非莎索爾廠新建的Mark-V型氣化爐直徑為5000m，單爐生產能力可達100000/Nm3/hr。同時魯奇公司在道爾登廠積極從事“魯爾100MPa”氣化的試驗研究。近年來，由于石油和天然氣的日益短缺及漲價，能源將重新回到以煤為主的時代。 魯奇爐各主要發展階段的技術特性 二、魯奇加壓氣化的特點： 1、原料方面： 煤種適應范圍廣，能氣化從褐煤到無煙煤的各種煤，除焦煤之外。 適用于碎煤氣

5、化，由于魯奇爐為加壓氣化，因而在煤粒度上可放寬至小粒度，其適應粒度最小為2mm，最大為50mm，最大與最小粒度之比一般為8mm，最好為56mm. 2、生產過程方面： 氣化爐生產能力大，加壓下氣體的體積縮小，流速降低，這樣使氣化爐的生產能力可以大大提高。 (2)氣化過程是連續進行的，有利于實現自動化 （3）節省氧耗與動力。加壓氣化，伴有合成甲烷反應，而甲烷化反應是一放熱反應，因而氧耗降低。另加壓氣化產生2.53.0MPa的壓力煤氣，降低了后系統的壓縮動力。3、魯奇加壓氣化的缺點： （1）蒸汽耗量大，在魯奇爐固態排渣氣化過程中，蒸汽分解率低，一般低于40，這使蒸汽耗量指標超高，氣化過程的熱效率有所

6、降低。 （2）配套多而價格昂貴，魯奇加壓氣化需要純氧，因此需要配備價格昂貴的制氧設備。另生產過程中產生煤氣水也需配置煤氣水處理裝 （3）生產運行中，設備損壞與檢修頻繁，因此氣化爐開工率低。 第一節 煤的生成與分類 煤是含碳、氫元素為主的固體礦物燃料，它還含有氧、硫、氮等元素，其是千百萬年前遠古時代植物殘骸經地質作用轉變而成的可燃性生物巖，燃燒時產生大量熱量。 一、煤的生成： 我們都知道煤是遠古時代植物殘骸經地質作用轉變而成的。而煤的生成、大量堆積卻還需具備一定的條件： 1、高等植物的發生、發展是煤生成的首要條件 2、陸地上有均勻的溫度和潮濕的氣候，適宜于陸生植物一代一代地繁茂地生長。 3、地形

7、的起伏形成大的沼澤地帶，有利于植物群的發展及殘骸堆積在水中。 4、地形的運行使有可能保存植物殘骸，并轉變到沉積狀態。 在具備以上條件的前提下，古代植物轉變成煤經過了一系列演變過程，大致可分為兩個階段： 第一階段 泥炭化階段： 此階段植物不斷繁殖、生長、死亡，其殘骸堆積在水中之后，在細菌的作用下進行分解；堆積在下面的完全與空氣隔絕，植物殘骸的菌作用就依靠本身含有的氧，發生氧化分解，發生去羧基、 脫水等作用，放出二氧化碳、水及甲烷，形成一種凝膠狀的物質。這種殘留物的碳含量相對增加，而氧和氫含量則趨于減小。植物殘骸經過這些變化以后，改變了原來的形態和結構，變成含水分很高的棕色物質，這種物質稱為泥炭或

8、稱為泥煤。 第二階段 煤化階段 由于地殼的下沉、泥炭層被埋復于地下，當在泥炭層上面形成了巖石頂板即進入了成煤的第二階段煤化階段，此階段根據作用的因素及所發生的不同又可分為成巖作用階段和變化作用階段。 （1）成巖作用階段： 若地殼的下沉速度和植物生長的速度互相配合，將形成很厚的泥炭層，以后便可能形成很厚的煤層。 但是，地殼下沉的速度常常超過植物殘骸堆積的速度，于是水層復蓋過厚，影響植物生長，泥炭堆積中斷，代之以粘土、沙石的堆積，因此在泥炭層上面形成了巖層，稱為頂板。此時，若地殼下沉速度逐漸變慢，又造就了植物生長、繁殖及植物殘骸堆積的條件，則泥炭層的頂板僅僅變成了泥炭內部的矸石夾層，以后將形成含有

9、夾矸層的煤層。在漫長的地質年代里，埋復泥炭受著頂板和上復巖層的壓力作用，發生了變緊、失水，膠體老化、硬結等物理化學變化，同時，埋復泥炭的化學組成也發生了相當緩慢的變化。這一切變化使得埋復炭最后變成了比重較大、較致密的黑褐色褐煤。從無定形的泥炭轉變為這種具有巖石特征的過程，成為成巖作用階段。 （2）變質作用階段： 當地殼繼續下沉和頂板加厚時，由于地熱和頂板壓力的提高，使得煤的變化逐漸脫離了成巖作用范疇，進入變質作用階段。 變質作用階段是指在褐煤形成以后，沉降到地殼內很深的地方，受高溫高壓的影響改變了原來的性質和結構的過程。 在變質因素的作用下，煤發生了物理、化學變化。變質作用的結果，煤中宮能團含

10、量、揮發分產生率逐漸減小，碳含量逐漸增高，氫和氧含量逐漸減小，熱穩定性有所提高。 在自然中，從植物轉變成煤的過程是一個由低級的發展過程，也由量變到質變的過程。如下表所示： 從植物及各種煤的組成成分，隨著煤化程度的增高，煤中碳含量增加；氫、氧含量減小。成煤過程是一個碳逐漸增加的過程。 二、煤的分類 煤是重要的能源和工業原料，為了使煤炭資源得到合理的利用，有計劃地對煤炭資源進行開發和利用，合理地對煤進行分類便具有重要的科學意義和經濟意義。 1、煤的分類指標： 煤的分類指標要能反應出煤的煤化程度與工藝性質之間的關系。目前作為實用分類指標仍采用可燃基揮發分作為分類的主要指標，再補充幾個表征工藝性質的指

11、標。 （1）揮發分 其中煤中有機質的組成和性質有 密切的關系，它能大致地代表煤的煤化度。 （2）煤的膠資層厚度：其在一定程度上能說明煤的粘結性。 （3）自由膨脹序數：它尚能在一定程度上說明煤的粘結性。 （4）葛金指數：其對煤的結焦性區分能力廣，對揮發分接近而粘結不同的煤都能加以區分。 （5）羅加指數：是一個粘結性指標，它對低、中等粘結的煤有較強的區分能力。 （6）奧加膨脹度：其對強粘結性煤的區分能力較好。 無煙煤含量占到了總儲量17.55，而在無煙煤中變質程度又有顯著的不同，為了更合理地使用無煙煤，以Hr和Vr為指標將無煙煤進一步分為三種，如下表示：無煙煤的分類由上分類表可看出通過煤的分類，對

12、煤炭的勘探、生長、合理使用都起到了重要的指導作用 第二節 煤的工業分析和元素分析 一、煤的工業分析 煤的工業分析也叫煤的技術分析，工業分析的項目包括煤的水分、灰分、揮發分及固定碳。其中水分和灰分是煤的無機組分；揮發分和固定碳取決于有機質的組成和性質，通過對煤的工業分析可合理使用煤種，且起到指導生長的作用。 1、水分（W） 從水分在煤中存在的狀態來看，水分可分為外在水分和內在水分。附著在煤顆粒表面或大毛細管（直徑105cm）的水，稱為外在水分。將煤在空氣中風干時，這類水分就不斷蒸發，一直到其中的蒸汽壓與空氣的濕度達到平衡為止，此時失去的水分就是外在水分，以“WWZ”表示，失去了外在水分的煤稱為風

13、干煤或分析用煤。吸附或凝聚在煤顆粒內部的毛細孔中的水， （直徑 10-5cm）中的水，成為內在水分。內在水分主要以物理化學的方式與煤質相連結，它的蒸汽壓比純水的蒸汽壓小，因而在常溫下，這部分水分不易除去。除上述水分外，煤中還有結晶水和化學水，在煤的工業分析中，只測定游離水（外在水分和內在水分）而不測定結晶水和化學水。 在煤的工業分析中所測定的水分，分為原煤全水分（若來樣符合應用煤狀況，則稱為應用煤水分）和分析煤樣的水分。水分用定量法測定，全水分測定結果按下式計算： WQW1+ G1/G (100-W1) 式中：WQ 試樣全水，；W1 試樣在運輸中損失的水分，；G1 試樣干燥后的 失重，克； G

14、 試樣的重量，克。G1 2、灰分（A）（1）煤中灰分的來源： 煤的灰分是指煤中所有可燃物質完全燃燒以及煤中礦物質在一定溫度下產生一系列分解，化合等復雜反應后剩下來的殘渣。煤的灰分全部來自煤中的礦物質，但它的組成和重量與煤中礦物質不完全相同，因而確切地說，煤的灰分應稱為灰分產率。 煤中礦物質有不同的來源，一般可以分為以下三鐘：a、原生礦物質：它是由成煤植物本身所含有礦物質形成，原生礦物質在煤中含量很少。b、次生礦物質：它是在成煤過程中由外界混到煤層中的礦物質形成。 c、外來礦物質：它并不含于煤中，而是在采煤過程中混入煤中的頂板、底板、夾矸的矸石形成。 煤中的原生礦物質和次生礦物質的總和稱為內在礦

15、物質，內在礦物質很難用選煤方法除去，來自內在礦物質的灰分。而外來礦物質（稱為外在礦物質）用洗選煤的方法比較容易除去。來自外在礦物質的灰分稱為外在灰分。 煤的灰分是一種廢物，它不僅影響煤的熱值，幾乎在煤炭加工利用的各種場合下都帶來有害的影響。 （2）灰分的熔點： 灰熔點即指煤灰分加熱至熔融流動狀態時溫度T3。 另外表示灰溶融特征的還有T1變形溫度和T2軟化溫度。 煤灰分的灰熔點變動范圍很大，它取決于煤的灰分組成，灰分的主要成分為SiO2，AI2O3、FeO3及CaO等，若在灰分中，SiO2AI2O3所占的比例愈大，則灰分的灰熔點愈高。 3、揮發分（V） 煤的揮發分不是煤中的固有的物質，而是在特定

16、條件下，煤的有機質受熱分解的產物。因此確切地說，該指標應稱為揮發分產率。揮發分產率和煤中有機質的組成和性質有密切的關系。隨著煤化度的增高，揮發分產率逐漸減小。因為揮發分能大致代表煤的變質程度，同時又能根據揮發分產率和焦渣性狀初步判斷煤的加工利用性質。所以揮發分產率是煤炭分類的重要指標之一。 二、煤的元素分析 在自然界中，雖然煤的品種很多，然而，它們都是由有機物和無機物兩部分組成。無機物主要是水和礦物質；有機物主要是由碳、氫、氧、氮、硫等五種元素組成。其中又以碳、氫、氧為主其總和占有機質的95以上。氮的含量變化范圍不大，硫的含量則隨原始成煤物質和成煤時的沉積條件不同有高有底。煤的工藝用途主要是由

17、煤中有機質決定的。所以了解有機質的組成是很重有的。 1、煤中的碳、氫、氮、氧的測定 （1）碳、氫、氮、氧的測定 碳和氫是煤中有機質的基本元素，測定法為燃燒法，即在800下通人氧氣使其完全燃燒，ggg 碳氧化成二氧化碳，氫生成水，測定兩種產物的數量便可計算出碳和氫的含量。 煤中的氮，主要是由成煤植物中的蛋白質轉化而來的，具測定一般采用開氏法：即煤加入在硫酸中，在催化劑的作用下，加熱分解，氮轉化為硫酸氫銨。加入過量的氫氧化鈉溶液，把氨蒸出并吸收在硼酸溶液中，用硫酸標準溶液滴定，根據用去的硫酸量，計算出煤中的氮含量。 煤中氧含量一般用差額法算出，即 Or100Cr-Hr-Nr-Sryj (2)C、H

18、、O、N與煤質的關系： 煤的元素組成隨著煤的種類、煤化度及媒巖組成的不同而異。我國各種煤的元素組成下表可見，煤中碳含量隨著煤化度的增高而增加。因此煤的煤化度也常常稱為煤的碳化程度元素煤種元素煤種 煤中氫含量變化較大，隨著煤化度的增高而減少 煤中氧含量隨煤化度的增高而顯著減少。 2、煤中的硫： （1）煤中硫的形態及來源：煤中硫分的存在通常可分為有機硫（Syj）和無機硫兩大類。無機硫又可分為硫化物硫（SLT）和硫酸鹽硫（SLY），有時存在微量的元素硫。有機硫和硫化物硫在空氣中能燃燒，總稱可燃性硫；硫酸鹽硫不能燃燒，屬非可燃硫，兩者總值為全硫（SQ） 硫化物硫一來源于成煤植物及其轉化產物中的硫化物，

19、另一則是水中的硫酸鐵等鹽類還原生成的 硫酸鹽主要由Ca、Fe等鹽類組成，如果煤經風化，硫化鐵硫就可能被氧化生成硫酸鹽硫。 煤中有機硫的含量一般較低，其是煤質分子結構 的一部分，而不是以有機硫化合物的形式與煤的簡單聚合。 2）煤中硫含量的測定：煤中全硫含量常用艾氏法測量，即將煤與艾氏試劑均勻混合灼燒使煤中的硫含量全部變成可溶性的鈉和鎂的硫酸鹽，然后通過重量法測定硫酸鋇沉淀物的數量，來計算煤中的全硫含量。 三、煤的發熱量 發熱量是評價煤質的一項主要指標，也是進行燃燒計算時不可缺少的基本數據，燃燒過程的熱平衡、耗煤量、熱效率等的計算，都是以煤的發熱量為依據的。 1 、發熱量的基本概念： 煤的發熱量就

20、是單位質量的煤在完全燃燒時所產生的熱量，單位表示為：卡/克或千卡/千克。 根據燃燒產物中水的狀態的不同，發熱量的數值可有兩種。一種稱高位發熱量：假定燃燒廢物中所有的水汽都冷凝下來成為零度時的液態水，在這種情況下，單位質量的燃燒完全燃燒后放出的熱量稱為高位發熱量，以QGW表示。另一為低值發熱量，燃燒廢物中的水仍以氣 態(假設為25)逸出.此條件下,單位重量的燃料完全燃燒后放出的熱量成為低位發熱量,以QDW表示,其接近工業實際情況. 高位發熱量和低位發熱量可互為換算:即QGW=QDW+6(WY+9HY)式中:QGW應用煤的高位發熱量; QDW 應用煤的低位發熱量; WY 應用煤中的水分,百分數;

21、HY 應用煤中的氫含量,百分數. 2.發熱量的計算: 煤的發熱量除了可以直接測定外,還可以利用煤的工業分析和元素分析數據來計算. (1)利用工業分析計算 a.灰分Ag的無煙煤高位發熱量 QfGW=K0-80Wf-90Af 式中:QfGW 分析樣高位發熱量,卡/克; Wf分析樣水分含量, ; Af-分析樣灰分含量, ; K0-常數, 的無煙煤高位發熱量: QfGW=K1100-(Wf+Af)-6Af 式中:K1常數,由煤實測的Vr值和焦渣特征表查得. C.灰分Ag40%的褐煤高位發熱量: QGW=K2-70Wf-75Af 式中:K2為常數 (2)利用元素分析計算: a、計算任何褐煤、煙煤和無煙煤

22、的發熱量 QGW80（78.1）Cr310（300）Hr15Sr25Or5（Ag-10） 當Cr95或Hr1.5時，式中Cr前面的系數采用78.1；當Cr77，式中Hr前面的系數采用300。 b、計算各種褐煤、煙煤和無煙煤的QDT： QDT 80（78.1）Cr310（300）Hr10Nr25Sr25Or5（Ag-10） 式中Cr和Hr前面的系數的采用原則同前述。當煤中Ag 10時，式中最后一項灰分校正值才需減去，否則，最后一項刪去。 3、煤的發熱量與煤質的關系： 在煤的組成的元素中，C和H是影響煤發量的主要因素，從褐煤、長煙煤過渡到焦煤時，煤中H含量減少不大，而碳含量卻有明顯的增加，這使得煤

23、的發熱量趨于增加。到焦煤以后，由于煤中碳含量增加幅度降低，而H含量卻明顯地降低，而氫的發熱量比碳大4.2倍，因此，發熱量的變化又隨著煤化度的增高而下降。 H值和K0值對應表V值和K0值對應表焦渣特征V%KV值和K2值對應表 第三節 煤的分析結果的表示法和基準 一、分析結果的工業分析和元素分析結果的百分率，因分析樣不同而結果也不相同，此處所說的條件也即基準，若基準不一致，同一實驗數據的計算差別就很大。如下表示：礦煙煤各某基準的分析結果 可見各種煤的同類數據只有在同一基準的基礎上才能進行比較。因此，所有的分析指標一定要表明它的基準。一般在工業生產中為了便于比較，灰分常采用干基、揮發分采用可燃基、硫

24、大多數也采用干基，分別表示為：Ag%,Vr%,SgQ%.元素分析一般規定以可燃基為基準： 如：Cr%,Hr%,Or%,Sr%,Nr%等 二、基準之間的換算1、全水分（） WQ=WWZ+WNZ(100-)/1002、固定碳（） CGD=100-(Wf+Af+Vf) ; CGD=100-(Ag+Vg) CGD=100-Vr 3、從分析基或可燃基換算成干基： Xg=Xg100/(100-Wf)% Xr=Xr(100-Ag)/100% 4、從分析基或干基換算成可燃基： Xr=Xf100/(100-Wf-Af)% Xr=Xg100/(100-Ag)% 5、從分析基換算成應用基： Xy=Xf(100-Wy

25、)/(100-Wf)% Xy=Xf(100-WWZ)/100% 第四節 煤的熱分解與氧化 一、煤的熱分解概念： 有機物質在中性化學介質中加熱時所發生的變化，統稱為熱分解，這種變化是由于分子的分解，不飽和原子團的化合和最輕分子的揮發所引起的。 煤的熱分解是個復雜的過程。它包括了煤中有機質的裂解，裂解產品中輕質部分的揮發，殘留部分的締合作用.熱分解的趨勢是使煤中對熱不穩定的部分,不斷的裂解,揮發而去,殘留的部分 不斷的締合增炭,形成了熱穩定的產物. 根據加熱溫度,煤的熱分解過程大致可分為以下階段: 1、120放出外在水份和內在水份，成之為以下階段。 2、120 200 放出吸附在小孔中的氣體，如C

26、O2、 等，成為脫吸階段。 3、 200 300 放出熱解水，開始形成氣態產物，如CO2、H2S等，并有微量焦油析出，成為開始熱解階段 4、 300 500 大量析出焦油和氣體，幾乎全部焦油均在此溫度范圍內析出。在這一階段放出的氣體中主要為CH4及其同系物，此外，還有不飽和烴（CmHn）、H2及CO2、CO等，成為一次氣體。粘結性煤在這一階段經膠質狀態轉變為半焦。此階段成為膠質體固化階段。 5、500 750 半焦熱解，析出大量含氫很多的氣體，為二次氣體，在此半焦收縮，此階段成為半焦收縮階段。 6、 750 1000 半焦進一步熱分解，繼續形成小量氣體，半焦轉變為焦炭。 熱解是由于溫度的升高，

27、分子振動加劇，當振動強度大于原子鍵的生成能時，分子中原子之間的鍵能即行斷裂。可見，煤的熱穩定性取決于分子中原子間鍵能的大小，即決定于分子的結構。隨著煤化度的增高，煤中氧含量、氫含量的減小，側開始鍵變短，芳構化程度增高，而使其熱穩定性提高，所以，隨著煤化度增高煤的分解溫度也升高。煤的分解溫度 二、煤的氣化： 1、基本概念： 氧化對于煤的性質有重大的影響，它是煤風化甚至自燃的原因。 煤的氧化可分為五個階段：第一階段為在常溫到100 左右，用空氣或氧氣氧化，形成表面氧絡合物，并進一步發生氧化分解和變質。第二階段為在100300 用空氣或氧氣氧化，生成可溶于堿的復雜的再生腐值酸；第三個階段是在2003

28、00 懸浮在堿的水溶液中用氧加壓氧化，生成可溶于水的較復雜的次腐質酸。第四階段與第三階段條件相同，僅增加氧化劑的量，生成溶于水的簡單有機酸。第五階段便是燃燒。 2、煤的風化和自燃 煤在空氣中堆存時受到大氣因素（包括空氣中氧，溫度的變化等化學作用和物理作用）的綜合影響時，其物理性質、化學性質及工藝性質就發生一系列的變 化，這種變化成為風化。風化作用主要是煤的有機質和礦物質所引起的。煤的氧化放出熱量，如果熱量不能及時放出，在煤堆中越積越多，煤的溫度就越來越高，使氧化過程加速，放出更多的熱量，以致達到煤的著火點，這樣由煤的自熱而造成自燃。 煤在 低溫時氧化的趨勢取決于煤的種類，煤化度越高，煤中有機質

29、的芳構化程度越高，含量越低，煤就難在低溫下氧化。煤的自燃趨勢也逐漸降低。 煤溫度越高越易自燃，疏松的煤易于與空氣接觸，因而也易自燃。 3、媒風化、自燃過程的機理： 煤在較低的溫度下，由于煤吸附了氧而生成了煤氧絡合物，這一絡合物只是在比較低的低的溫度下才能在，當溫度高于8085時，則迅速分解并放出CO2、CO、水蒸汽，同時放出熱量，煤溫繼續升高，第二個煤絡合物以相當大的速度生成，并在相當高的溫度下分解，生成了被氧化了的煤的氣體產物，同時放出了熱量。這樣加劇了煤的溫升，使之達到著火點。 煤氣化是一個復雜的物理化學過程，在氣化過程中即有煤與氣化濟之間的一次反應，又有反應產物與煤或其它氣體之間的二次反

30、應，主要一次反應有： C+O2=CO2+97800千卡/公斤分子 2C+O2=2CO+58860千卡/公斤分子 C+H2O=CO+H2-28160千卡/公斤分子 C+2H2O=CO2+2H2- 17970千卡/公斤分子 2C+2H2O =CH4+CO2+30000千卡/公斤分子 主要二次反應有： 2CO+O2=2CO2+136440千卡/公斤分子 CO2+C=2CO- 38400千卡/公斤分子 C+2H2=CH4+20870千卡/公斤分子 CO+H2O=CO2+H2+10410千卡/公斤分子 CO+3H2=CH4+H2O+49250千卡/公斤分子 2CO+2H2=CH4+H2O+59100千卡

31、/公斤分子 CO2+4H2=CH4+2H2O+38900千卡/公斤分子 2H2O+O2=2H2O+115620千卡/公斤分子 煤氣化反應也是一種化學反應，因此，一般化學反應的原理基本也能適用。 一、氣化反應的物理化學基礎 1、氣化反應的反應速度： 化學反應速度是指反應器在單位時間內所起化學變化的量，一般以單位時間內反應物或物質濃度的變化來表示。 （1）均相系的反應速度 均相系反應是指在均一的同一氣相混合物中各種氣體間進行的反應。其化學反應速度與反應物質濃度的乘積成正比. (2)濃度：壓力對均相系反應速度的影響 在 同一溫度時，氣體 分子具有的能量并不相同，具有 較大能量的分子叫做活化分子，只有

32、活化分子之間的相互碰撞才能發生反應。這種發生反應的碰撞叫做有效碰撞。在一定溫度時，一定反應物中活化分子占的百分數是一定的。但當反應物的壓力或濃度增大時，單位體積內活化分子數多了。這樣就能使單位時間內所發生的有效碰撞次數增多，因此反應速度也就增大了。 （3）溫度對均相系反應速度的影響 1889年阿累尼烏斯提出了溫度影響反應速度常數：活化能 一定時，溫度升高，常數增加，因此反應速度加快。 （4）活化分子所具有的能量比一般分子的平均能量高出的值稱為分子的活化能。 化學反應即要兩個分子接觸而起作用，而且必須接近到一定程度。由于分子間配對電子的相斥以及兩核之間的斥力，在一個分子接近另一個分子時，位能就要

33、增加，同時，在生成物生成以前，反應物分子中原子有的化學鍵也需要減弱或破壞，這些過程都需要額外能量來補充，而這個過程所需的能量總和就是活化能。活化能表明了一個化學反應在進行過程中所需的能量，可見，不同的化學反應要有不同的活化能。因此，在其它條件相同時，活化能愈小，活化分子的數目越多，反應速度也就越 快。 （5）非均相系的反應速度 非均相系反應是指在固定碳相的界面上碳和氣體（O2、H2O、CO2等）間進行的反應。 在非均相系中，化學反應是在兩相（氣、固）的界面上進行的，只有在這里，反應物的分子會發生碰撞。因此，非均相系的反應速度除受溫度、壓力、濃度等因素影響外，還和兩相之間接觸面的大小有關。 煤炭

34、氣化過程便是一非均相系化學反應過程，是固定碳與生成氣反應的過程。其可表述為：固體氣體另一氣體 類型的非均相反應。 在固體表明進行反應一般可分為三個階段： 第一，反應物分子從氣相區穿過氣膜擴散傳播到固體表明。 第二，反應分子被固體表明所吸附，并進行化學反應。 第三生成物分子從固體表明解吸，并重新穿過氣膜離開固體表明。 由上述過程可見，非均相系的反應速度，不僅取決于化學動力學方面的作用速度，而且與第一或第三階段的氣體擴散速度有關。若擴散速度不及化學反應速度快時，則總的反應速度受到擴散速度的限制，次況稱為擴散區。與次相反則稱為動力區；兩區之間成為過渡區或中間區。 擴散速度由菲克定律可知：增大氣流速度

35、，提高溫度、壓力（壓力提高氣體密度增大而氣體密度對碳表面的氣膜厚度的影響，要遠大于壓力對擴散系數的影響）都可提高擴散速度。 2、化學平衡狀態和平衡常數 氣化反應一般都是可逆反應，而可逆反應在密閉的容器中是不能進行到底的。在可逆反應過程中，正反應的速度是隨著反應物的不斷減小而逐漸降低；而逆反應的速度則是隨著生產物的不斷增加而上升。當逆反應的速度與正反應的速度相等時，反應即達到了平衡狀態，此時生產物和反應物的量達到了一定的比例 關系，只要反應條件不變，次比例關系無論經過多長時間都不會改變。 （1）均相系的反應平衡 設均相系的可逆反應為： Aa+bB =cC+dD 則其正反應速度U1和逆反應速度U2

36、為：反應時間反應速度可逆反應UtU1=U2正反應速度U1逆反應速度U2 U1=K1AaBb U2=K2CcDd 當反應達到平衡狀態時， U=0即 U1=U2 將U1和U2式待人上式得：K1AaBb=K2CcDd 化簡為 Cc Dd / Aa Bb = K1 / K2 = KC 式中：A、B、C、D 物質A、B、C、D在達到平衡時的濃度。 KC以濃度表示的反應平衡常數。 （2）非均相系的反應平衡 在固體與氣體之間所進行的非均相系 的可逆反應中，固體與其蒸汽壓間的平衡及蒸汽與氣體間的平衡均要考慮。固體在一定溫度時，其蒸汽壓是一定的，故作為一個常數并入平衡常數中。 3、化學平衡的移動及影響因素 化學

37、平衡的移動即反應條件的改變，使原已達到的化學平衡遭到破壞，從而使反應物和生產物濃度發生變化，達到新條件下的化學平衡。化學平衡移動的根本原因是，外界條件的改變對正、逆反應速度發生了不同的影響。 （1）濃度對化學平衡的影響： 可逆反應的化學平衡常數是溫度的函數不隨濃度的變化而變化。在平衡體系內增加反應物的濃度，平衡則向著減小反應物濃度方向移動，也就是朝著產生生產物的方向移動。 （2）溫度對化學平衡 的影響 溫度對平衡常數的影響與反應的熱效應關系很大。對于放熱反應，要增加生產物的產量，宜在較低溫度下進行；對于吸熱反應，要增加生產物的產量，宜在較高溫度下進行。 （3）壓力對化學平衡的影響 提高壓力有利

38、于生成物體積減小的反應，不利于生成物體積增大的反應。 （4）呂查德里 原理 總結了諸因素的影響規律即：若改變平衡體系諸條件之一，（溫度。壓力和濃度）結果會使化學平衡向能減弱這個改變的方向移動。 二、煤氣化主要反應的反應機理 1、碳到氧化機理 實驗證明，隨著溫度、流體動力條件及鼓風氣相個別組成的分壓不同所制得的煤氣中碳的氧化物比例（CO：CO2）變化范圍是很大的。在過去大量的研究中碳與氧的反應機理最初提出為二氧化碳說，這種學說認為CO2是碳與氧反應（C+O2=CO2）生成的一次產物，而CO是CO與碳二次反應的產物。 而后又提出一氧化碳說，其與二氧化碳說相反，認為碳和反應首先生成CO，即2C+O2

39、=2CO,CO是反應的一次產物，即CO2是由反應2CO+O2=2CO2生成的。最后較多的實驗研究結果認為CO與CO2同為碳與氧相互作用的一次產物，生成機理如下： （1）氧吸附到碳的表面. （2）在碳的表面形成一種碳氧絡合物, CxOy. (3)隨著反應進行的條件不同，碳與氧絡合物熱鍵同時生成不同比例的CO和CO2. CxOy-mCO+nCO 2、二氧化碳還原機理 a、反應機理：在煤氣化過程中二氧化碳還原生成一氧化碳是一個非常重要的二次還應，其在很大程度上確定了所得煤氣的質量。 大量的研究工作得出結論：二氧化碳還原反應是復雜的多相反應（非均相反應），通過形成固體表面絡合物CxOy和分解生成CO。

40、 （1）CO2在碳表面吸附并與碳形成一種碳氧初次絡合物。C+CO2-碳氧初次絡合物。 （2）碳氧初次絡合物分解形成放射性一氧化碳和非活性二次碳氧絡合物。 （3）二次碳氧絡合物分解形成非活性的一氧化碳和碳的游離原子。 二次碳氧絡合物CO+C（游離） b、影響還原反映的條件 （1）溫度對反應速度的影響 二氧化碳的還原反應進行得比較緩慢，尤其在低溫條件下，為了達到反應的平衡，就需要一段較長的時間。反應溫度愈高，反應的速度將愈快，其達到平衡所需的時間則愈短。而在較低的反應溫度時，反應速度較慢，達到平衡的時間較長。在實際生產中，氣體在還原層停留的時間很短，僅幾秒鐘，與在次條件下達平衡所需時間相比相差很多

41、，反應CO2+C=2CO并不能達到平衡，因此生產出的煤氣CO2要比次條件下的平衡含量高。 由反應速度與反應溫度的關系可見：在一定的溫度下，CO2與赤熱的碳接觸時間愈長，則生成一氧化碳的量就愈多。若接觸時間相同，則進行反應的溫度愈高，CO2的還原就愈快，愈完全。 （2）燃料性質對反應速度的影響 我們由煤的物化性質可知，隨著碳化度的增高，煤的化學性下降。化學活性也影響反應速度的一個因素，在同等反應溫度條件下，活性好的煤，反應速度快為了保證煤氣的質量，氣化工藝條件要隨燃料的不同而改變，如氣化碳化度高的煤要比氣化碳化度低的煤操作溫度要高。 3、水蒸汽分解機理 燃料中碳與水蒸汽之間的反應是一次反應，它對

42、用空氣水蒸汽或氧氣水蒸汽條件制氣過程具有重要的影響，水蒸汽分解可有以下幾個反應： C+H2O=CO+H228150千卡/公斤分子 C+2H2O=CO2+2H2-17900千卡/公斤分子 CO+H2O=CO2+H2-10250千卡/公斤分子 對于碳與水蒸汽反應CO2是初級產物，還是CO是初級產物，眾說不一。近年來開始認為水蒸汽分解反應也是存在著化學吸附的過程。 （1）水蒸汽在碳的表面物理吸附。 C+H2OC+H2O(吸附) （2）然料中的碳與水蒸汽形成中間絡合物，這是化學吸附。在形成絡合物的瞬間分解出為碳表面所吸附的氫，氫則在高溫作用下逐漸解吸下來。 C+H2O(吸附)CxOy+H2(吸附) H

43、2（吸附）H2 （3）中間絡合物在高溫下分解或與氣相中水蒸汽反應形成CO。 CxOyCO(吸附) +C CO(吸附) CO 或 CxOy+H2OCO(吸附)+H2 許多研究發現在氣化含灰的燃料，當氣化劑中存在有水蒸汽時，所得氣體組成中CO2較多，而氣化含灰量少的燃料時，所得氣中CO2較少。這是由于在固體燃料氣化的同時，存在著水蒸汽和碳的反應以及CO的變換反應。并且燃料中的灰分對CO變換反應起有催化劑作用。 一、實際氣化過程的熱工特性 在實際的加壓氣化過程中，原料煤從氣化爐上部加入，在爐內經過干燥、干餾、半焦氣化、殘焦燃燒、灰渣的排除等物理化學過程。在整個氣化過程需耗熱的地方有： （1）煤的干燥

44、； （2）煤的干餾； （3）氣化過程中吸熱的還原反應； （4）煤氣和其夾帶出爐的顯熱； （5）灰渣帶出的顯熱； （6）氣化爐的散熱損失。 魯奇加壓氣化的供熱是通過未氣化反應了的剩余炭與氧進行燃燒來實現的。 二、魯奇爐燃料床層的結構 在加壓氣化爐中燃燒床大致可分為灰渣層、燃燒層、還原層（氣化層）、干餾層、干燥層等五層。各層分布見下圖：1、300mm 450 2、300mm 10001100 3、1600mm 5501000 4、500mm 350550 5、800mm 350 1、灰層2、燃燒層3、氣化層4、干流層5、干燥層燃料床層分布床層高度及床溫在燃料層主要進行的是C+O2=CO2和C+O2

45、=2CO反應，反應產生的熱量傳到給了氣體，提供了氣化所需的熱量。而在還原層、干餾層 、干燥層則是氣體是熱量傳導給氣固接觸面上。煤的干餾、干燥需要吸收氣體大量的熱量，因此在這兩層氣、固溫差分別顯得更大一些。圖中氣化過程和床層高度與溫度之間的關系 三、氣化爐內各層的特性 1、灰渣層 灰渣層是用于保護氣化爐爐篦不被燒壞或過熱變形，其厚度是生產操作重要的一個控制值，一般在爐頂之上300500mm,在此層高溫的灰渣與氣化濟換熱，使得灰渣溫度降至約450 . 2、燃燒層 氣化劑通過灰層繼續上升進入燃料層，在次氣化劑中02與煤發生燃燒反應，生成大量CO2和CO。當氣化劑中的氧幾乎全部消失時，該層結束。該層的

46、反應放出大量的熱，故稱其為供熱層。 碳與氧的燃燒反應速度極快，煤料在該層的停留時間較其它層都短，一般約38分鐘，煤料在燃燒層停留的時間及次層的厚度與煤料的性質有很大關系，當氣化灰分高、粒度大、活性差的煤時，則床層厚度要增高且煤料停留的時間要較長，以使反應進行完全。 3、還原層 在氧氣全部消失后，水蒸汽開始大量分解和碳進行反應，碳與燃燒層來的CO2進行還原反應，隨著反應的進行，在還原層H2和CO不斷地增加，水蒸汽和CO2的量在逐漸減少。由于大量的H2和CO的生成，創造了甲烷大量生成的條件，在次，發生了加氫和合成反應，隨著反應的進行，CH4量增加，而H2和CO減少。甲烷生成的反應速度較碳的燃燒反應

47、和CO2的還原還原小的多，因此整個還原層在爐內占據了大部分，在還原層吸、放熱量幾乎相等，因此，整個床層內溫度幾乎沒有變化。 4、干餾層 在干餾層，脫去水分的煤在次熱解產生揮發分和殘余碳。殘余碳的狀態隨溫度的不同而成為焦碳或半焦。揮發份則是由可燃氣、焦油蒸汽、輕油餾份、有機化合物以及水蒸汽組成。 5、干燥層 是燃料氣化的準備層，在次燃料被加熱脫去水分。 一、工藝概述 如右圖所示，力度為550mm的原料煤由貯煤倉經煤鎖間斷地加入到氣化爐內，在3.1MPa壓力下，煤自上而下經干燥層、干餾層、氣化層逐層下移，與底部進入的氣化劑（蒸汽氧氣）逆流接觸發生氣化反應，生成的煤氣將熱量傳遞給下降的煤層，以約60

48、0700的溫度離開氣化爐。 離開氣化爐的煤氣首先進入文丘里噴淋洗滌冷卻器，在此，煤氣被冷卻至204 ，大部分重組分被冷凝洗滌下來，隨后氣液混合物一同進入廢熱鍋爐、回收了煤氣的大量顯熱和潛熱，而被冷卻至180 的煤氣經氣液分離器后送至粗煤氣冷卻裝置，冷卻至37 左右送至低溫甲醇洗裝置，進行脫硫、脫碳。 經反應后的灰渣以固態形式由爐內旋轉爐篦排至灰鎖，從灰鎖定期排至爐外，進入水道經水力排至，水力排灰裝置的沉淀池，用橋式抓斗機裝車運出廠外。 從廢鍋分離下來的煤氣水送至煤氣水處理裝置。二、魯奇加壓氣化工藝技術特點 1、煤氣化 魯奇加壓氣化是自熱式工藝，氣化過程所需要的熱量靠煤的部分燃燒來供給。氣化爐是

49、雙層壁壓力容器，夾套由中壓鍋爐水保持液位，操作期間，熱量傳到夾套，在此產生氣化爐操作壓力下的飽和蒸汽，此蒸汽 返回作氣化劑，從而減少了外供的過熱蒸汽氣量。 煤進入氣化爐后首先受熱干燥脫去水分，隨著燃 料層的移動進入干餾層，在此煤中揮發分受熱后逸出 熱解后的煤焦質在氣化層與上升的氣體發生氣化反應，從而產生了以CO2、CO、H2、CH4為主的粗煤氣。 2、加煤操作 魯奇加壓氣化是通過爐頂部設備煤鎖將煤從常壓的煤倉間斷地加入到帶壓的氣化爐內。其操作步序如下： （1）煤從煤倉經煤餾槽流入已為常壓的煤鎖內。此時煤鎖下閥關，與氣化爐隔離，上閥開與大氣連通。 （2）當煤鎖加滿煤后，關閉圓筒閥及煤鎖上閥。 （

50、3）用來自煤氣冷卻裝置的冷變換氣進行煤鎖充壓，最終由氣化本身氣體充壓，使煤鎖與氣化爐壓力相等。 （4）打開煤鎖下閥，使煤進入到氣化爐內。 （5）當煤鎖空后，關閉煤鎖下閥，煤鎖卸壓，煤鎖氣卸至氣柜作燃料氣。 （6）當煤鎖壓力卸至常壓時，打開煤鎖上閥，加煤循環重新開始。 加煤操作設置了人工手動、自動操作和自動操作三種方式。 3、排灰操作 煤在氣化爐內氣化后產生的灰渣，以固態形式首先由旋轉爐篦排人爐下部聯結設備灰鎖，再通過灰鎖操作將灰排至常壓的輸渣設備。灰鎖的操作步序如下： （1）轉動爐篦將灰由氣化爐通過灰鎖上閥口排至灰鎖內，此時灰鎖下閥關閉，上閥打開，灰鎖與氣化爐聯通壓力相等。 （2）當需排灰時，

51、停止轉動爐篦，關閉灰鎖上閥，使灰鎖與氣化爐隔離。 （3）打開灰鎖膨脹冷凝器卸壓閥DV1,灰鎖通過膨脹冷凝器開始卸壓。 （4）灰鎖壓力卸至稍高于大氣壓時，打開膨脹冷凝 器排水閥DV2，此時灰鎖卸至常壓。 （5）打開灰鎖下閥，灰從下閥口排人輸灰水道送至灰處理系統。 （6）打開膨脹冷凝器充水閥用冷卻水將其充滿。 （7）關閉灰鎖下閥，膨脹冷凝器DV1、DV 2和充水閥。 （8）用過熱蒸汽對灰鎖充壓。 （9）當壓力充至略高于氣化爐壓力時，關閉充壓閥，打開灰鎖上閥，循環重新開始。 排灰操作同加煤操作也設置了人工手動，自動操作和自動操作三種方式。 4、煤鎖、灰鎖料位的測定 灰鎖、煤鎖料位的準確測定對于氣化爐的穩定運行是致關重要的，不正確的指示將會延誤煤、灰鎖的操作，最終影響氣化爐的穩定運行。 （1）煤鎖料位的測定 現行測量方式有兩種，一為采用輻射式測位計測定，常采用的是CO60輻射源，其工作原理如上圖所示，在煤鎖對應面分別安裝上CO60射源和射線接收器，CO60發射的射線穿過煤鎖，對有料區與無料區的射線通量不同，由接收器接受到的不同射線通量，通過電子元件的處理