一、原料

煤氣化的原料主要為含碳物質(zhì)，核心原料包括：

1.煤：不同種類的煤均可使用，但特性影響氣化效率。

l煙煤：含碳量高（60-80%），揮發(fā)分適中，灰分較低，適合高效氣化。

l褐煤：水分和揮發(fā)分高（25-60%），需預(yù)處理干燥。

l無煙煤：固定碳高但反應(yīng)性較差，需更高溫度。

2.其他含碳物質(zhì)：

l石油焦：煉油副產(chǎn)品，高碳低灰，需與煤混合使用。

l生物質(zhì)：如秸稈，可再生但熱值較低，需與煤共氣化。

l廢棄物：廢塑料、橡膠等，需控制污染物排放。

預(yù)處理：原料需破碎至1-100mm顆粒，干燥至水分<15%，以提升反應(yīng)效率。

二、基本原理

煤氣化是在缺氧條件下，通過高溫（900-1600℃）及氣化劑（O?、H?O）將固體碳轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程，分為四階段：

1.干燥階段（100-200℃）：

l物理脫水，無化學(xué)反應(yīng)，水分蒸發(fā)為水蒸氣。

2.熱解階段（300-700℃）：

l煤裂解產(chǎn)生焦油、CH?、C?H?等揮發(fā)分及半焦（固定碳+灰分）。

3.氧化階段（>800℃）：

l碳與O?燃燒放熱，提供后續(xù)反應(yīng)所需能量：

l部分碳不完全氧化：

4.還原階段（高溫?zé)o氧）：

lCO?和H?O被碳還原，生成合成氣：

l水煤氣變換反應(yīng)調(diào)整H?/CO比例：

三、工業(yè)應(yīng)用中的平衡

煤氣化需同時(shí)滿足熱量供給（完全燃燒）和 合成氣生成（部分氧化），通過以下手段調(diào)控：

1.氧氣與蒸汽混合進(jìn)料：
氧氣用于燃燒供能，蒸汽（H?O）參與還原反應(yīng)（C + H?O → CO + H?）。

2.溫度梯度設(shè)計(jì)：
氣化爐下部高溫區(qū)促進(jìn)燃燒，上部還原區(qū)利用CO?和H?O與碳反應(yīng)。

3.氣化劑配比優(yōu)化：
典型氣化劑中，氧氣與碳的摩爾比控制在0.3-0.6，蒸汽與碳的摩爾比0.2-0.5。

4.完全燃燒：快速釋放大量熱量，維持反應(yīng)溫度。

5.部分氧化：生成CO作為合成氣原料，并為還原階段提供反應(yīng)物。
實(shí)際氣化過程中，二者動(dòng)態(tài)平衡，共同決定合成氣組分和整體效率。

四、生成物組成及影響因素

1.主要產(chǎn)物：

l合成氣（Syngas）：CO（15-60%）、H?（25-40%），為化工基礎(chǔ)原料。

l甲烷：高溫低壓時(shí)較少（<5%），在加壓氣化（如Lurgi爐）中可達(dá)10-15%。

l二氧化碳：10-20%，可通過捕獲封存（CCS）減少排放。

l水蒸氣：部分冷凝后循環(huán)利用。

2.雜質(zhì)及處理：

l硫化氫（H?S）：50-2000 ppm，需通過Claus工藝脫硫。

l灰渣：熔融態(tài)（slag）或固態(tài)灰，可用作建材。

l微量污染物：NH?、HCN等，通過洗滌塔去除。

3.影響因素：

l溫度：>1200℃促進(jìn)CO生成，抑制焦油形成。

l壓力：加壓氣化（2-8 MPa）提高反應(yīng)速率，增加CH?含量。

l氣化劑：

oO?濃度：純氧提高熱值（合成氣熱值10-12 MJ/m3），空氣氣化因N?稀釋降至4-6 MJ/m3。

o蒸汽比：調(diào)節(jié)H?/CO比例（通常1:1至2:1）。

五、應(yīng)用與挑戰(zhàn)

l能源生產(chǎn)：IGCC發(fā)電效率可達(dá)45-50%，較傳統(tǒng)燃煤電廠提升10%。

l化工合成：1噸煤可產(chǎn)約2000 m3合成氣，制取1噸甲醇需2400 m3合成氣。

l制氫：通過水煤氣變換可得到高純度H?，用于燃料電池。

l挑戰(zhàn)：碳排放強(qiáng)度高（0.3-0.5噸CO?/GJ），需結(jié)合CCUS技術(shù)；灰渣處理需防重金屬滲漏。

六、技術(shù)進(jìn)展

l氣流床氣化（如Shell爐）：碳轉(zhuǎn)化率>99%，冷煤氣效率80-85%。

l催化氣化：添加K?CO?等催化劑，降低反應(yīng)溫度至700-900℃。

l地下煤氣化：原位氣化減少開采成本，適合深部煤層。

通過以上過程，煤氣化實(shí)現(xiàn)了從固體燃料到清潔氣體的高效轉(zhuǎn)化，是能源過渡期的重要技術(shù)。