第3章 煤气化工艺原理
3.1 基本原理
3.1.1 化学原理
煤气化是煤转化技术中最主要的领域，它的历史非常悠久，甚至早于发电。但是煤气化技术的迅猛发展是从20世纪70年代开始的。煤气化技术主要有两次重大突破，第一次是工业制氧装置的开发，用O2代替空气进行工业煤气化；第二次是加压气化的开发。
煤的气化泛指在气化炉中，各种煤（焦）与载氧的气化剂（H2O、O2、CO2）之间的一种不完全反应，在高温和一定压力下，最终生成由H2、CH4、CO、CO2、N2、H2S、COS等组成的煤气。
气化炉内进行的反应相当复杂，一般认为气化分三步进行。
（1）煤的裂解 煤和氧气进入高温气化炉后，煤中的水或加入的水迅速蒸发为水蒸气，煤粉发生热裂解并释放出挥发分。煤粉在裂解同时变成煤焦，放出反应热。
（2）不完全燃烧反应 煤裂解后生成的煤焦及挥发分在高温、高氧浓度下迅速和氧气发生不完全燃烧反应，即部分氧化反应，生成CO、CO2等气体，放出大量的反应热。
（3）气化反应 经过前面两步的反应，气化炉中的氧气已消耗完。这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO2的气化反应，生成CO和H2，接近化学平衡。
总的来说，在气化炉中主要进行以下化学反应（CmHnSr代表煤）。
煤的裂解反应：
部分氧化反应：
煤的燃烧反应：
还原反应：
碳的完全燃烧反应：
非均相水煤气反应：
甲烷转化反应：
逆变换反应：
同时还可能发生以下副反应：
煤气化过程中各个化学反应的标准状态下反应热见表3-1，表中的数据来自各个物质的标准生成焓［1］推算而得。
表3-1 煤气化过程中主要反应的反应热
煤气组成取决于反应条件和反应深度。为维持气化反应的正常进行，必须解决煤气化过程中的一系列工程问题如加煤、出渣、废热回收、除尘、耐火材料等。针对煤气化的具体用途，又必须解决净化问题。如煤制合成氨工艺，要进行脱硫、变换、脱除二氧化碳和气体精制等；如用于IGCC工艺，要进行除尘和脱硫，以达到下游工艺和排放要求。
一般的煤气化都是内热（自热）法，即气化（吸热）反应所需的热量由燃烧（氧化）部分煤（碳）来提供。
国内外先后开发了100多种气化工艺（炉型），但是最有发展前途的也只有十几种。
当反应温度不高（<950℃）的情况下，在合成气中会含有焦油、酚类和高分子烃类。
3.1.2 工业过程
在工业上，煤气化就是把煤变成容易进一步加工的合成气，煤气化工艺可以分为三个工序：备煤、气化、粗煤气和炭黑水处理。最终出口应该是含有一定量水蒸气的合成气。见图3-1。
图3-1 煤气化工艺图
3.1.3 煤的性质对气化反应的影响
（1）反应活性 反应活性是指在一定条件下，煤炭与不同的气体介质（CO2、O2、水蒸气、H2）相互作用的反应能力。反应活性强的煤，在气化和燃烧过程中反应速度快、效率高。反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、灰渣含碳量和热效率。反应活性高的煤有利于各种气化工艺。年轻煤（褐煤）和焦炭反应活性高。年老煤（无烟煤）反应活性低。
（2）黏结性 黏结性是指煤被加热到一定温度后，受热分解并产生胶质体，最后黏结成块状焦炭的能力。煤的黏结性不利于气化过程的进行，特别是固定床气化，但对气流床气化影响不大。
（3）结渣性 结渣性是指煤中的矿物质在高温和活性气体的作用下，转变为牢固的黏结物或熔融物的能力。对于固定床气化，大块的炉渣会破坏床内的透气性，从而影响生成气体的质量；严重时炉箅不能排渣。
（4）热稳定性 热稳定性是指煤在高温下燃烧或气化过程中，对温度剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时，保持原来力度的性能。
对于固定床气化来说，热稳定性差的煤，将会增加炉内阻力，降低煤的气化效率，并使带出物增多。一般烟煤的热稳定性较好，褐煤、无烟煤、贫煤的热稳定性较差。
（5）机械强度 煤的机械强度是指块煤的抗碎强度、耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能。机械强度高的煤在固定床气化炉的输送过程中容易保持其粒度，从而有利于气化过程均匀进行，减少带出物，机械强度低的煤宜采用流化床、气流床气化。无烟煤的机械强度较大。
（6）粒度分布 固定床气化要求10～100mm的且较均匀的块煤，流化床气化要求0～8mm的细粒煤，气流床气化则要求<0.1mm的粉煤。