煤炭的氣化原理

煤炭氣化是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機(jī)質(zhì)與氣化劑（如蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w和CO2、N2等非可燃?xì)怏w的過(guò)程。煤炭氣化時(shí)，必須具備三個(gè)條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。

氣化過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)包括煤的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅?、固、液三相產(chǎn)物的過(guò)程。煤的氣化和燃燒反應(yīng)則包括兩種反應(yīng)類型，即非均相氣－固反應(yīng)和均相的氣相反應(yīng)。

不同的氣化工藝對(duì)原料的性質(zhì)要求不同，因此在選擇煤氣化工藝時(shí)，考慮氣化用煤的特性及其影響極為重要。氣化用煤的性質(zhì)主要包括煤的反應(yīng)性、粘結(jié)性、結(jié)渣性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。

煤炭氣化工藝可按壓力、氣化劑、氣化過(guò)程供熱方式等分類，常用的是按氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式區(qū)分，主要有：

1)固定床氣化：在氣化過(guò)程中，煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由氣化爐底部加入，煤料與氣化劑逆流接觸，相對(duì)于氣體的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可視為固定不動(dòng)，因此稱之為固定床氣化；而實(shí)際上，煤料在氣化過(guò)程中是以很慢的速度向下移動(dòng)的，比較準(zhǔn)確的稱其為移動(dòng)床氣化。

2)流化床氣化：它是以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使其懸浮分散在垂直上升的氣流中，煤粒在沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng)，從而使得煤料層內(nèi)溫度均一，易于控制，提高氣化效率。

3)氣流床氣化。它是一種并流氣化，用氣化劑將粒度為100um以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內(nèi)。煤料在高于其灰熔點(diǎn)的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)，灰渣以液態(tài)形式排出氣化爐。

4)熔浴床氣化。它是將粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入一溫度較高且高度穩(wěn)定的熔池內(nèi)，把一部分動(dòng)能傳給熔渣，使池內(nèi)熔融物做螺旋狀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并氣化。目前此氣化工藝已不再發(fā)展。

以上均為地面氣化，還有地下氣化工藝。

煤炭氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于下列領(lǐng)域：

1）作為工業(yè)燃?xì)?/p>

一般熱值為1100－1350大卡熱的煤氣，采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機(jī)械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門(mén)，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。

2）作為民用煤氣

一般熱值在3000－3500大卡，要求CO小于10％，除焦?fàn)t煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會(huì)效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃?xì)怏w含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應(yīng)盡量低。

3）作為化工合成和燃料油合成原料氣

早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國(guó)等就采用費(fèi)托工藝（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進(jìn)而直接合成各種化學(xué)品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。

化工合成氣對(duì)熱值要求不高，主要對(duì)煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國(guó)合成氨的甲醇產(chǎn)量的50％以上來(lái)自煤炭氣化合成工藝。

4）作為冶金還原氣

煤氣中的CO和H2具有很強(qiáng)的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來(lái)冶煉。因此，冶金還原氣對(duì)煤氣中的CO含量有要求。

5）作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?/p>

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡(jiǎn)稱IGCC）是指煤在加壓下氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后燃燒，高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對(duì)熱值要求不高，但對(duì)煤氣凈化度-如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般采用固定床加壓氣化（魯奇爐）、氣流床氣化（德士古）、加壓氣流（Shell氣化爐）廣東省加壓流化床氣化工藝，煤氣熱值2200－2500大卡左右。

6）作煤炭氣化燃料電池

燃料電池是由H2、天然氣或煤氣等燃料（化學(xué)能）通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電的化學(xué)發(fā)電技術(shù)。目前主要由磷酸鹽型（PAFC）、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。它們與高效煤氣化結(jié)合的發(fā)電技術(shù)就是IG-MCFC和IG-SOFC，其發(fā)電效率可達(dá)53%。

7）煤炭氣化制氫

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領(lǐng)域，目前世界上96%的氫氣來(lái)源于化石燃料轉(zhuǎn)化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過(guò)變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過(guò)低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。

8）煤炭液化的氣源

不論煤炭直接液化和間接氧化，都離不開(kāi)煤炭氣化。煤炭液化需要煤炭氣化制氫，而可選的煤炭氣化工藝同樣包括固定床加壓Lurgi氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床氣化工藝。

煤炭氣化燃料電池研究方向

固體氧化物型(SOFC)：固體氧化物燃料電池是將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，具有高效率、零污染、無(wú)噪聲等特點(diǎn)。它可以為民用、貿(mào)易、軍事和交通運(yùn)輸?shù)忍峁└哔|(zhì)量的電源。這一技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)于緩解能源危機(jī)、滿足對(duì)電力數(shù)目和質(zhì)量的需求、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和國(guó)家安全都具有重大的意義。1．固體氧化物燃料電池發(fā)展背景燃料電池的歷史可以追溯到1839年，SOFC的開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。以美國(guó)西屋電氣公司(WestinghouseElectricCompany)為代表，研制了管狀結(jié)構(gòu)的SOFC，用擠出成型方法制備多孔氧化鋁或復(fù)合氧化鋯支撐管，然后采用電化學(xué)氣相沉積方法制備厚度在幾十到100μm的電解質(zhì)薄膜和電極薄膜。1987年，該公司在日本安裝的25kW級(jí)發(fā)電和余熱供熱SOFC系統(tǒng)，到1997年3月成功運(yùn)行了約1.3萬(wàn)小時(shí)；1997年12月，西門(mén)子西屋公司(SiemensWestinghouseElectricCompany)在荷蘭安裝了第一組100kW管狀SOFC系統(tǒng)，截止到2000年底封閉，累計(jì)工作了16,612小時(shí)，能量效率為46%；2002年5月，西門(mén)子西屋公司又與加州大學(xué)合作，在加州安裝了第一套220kWSOFC與氣體渦輪機(jī)聯(lián)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，目前獲得的能量轉(zhuǎn)化效率為58%，猜測(cè)有看達(dá)到70%。接下來(lái)預(yù)備在德國(guó)安裝320kW聯(lián)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，建成1MW的發(fā)電系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2005年底，管狀結(jié)構(gòu)SOFC走向貿(mào)易化。同時(shí)，日本三菱重工長(zhǎng)崎造船所、九州電力公司和東陶公司、德國(guó)海德堡中心研究所等也進(jìn)行了千瓦級(jí)管狀結(jié)構(gòu)SOFC發(fā)電試驗(yàn).另外，加拿大的環(huán)球熱電公司(GlobalThermoelectricInc.)，美國(guó)GE、Z2tek等公司在開(kāi)發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展，目前正在對(duì)千瓦級(jí)模塊進(jìn)行試運(yùn)行。環(huán)球熱電公司獲得的功率密度，在700℃運(yùn)行時(shí)，達(dá)到0.723W/cm2。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年開(kāi)始研究SOFC，1984年進(jìn)行了500W發(fā)電試驗(yàn)，最大輸出功率為1.2kW。日本新陽(yáng)光計(jì)劃中，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)為首，從1989年開(kāi)始開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù)，并對(duì)數(shù)百千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。1992年開(kāi)始，富士電機(jī)綜合研究所和三洋電機(jī)在共同研究開(kāi)發(fā)數(shù)千瓦級(jí)平板型模塊的基礎(chǔ)上，組織了7個(gè)研究機(jī)構(gòu)，共同開(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。三菱重工神戶造船所與中部電力合作，于1996年創(chuàng)造了5kW級(jí)平板型SOFC模塊成功運(yùn)行的先例；1998年獲得最大的功率密度0135W/cm2(正常為0.15~0.2W/cm2)；2000年9月11日，實(shí)現(xiàn)了功率輸出為15kW的平板式SOFC，連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)無(wú)衰減。德國(guó)西門(mén)子公司1995年開(kāi)發(fā)出10kW級(jí)的平板型SOFC，1996年又推出7.2kW級(jí)模塊。德國(guó)尤利希研究中心(ResearcherCenterJuelich)，F(xiàn)raunhofer陶瓷技術(shù)和燒結(jié)材料研究院(FraunhoferInstituteCeramicTechnologyandSinterMa2terial)等都獲得了數(shù)千瓦級(jí)的功率輸出。瑞士SulzerTechnologyCorp.積極開(kāi)發(fā)家庭用SOFC，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出1kW級(jí)模塊。英國(guó)的“先進(jìn)燃料電池計(jì)劃”開(kāi)始于1992年，該計(jì)劃又并進(jìn)英國(guó)“新能源和可再生能源計(jì)劃”，目標(biāo)是到2005年實(shí)現(xiàn)SOFC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和示范。同時(shí)，以英、法、荷等國(guó)家的大學(xué)和國(guó)立研究所為中心的研究機(jī)構(gòu)，正在積極研究開(kāi)發(fā)中、低溫型SOFC電池材料。為推動(dòng)SOFC發(fā)展，歐共體1994年建立了“歐洲十年，燃料電池研究發(fā)展和演示規(guī)劃”項(xiàng)目，目的是集中氣力，加速推動(dòng)SOFC的貿(mào)易化在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，SOFC發(fā)展也很活躍。奔馳汽車制造公司1996年對(duì)2.2kW級(jí)模塊試運(yùn)行達(dá)6000小時(shí)。2001年2月16日，由BMW與DelphiAutomotiveSystemCorporation合作近兩年研制的第一輛由SOFC作為輔助電源系統(tǒng)(AuxiliaryPowerUnit，APU)的汽車在慕尼黑問(wèn)世，作為第一代SOFC/APU系統(tǒng)，其功率為3kW，電壓輸出為21V，其燃料消耗比傳統(tǒng)汽車降低46%；第二代目標(biāo)是5kWSOFC系統(tǒng)，預(yù)計(jì)尺寸為500×500×250mm，電壓輸出為42V。其他如Toyota，Nissan，Honda，F(xiàn)ord等汽車公司都有自己的SOFC項(xiàng)目，有看3~5年實(shí)現(xiàn)SOFC貿(mào)易化應(yīng)用。在國(guó)外快速發(fā)展的勢(shì)態(tài)下，我國(guó)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平則明顯落后。以中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、吉林大學(xué)、清華大學(xué)等單位為代表，相續(xù)開(kāi)展了固體氧化物燃料電池研究。2．固體氧化物燃料電池的現(xiàn)狀和題目由于目前面臨的能源短缺和環(huán)境污染，世界各國(guó)都在積極研究和開(kāi)發(fā)SOFC技術(shù)，從而得到高效能源轉(zhuǎn)換，并將對(duì)環(huán)境的破壞降低到最小程度。眾所周知，就現(xiàn)在的狀況而言，SOFC技術(shù)在性能、壽命和本錢(qián)上還沒(méi)有達(dá)到商品化要求，然而，通過(guò)世界各國(guó)研究者的努力，這一目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。在5年以前，平板式SOFC設(shè)計(jì)還沒(méi)有成為發(fā)展的主流方向。近年來(lái)，由于單電池設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視，從而使SOFC的工作溫度從原來(lái)的1000℃左右降低到600~800℃。與工作在1000℃四周的管式SOFC相比，平板式SOFC具有相似或更高的輸出功率密度。它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)電池堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配簡(jiǎn)便，易于外部施壓，增強(qiáng)單電池之間的接觸；(2)單電池可