2.8　煤的氣化

煤炭直接燃燒的熱利用效率一般為15%～18%，而通過煤炭氣化這一化工過程將煤變成可燃燒的煤氣后，熱利用效率可達55%～60%。氣態燃料可以實現管道輸送，方便又干凈，將固體煤氣化不但可以充分利用煤炭資源，而且可以彌補天然氣資源的不足。煤氣化技術對解決我國煤炭利用過程中存在的資源與環境問題，實現經濟、能源、環境的協調發展具有重要的現實意義，受到了全社會的普遍關注和廣泛認同。

煤的氣化是一個熱化學過程，是以煤或煤焦為原料，氧氣（空氣、富氧或純氧）、蒸汽或氫氣為氣化劑，在一定溫度及壓力下通過部分氧化反應將固體煤轉化為CO、H₂、CH₄等可燃氣體的過程。從工藝上說，煤氣化還應包括氣化煤氣凈化過程。氣化爐、氣化劑、供給熱量是煤炭氣化時的三個必備條件，缺一不可。

煤炭氣化技術主要用于化工合成原料氣、工業燃氣、民用煤氣、冶金還原氣、聯合循環發電燃氣、燃料油合成原料氣和煤炭液化氣源、煤炭氣化制氫以及煤炭氣化燃料電池領域。

2.8.1　煤氣化的基本原理

煤氣化技術是把煤的化學能轉換成易于利用的氣體的化學能的過程。它包括以煤（半焦炭或焦炭）為原料，以氧（包括空氣、富氧、純氧）、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質，使煤經過最低限度的氧化過程，將煤中所含的碳、氫等物質轉化成一氧化碳、氫、甲烷等有效成分的一個多相反應的化學過程。煤的氣化包括煤炭干燥脫水、熱解脫揮發分、揮發分和殘余碳或半焦炭的氣化反應，如圖2-11所示。

在整個過程中，當煤粒的溫度升到350～450℃時，煤的熱解反應開始發生，析出揮發物（焦油、煤氣），氣化反應是在缺氧條件下進行的，所以煤氣化反應的主要產物是可燃氣體CO、H₂、CH₄，還有部分CO₂和H₂O。煤中的其他元素如硫、氮等，也會與氣化劑發生反應，還原后生成H₂S、COS、N₂、NH₃以及HCN等物質；在較溫和的氣化溫度下（小于650℃），氣化煤氣中還會含有一定量未分解的焦油和酚類物質等。這會直接影響到后續的煤氣化凈化和提質加工。

因為煤氣化的主要反應都是放熱反應，煤的氧化和揮發分析出過程所放出的熱量，足夠給其他吸熱反應供熱，并使反應物和反應產物升溫，實現自供熱。

煤的氣化技術可以說是未來煤的潔凈利用技術的基礎，是最清潔的煤轉化利用方式。煤炭氣化技術分為兩種，一種是地面煤氣化技術，另一種是地下煤氣化技術。

2.8.2　地面煤氣化技術

地面煤氣化是指采出煤之后對其進行熱加工將其轉化為可燃性氣體，是相對于后來發展的地下煤氣化技術而進行的分類。煤氣化技術早就存在，城市煤氣早在20世紀初就已在一些都市得到發展。現在地面煤氣化技術有固定床、流化床和氣流床等。

①固定床氣化　在氣化過程中，煤由氣化爐頂部加入，空氣由氣化爐底部加入，煤料與空氣逆流接觸，反應生成煤氣。

②流化床氣化　以粒徑為0.1～10mm的煤炭顆粒為氣化原料，從上部加入。從流化床底部吹入一定速度的氣流，該氣流速度以維持煤炭顆粒在流化床內呈沸騰狀態而懸浮在氣流中為準，煤炭顆粒在沸騰狀態下進行氣化反應。流化床氣化過程使得煤料層內溫度均勻，氣化效率高。

③氣流床氣化　又稱噴流床氣化，用氣化劑將粒度為100μm以下的煤粉帶入氣化爐內，煤料在高溫下與氣化劑發生燃燒反應和氣化反應。

煤炭氣化爐開發正向加壓、大容量方向發展。氣化用煤從最初的只能利用不黏煤，到現在幾乎可以利用從褐煤、不黏和黏結的煙煤到無煙煤所有煤種。碳轉化效率和氣化效率都有很大提高。

2.8.3　地下煤氣化技術

地下煤氣化技術是將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒、通過對煤的熱作用及化學作用產生可燃氣體、綜合開發清潔能源與生產化工原料的新技術。其實質是僅僅提取煤中的含能組分，而將灰渣等污染物留在井下。煤炭地下氣化技術集建井、采煤、轉化等多種工藝為一體，大大提高了煤炭資源的利用效率和利用水平，深受世界各國的重視，被譽為新一代采煤方法。早在1979年聯合國“世界煤炭遠景會議”就曾明確指出，煤炭地下氣化是從根本上解決傳統煤炭開采和使用方法存在的一系列技術和環境問題的重要途徑。目前煤炭地下氣化在國內外工業化試驗已取得初步成果，并在俄羅斯、美國等國家及我國山東、河北等地進行了工業化地下氣化煤氣的生產。進入21世紀，能源短缺將是影響我國國民經濟的重要因素。我國蘊藏著豐富的煤炭資源，通過煤炭地下氣化將地下煤炭資源轉變成可利用的煤氣及其他產品是解決能源問題的重要途徑之一。

煤炭地下氣化與地面氣化的原理相同，煤氣成分也基本相同，但其工藝形態不同，地面氣化過程在氣化爐內的煤塊中進行，而地下氣化則在煤層中的氣化通道中進行。將氣化通道的進氣孔一端煤層點燃，從進氣孔鼓入氣化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）。煤層燃燒后，則按溫度和化學反應的不同，在氣化通道中形成三個帶，即氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。經過這三個反應帶后，就形成了主要含有可燃組分CO、H₂、CH₄的煤氣。這三個反應帶沿氣流方向逐漸向出氣口移動，因而保持氣化反應的不斷進行。地下氣化爐的主要建設是進、排氣孔的施工和氣化通道的貫通。根據氣化通道的建設方式，把煤炭地下氣化分為有井式和無井式，前者以人工開采的巷道為氣化通道，后者以鉆孔作為氣化通道。

雖然煤炭地下氣化具有一定的經濟效益，但就目前而言，相同熱值條件下煤炭氣化生產成本比常規天然氣要高。隨著氣化工藝技術的不斷改進而使成本降低，大規模的煤炭氣化將顯示出更大的經濟效益。此外，隨著我國煤層氣產業的發展，煤層氣與煤炭地下氣化的綜合開發和利用也必將降低成本，提高煤炭地下氣化的經濟效益。

需要指出的是，煤炭地下氣化的意義不僅在于經濟效益，同時還改善了能源結構，增強了煤礦生產的安全性。煤炭氣化后灰渣留在原地，避免造成廢氣、廢水、廢渣等污染，并可減少因煤炭采空造成的地面下沉。此技術可大大提高資源回收率，使傳統工藝難以開采的邊角煤、深部煤、“三下”壓煤和已經或即將報廢的礦井遺留的保護性煤柱得到開采，同時深部開采條件極其惡劣的煤炭資源也可得到很好的利用。

2.8.4　煤的氣化新技術

煤氣化時，60%以上的熱能可轉化為煤氣的燃燒熱值，最高可達90%以上。高熱值的煤氣不僅可以作為氣體燃料，也是重要的化工原料。另外，煤氣可以通過管道輸送，方便且干凈。煤氣化的優越性是顯而易見的。除了對現有的煤氣化技術進行改進完善之外，新的、低成本的煤氣化技術也正在研究開發之中。

（1）整體煤氣化聯合循環發電（IGCC，integrated gasification combined cycle）

整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）是把煤氣化和燃氣-蒸汽聯合循環發電系統有機集成的一種潔凈煤發電技術。IGCC系統由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣與蒸汽聯合循環發電部分。第一部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備（包括硫的回收裝置），第二部分的主要設備有燃氣輪機發電系統、余熱鍋爐、蒸汽輪機發電系統。IGCC的工藝過程如下：煤經氣化成為中低熱值煤氣，經過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變為清潔的氣體燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質以驅動燃氣透平做功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機做功。

IGCC發電技術的特點：①發電熱效率高；②環保性能好；③負荷適用性好，調峰能力強；④燃料適用性廣；⑤可實現多聯產，提高經濟效益。

世界上IGCC發電技術正處于第二代技術的成熟階段，世界各國越來越重視IGCC發電技術。IGCC電站的性能試驗規程正在制定，IGCC發電技術已列入我國電力行業“十一五”規劃重點跟蹤研究的項目。

我國發展IGCC技術的條件正日趨成熟，煤氣化技術在我國化工和石化行業已有較長時間的引進和使用業績，燃機聯合循環發電技術國產化率也在不斷提高。

盡管以煤為原料的IGCC發電技術，目前還處于成熟和完善期，它的投資還較高，設備利用率還比較低，上網電價還缺乏競爭力，但隨著原有技術的不斷完善，新技術的不斷發展，項目規模的逐步擴大，這些問題都已經或即將得到解決。IGCC發電技術以其高效、清潔、節水、節約空間及綜合利用好等優勢受到廣泛地關注。21世紀大力發展IGCC技術，無論從技術、經濟、市場和環境保護等方面都已成熟，并且潛力巨大。

（2）燃煤磁流體（MHD，magnets hydrodynamics）發電技術

磁流體（又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液），是由強磁性粒子、基液（又稱媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀溶液。該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現出磁性。

磁流體發電是一種新型的高效發電方式，其定義為當帶有磁流體的等離子體橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，由磁力線切割產生電；在磁流體流經的通道上安裝電極和外部負荷連接時，則可發電。

為了使磁流體具有足夠的電導率，需在高溫和高速下，加上鉀、銫等堿金屬和微量堿金屬的惰性氣體（如氦、氬等）作為工質，以利用非平衡電離原理來提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過磁場，稱為開環磁流體發電，后者通過換熱器將工質加熱后再穿過磁場，稱為閉環磁流體發電。

燃煤磁流體發電技術亦稱為等離子體發電，就是磁流體發電的典型應用，燃燒煤而得到的2.6×10⁶℃以上的高溫等離子氣體以高速流過強磁場時，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線垂直的方向流向電極，發出直流電，經直流逆變為交流送入交流電網。

磁流體發電本身的效率僅為20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發電，組成高效的聯合循環發電，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NO_x的產生，也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

在磁流體發電技術中，高溫陶瓷不僅關系到在2000～3000K磁流體溫度下能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發電系統能否正常工作的關鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高可達到3090K。

（3）煤的熱核氣化技術

目前的煤氣化方法，只能使部分煤轉化成煤氣，有相當一部分的煤要作為熱源或動力源。如發生爐所需的熱量需要燃燒煤來提供，而煤燃燒時必須有空氣，導致大量氮氣摻入煤氣中，從而降低了煤氣的熱值。如果用純氧替代空氣，雖然能提高煤氣的熱值，但成本較高。此外，蒸汽動力廠提供煤氣發生過程中所需的蒸汽，這也要消耗煤或其他燃料。而熱核煤氣化技術是用核反應器放出來的熱量替代煤作為熱源，使煤完全用于氣化生產，并可組成核反應器-氣化設備-蒸氣動力聯合裝置，是一種很有希望的煤氣化方法。