气流床煤气化过程中的主要反应及工艺性能主要评价指标研究
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【摘 要】煤气化过程是煤炭的一个热化学加工过程，它是以煤为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸汽等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。煤气的有效气体成分、产气率、碳转化率等气化性能主要取决于煤与气化剂的种类，以及进行气化过程的工艺条件。
【关键词】煤化工；工艺条件；反应体系；有效气体；化学平衡；评价指标；综合效益
0 引言
气流床气化过程实际上是煤炭在高温下的热化学反应过程，涉及气化剂与煤之间的反应，以及反应产物与煤、反应产物之间的化学反应，因此，气流床煤气化反应是一个及其复杂的反应体系。在此反应体系中，煤会发生一系列复杂的物理变化和化学变化，主要过程有粉煤的干燥、裂解，挥发分的析出、燃烧，以及煤焦、挥发分与气化剂的反应等。这些变化主要取决于煤种，同时也受温度、压力和气化炉型式等的影响。
1 气化过程的主要反应
1.1 热解过程的主要反应
煤热解的化学反应异常复杂，其间反应途径甚多。煤热解反应通常包括裂解和缩聚两大类反应。在热解前期以裂解反应为主，而热解后期以缩聚反应为主。一般来讲，热解反应的宏观形式为：
1.1.1 裂解反应
根据煤的结构特点，裂解反应大致有四类。
1）桥键断裂生成自由基。桥键的作用在于联系煤的结构单元，在煤的结构中，主要的桥键有：- CH2 - CH2 -，- CH2 -，- CH2 -O-，-O-，-S-S-等。它们是煤结构中最薄弱的环节，受热后很容易裂解生成自由基。并在此后与其他产物结合，或自身相互结合。
2）脂肪侧链的裂解。煤中的脂肪侧链受热后容易裂解，生成气态烃，如CH4，C2H6，C2H4等。
3）含氧官能团的裂解。-OH煤中含氧官能团的稳定性顺序为：-CH>=C=O>-COOH
羟基（-OH）最稳定，在高温和有氢存在时，可生成水。碳基（=C-O）在400℃左右可裂解生成一氧化碳。羧基（-COOH）在200℃以上即能分解，生成二氧化碳。含氧杂环在500℃以上也有可能断开，放出一氧化碳。
4）低分子化什物的裂解。煤中以脂肪结构为主的低分子化合物受热后熔化，并不断裂解，生成较多的挥发性产物。
通常煤在热解过程中释出挥发分的次序依次为：H2O，CO2，CO，C2H6，CH4，焦油，H2。
上述热分解产物通常称为一次分解产物。
1.1.2 二次热分解反应
一次热分解产物中的挥发件成分在析出过程中，如受到更高温度的作用，就会产生二次热分解反应。主要的二次热分解反应有以下四类：裂解反应、芳构化反应、加氢反应、缩合反应。因此，煤热解产物的组成不仅与最终加热温度有关，还与是否发生二次热分解反应有很大关系。
在煤热解的后期以缩聚反应为主。当温度在550-600℃范围内时，主要是胶质体再固化过程中的缩聚反应，反应的结果是生成了半焦。当温度更高时，芳香结构脱氢缩聚，即从半焦转变为焦炭。
1.2 气化过程的主要反应
气化反应按反应物相态的不同而划分为两种类型的反应，即非均相反应和均相反应。前者是气化剂或气态反应产物与固体煤的反应；后者是气态反应产物之间相互反应或与气化剂的反应。在气化装置中，由于气化剂的不同而发生不同的气化反应，亦存在平行反应和连串反应。煤气化反应一般分为三种类型碳一氧之间的反应、水蒸气分解反应和甲烷生成反应。
1.2.1 碳一氧之间的反应碳与氧之间的化学反应主要有：
C+O2=CO2
2C+O2=2CO
C+CO2=2CO
2CO+O2=2CO2
上述反应中，碳与二氧化碳之间的反应C+CO2=2CO是一较强的吸热反应需在高温条件才能进行反应。除此反应外，其他三个反应均为放热反应。
1.2.2 碳与水蒸气的反应
在一定温度下，碳与水蒸气之间发生下列反应：
C+H2O=C0+H2
C+2H2O=C02+2H2
上述两反应均为吸热反应。反应生成的一氧化碳可进一步和水蒸气发生如下一氧化碳变换反应：
CO+H2O=CO2+H2
该反应为一放热反应。
1.2.3 甲烷生成反应
煤气中的甲烷，一部分来自煤中挥发物的热分解，另一部分则是气化炉内的碳与煤气中的氢气反应以及气体产物之间反应的结果。
C+2H2=CH4
3H2+CO=CH4+2H2O
2CO+2H2=CH4+CO2
CO2+4H2=CH4+2H2O
上述生成甲烷的反应，均为放热反应。
1.2.4 煤炭中还含有少量元素氮（N）和硫（S）等
它们与气化剂以及反应中生成的气态反应产物之间可能进行的反应如下：
S+O2=SO2
SO2+3H2=H2S+2H2O
SO2+2CO=S+2CO2
2H2S+SO2=3S+2H2O
C+2S=CS2
CO+S=COS
N2+3H2=2NH3
N2+H2O+2C0=2HCN+1.5O2
N2+xO2=2NOx
由此产生了煤气中的含硫和含氟产物。这些产物有可能产生腐蚀和污染，在气体净化时必须除去。其中含硫化合物主要是H2S，COS、CS2和其他含硫化合物仅占次要地位。在含氮化合物中，NH3是主要产物，NOx（主要是NO以及微量的NO2）和HCN为次要产物。上述反应对气化反应的化学平衡及能量平衡并不起重要作用。气化反应为煤炭气化的基本化学反应。不同气化过程即由上述或其中部分反应以串联或平行的方式组合而成。上述反应方程式指出了反应的初终状态，能用来进行物料衡算和热量街算，同时也能用来计算由这些反应方程式所表示反应的平衡常数。但是，这些反应力程式并不能说明反应本身的机理。
2.1 有效气体成分含量
煤气是CO、H2、CO2、CH4、N2、NOx、H2S、SO2等多组分混合气体，同时还含有未完全反应的O2和水蒸气，CO和H2是煤气中的主要成分气体，其总量一般在70%以上。对于煤气燃烧利用而言，CO和H2是煤气中关键的可燃成分，增加CO和H2的含量，可以提高煤气的热值。同时，对于合成氨、甲醇等煤化工工业而言，CO和H2是重要的原料气。在煤化工生产过程中煤气中的CO需先经变换工段与水发生变换反应，生成H2和CO2，再对CO2进行脱除，H2用于氨/醇合成。因此，CO%，H2%以及（CO+H2）%反映了煤气的有效成分的结构构成，是煤气质量效果评价的极为重要指标。其计算公式如下：
2.4 煤气化消耗指标
煤气化消耗指标是反应气化过程经济性的评价指标。煤气化消耗指标是指生产单位煤气有效成分（CO+H2）所消耗的煤炭量或气化剂量。工业上，单位煤气有效成分常采用1000m3的（CO+H2）为单位。煤气消耗指标主要包括比煤耗、比氧耗、比汽耗。其计算公式如下：
考察上述煤气化性能评价指标，可以看出这些气化性能评价指标并不完全独立。其中有效气体含量指标（CO+H2）%与CO%和H2%完全相关，而各类消耗指标比煤耗、比氧耗和比汽耗与产气率、碳转化率及己知的工艺条件如投煤量、氧量和蒸汽量等相关。鉴于此，本文研究所涉及的煤气化性能评价指标仅取相互独立的评价指标，具体为CO%、H2%、产气率和碳转化率。
3 结束语
总之，为了实现高碳资源的低碳化利用，我们必须逐步改变当前这种传统意义的煤炭转化利用方式转而促进能够有效提高煤炭转化效率和质量，且环保效益好的以煤气化为核心的新型煤化工的有序发展，而气流床煤气化技术将在新型煤化工中发挥着重要作用。
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