燃料氣化

1、固體燃料氣化的基本原理

（1）以氧氣為氣化劑氣化反應方程式主要有：

C+O₂=CO₂+Q、C+0.5O₂ =CO+Q、CO+0.5O₂= CO₂+Q、C+ CO₂=2CO-Q（可逆）

氧化反應速度極快，不可逆，空氣中的O₂迅速消耗，生成物中CO₂的濃度急速上升，並放熱量。這過程在氧化層裏進行。所以氧化層的厚度比較薄。

CO₂的還原反應可逆，吸熱，在還原層進行。在還原層CO₂的濃度逐漸下降，而CO的濃度逐漸增加。由於CO₂的還原反應速度比碳的氧化反應速度慢得多，所以還原層就比氧化層要厚得多。

氧化層裏碳與氧的燃燒反應非常迅速。因此，加大吹風速度，增加氧的加入量，對氧化層內的燃燒反應是有利的。還原層裏CO₂還原成CO的反應速度較慢。提高反應温度，能加快二氧化碳的還原速度。温度越高，二氧化碳的還原速度愈快。燃料的化學活性愈高，灰分含量愈低，二氧化碳被還原為一氧化碳的反應速度愈快。

（2）以水蒸氣為氣化劑的反應方程式主要有：

C+H₂O(g)=CO+H₂-Q、C+2H₂O(g)=CO₂+2H₂-Q、CO +H₂O(g)= CO₂+H₂+Q、C+2H₂=CH₄+Q四反應均為可逆反應。

①隨着温度的升高，CO 和H₂的含量增加，CO₂、CH₄和H₂O的平衡含量下降，0.1MPa下温度高於900e 時， 產物中，含有等量的CO和H₂，其他組成含量接近於零。

②隨着壓力的提高，氣體中CO₂、CH₄和H₂O的平衡含量增加，而CO 和H₂的含量減少。

③所以，欲製得CO和H₂的含量高的水煤氣，應在低壓、高温下進行，而生產CH₄含量高的高熱值煤氣，應在高壓、低温下進行。碳與水蒸汽的反應速度，主要取決於温度和燃料的化學活性。 燃料的化學活性愈高，反應速度愈快。燃料的化學活性一般按無煙煤、焦碳、褐煤、木炭的順序遞增。 温度升高，能加快反應速度。但温度受燃料灰熔點的限制，不可能提得很高，因此實際生產中水蒸氣的分解率一般為40%～60%。 ^[1] 

適合用作氣化的燃料主要包括無煙煤、粘結性煙煤與不粘結性煙煤（包括貧煤、煉焦煤、氣煤、氣焰煤、肥煤、焰煤）、褐煤、木質褐煤、泥煤、由粘結性煙煤或不同結焦性能的混合煤製得的焦炭和半焦，以及從褐煤製得的半焦、由粉煤製成的型煤、碳化煤球等。

燃料氣化生成的煤氣共有以下幾種：

1、空氣煤氣：以空氣為氣化劑制的煤氣；

2、混合煤氣：以空氣和適量水蒸汽混合為氣化劑制的煤氣；

3、水煤氣：以水蒸汽為氣化劑制的煤氣；

4、半水煤氣：是以空氣（或富氧空氣）和適量的水蒸汽。

1、水分

固體燃料的水份以三種形式存在即吸附水、遊離水和化合水。水份含量多少與煤化（即煤腐殖化）程度有關，煤化程度越低則煤裏的水份就越高，煤的質地就越緻密，這種水份稱之為物理吸附水或固有水份；煤的外在水份（附着水份）是指地下水和雨水附着在煤上的水份。煤的外在水份和分析取樣水份之和稱為煤的全水份。煤的化合水份（結合水份）在煤中是以結晶水形式存在的，與煤化程度無關，即使加熱到100℃化合水也不會析出。

水分高，有效成分少，氣體產率低。氣化過程水蒸氣帶出增加，煤的消耗定額增加

2、揮發份

在一定温度下乾餾（隔絕空氣）析出的氣體（碳氫化合物），在氣化過程中能分解變成氫氣、甲烷以及焦油蒸汽等。它與煤化程度有關，煤化程度越低揮發份越高，含量少的1~3%，多的達50%以上，一般來講揮發份高的煤粘結性較強，揮發份低的煤粘結性較差，揮發份較高的燃料其機械強度、熱穩定性一般都比較差。

3、灰份

固體燃料完全燃燒後所剩餘的殘留物，灰份主要的組分為二氧化硅、三氧化二鋁、四氧化三鐵、氧化鈣、氧化鎂等物質，這些物質的含量對灰熔點有決定性影響。固定層煤氣爐一般要求燃料的灰份含量不超過30%，灰份含量過高，相對地減少了有效碳使煤的發熱值降低，而且在燃燒或氣化過程中會妨礙氣化劑與碳的接觸，影響氣化劑的擴散，同時降低了燃料的化學活性，灰份含量過高時不僅使氣化條件複雜化，還加重了排灰機械的負荷，使設備磨損加劇。

4、硫份

煤中的硫份在氣化過程中轉化為含硫氣體，不僅腐蝕設備管道，而且使催化劑中毒。

5、固定碳

固體燃料中除去灰份、揮發份、水份和硫份以外，其餘可燃性物質稱為固定碳，它是固體燃料中的有效物質。

1、化學活性

煤的化學活性也稱為反應能力，是指煤與氣化劑反應的活性。

2、熱穩定性

又叫抗熱強度，可以理解為固體燃料在落入高温區時保持其塊度的性質，該性質除了與煤形成年代有關外，主要與煤化程度有關

3、機械強度

指煤破碎的難易程度，一般來説，煤的機械強度與煤的形成年代有關，年代愈久，強度愈大。機械強度差的煤其熱穩定性必然也差。

4、粘結性

有些煤（煙煤）在加熱到一定温度時，炭質受熱分解而成塑性狀態，繼而出現軟化、熔融現象，產生熱分解後的液態產物，在炭粒之間的接觸和膨脹壓力的作用下，使炭粉相互粘結在一起而變成多孔性硬塊，即所謂焦炭，這種煤稱為粘結性煤。無煙煤不發生或稍微發生熔融粘結現象，而在放出揮發份後其本身成為粉末狀的殘渣，這種煤稱為不粘結性煤。

煤的粘結性會破壞氣化層中氣體的分佈，使氣化操作無法進行。 ^[1] 

工業上以固體燃料為原料，製取合成氨原料氣的方法：

1、固定層間歇氣化法

用水蒸汽和空氣為氣化劑，交替地通過固定的燃料層，使燃料氣化，製得半水煤氣。

2、固定層連續氣化法

以富氧空氣（或氧氣）與蒸汽的混合氣為氣化劑，連續通過固定的燃料層進行氣化。

3、氣流層氣化法

在高温下，以氧和水蒸氣混合氣為氣化劑，與粒度小於0.1mm的粉煤並流氣化，生產有效成分（H2+CO）高達80%～85%的煤氣 。

4、水煤漿加壓氣化法 （德士古水煤漿氣化法）

將原料煤和水按一定比例，加到磨煤機中磨成水煤漿，經加壓後和氧氣一起由噴嘴噴入氣化爐內，進行氣化反應，製得水煤氣。 ^[2]