煤炭的气化原理
煤炭气化
中国洁净煤技术网
煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。
图见：
http://www.cct.org.cn/cct/upinstrimg/200310301232321.gif
气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即非均相气－固反应和均相的气相反应。
不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气化用煤的特性及其影响极为重要。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。
煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有：
1) 固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。
2) 流化床气化：它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。
3) 气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。
4) 熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。
以上均为地面气化，还有地下气化工艺。
煤炭气化技术广泛应用于下列领域：
1）作为工业燃气 一般热值为1100－1350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。
2）作为民用煤气 一般热值在3000－3500大卡，要求CO小于10％，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。
3）作为化工合成和燃料油合成原料气 早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。随着合成气化工和碳－化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。
化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50％以上来自煤炭气化合成工艺。
4）作为冶金还原气 煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。
5）作为联合循环发电燃气 整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度-如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床气化（德士古）、加压气流（Shell气化炉）广东省 加压流化床气化工艺，煤气热值2200－2500大卡左右。
6）作煤炭气化燃料电池 燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要由磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。
7）煤炭气化制氢 氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。
8）煤炭液化的气源 不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。
工业上煤制氢气主要是采用水煤气发生炉
又分为一段式水煤气发生炉
和水煤浆煤气发生炉
新的水煤气工艺都是采用水煤浆工艺
一段式煤气发生炉属于淘汰工艺不允许采用
化学反应式C+H2O=CO2+H2
C+2H2O=CO2+2H2
3C+2H2O=CH4+2CO
所以一般用Al
制取
首先器材是分液漏斗
试管
双孔软木塞
导管
集气瓶
水潮
将Al片有砂纸打磨后放入试管中 用软木塞塞住试管
然后将分液漏斗和试管分别插入软木塞两个孔
将试管通入水槽检查气密性
然后将试管移除水槽
打开分液漏斗
刚刚生成气体时先不收集等生成一会再用向上派空气法收集
实验室制取
①反应原理：利用金属活动性比氢强的金属单质与酸反应，置换出氢元素。
用锌与稀硫酸反应：
制取氢气的简易方法
注意：
1、这里最好不用盐酸，是因为该反应放热，盐酸会挥发出氯化氢气体，使制得的气体含有氯化氢杂质。Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑
2、钾、钙、钠等金属与稀酸反应时，会优先置换出水中的氢并生成相应的碱，且反应过于剧烈
3、选取的金属应与酸反应速率适中，产生气泡均匀
4、不能使用硝酸或浓硫酸，因为这两种酸具有强氧化性，反应将会生成NO2或SO2
氢气的实验室制取
用铝和氢氧化钠溶液反应制取：
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑
注：市场上零压氢气机就是根据铝和氢氧化钠反应制氢充球。因为是开放性，是一边放料一边充球，所以机内是无气压的，安全系数较高。
电解水实验
电解就是将两根金属或碳棒(即电极)放在要分解的物质(电解质)中， 然后接上电源，使电流通过液 体。化合物的阳离子移到带负电的电极(阴极)，阴离子移到带正电的电极(阳极)，化合物分为二极。
H2O=H++OH-
H++e-=H
2H=H2
OH--e-=OH
2OH=H2O2
2H2O2=2H2O+O2
2H2O2=2H2O+O2
总的化学方程式是：2H2O=通电=2H2↑+O2↑
收集
1.排水集气法（用于收集难溶于水的气体）
优点：可以收集到较纯净的气体 缺点：收集到的气体较湿润
2.向下排空气法（用于收集密度比空气小，不与空气中成分反应的气体），
优点：过程简洁 缺点：收集到的气体不纯
工业制作法
①水煤气法(主要成分CO和H2，C+H2O==高温==CO+H2）
②电解水的方法制氢气(2H2O==通电==O2↑+2H2↑)
③电解饱和食盐水（2NaCl+2H2O==通电==2NaOH+H2↑+Cl2↑）
原始制作法
原始氢气是宇宙大爆炸由原始粒子形成的氢气，大部分分布在宇宙空间内和大的星球中，是恒星的核燃料，是组成宇宙中各种元素及物质的初始物质。地球上没有原始氢气因为地球的引力束缚不了它。只有它的化合物。
人造氢气生产方法
可分为以下几种⒈ 工业氢气生产方法：
启普发生器制氢气
⑴由煤和水生产氢气（生产设备煤气发生设备，变压吸附设备）
将水蒸气通过炽热的炭层：C+H2O(g)=高温=CO+H2（水煤气），再低温分离
⑵由裂化石油气生产（生产设备裂化设备，变压吸附设备，脱碳设备）
CH4=高温催化剂=C+2H2
⑶电解水生产（生产设备电解槽设备）
⑷工业废气。
⒉民用氢气生产方法：
⑴氨分解（生产设备汽化炉，分解炉，变压吸附设备）
⑵由活泼金属与酸（生产设备不锈钢或玻璃容器设备）
(3)强碱与铝或硅（生产设备充氢气球机设备）一般生产氢气球都用此方法。
Si+2NaOH+H2O=加热=Na2SiO3+2H2↑
(4)甲醇裂解（生产设备导热油炉，甲醇汽化裂解设备，变压吸附装置）一般用氢气量较大化工厂均用此方法。
CH3OH=高温催化=2H2↑+CO↑，低温分离
⒊试验室氢气生产方法：
硫酸与锌粒（生产设备：启普发生器）
4.其他
(1)由重水电解。
(2)由液氢低温精镏。
工业制法
一、电解水制氢 多采用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽（外形似压滤机）来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。阳极出氧气，阴极出氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气。这种纯度的氢气常供：①电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等，②粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂，③制取多晶硅、锗等半导体原材料，④油脂氢化，⑤双氢内冷发电机中的冷却气等。像北京电子管厂和科学院气体厂就用水电解法制氢。利用电解饱和食盐水产生氢气
如2NaCl+2H2O==通电==2NaOH+Cl2↑+H2↑
二、水煤气法制氢 气用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气（C+H2O====CO+H2—热）。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO2（CO+H2O→CO2+H2）可得含氢量在80%以上的气体，再压入水中以溶去CO2，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液中除去残存的CO而得较纯氢气，这种方法制氢成本较低产量很大，设备较多，在合成氨厂多用此法。有的还把CO与H2合成甲醇，还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。像北京化工实验厂和许多地方的小氮肥厂多用此法。
Zn+H2SO4→H2↑+ZnSO4
用一根试管，放入锌粒（Zn），然后缓缓倒入硫酸（H2SO4），在试管口塞上橡皮塞，将导管通入集气瓶，收集氢气~~~（最好不要用盐酸，因为这样的话会收集到部分HCL气体）！
实验室制取氢气的装置和收集方法
1． 制备装置：
完整的气体制取装置包括发生装置（即发生反应生成该气体的装置）和收集装置两部分。
气体发生装置的确定，要依据反应原理，特别是反应物的状态和反应条件。实验室制取氢气所用的锌是颗粒状固体，所用的稀硫酸呈液体，常温下两种药品接触即可发生反应。由此可见，只需用容器将锌和稀硫酸盛放在一起，并将产生的氢气通过导管导出即可。因此组装发生装置应包括盛装药品的反应容器（大试管、广口瓶、锥形瓶、烧瓶等均可），用于封闭反应容器口的胶塞，穿过胶塞用于导出氢气的玻璃导管（用试管或烧瓶作反应容器时还需用铁架台固定）。
将水蒸气通过炽热的煤层可制得较洁净的水煤气（主要成分是CO和H2），现象为火焰腾起更高，而且变为淡蓝色（氢气和CO燃烧的颜色）。化学方程式为C+H2O(高温)--->CO+H2。这就是湿煤比干煤燃烧更旺的原因。
煤气厂常在家用水煤气中特意掺入少量难闻气味的气体，目的是CO和H2为无色无味气体，当煤气泄漏时能闻到及时发现。
1、电解水制氢．
水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢，作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰富，利用水电发电，电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高，成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节，贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。
2、矿物燃料制氢
以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。
（1）煤为原料制取氢气
在我国能源结构中，在今后相当长一段时间内，煤炭还将是主要能源。如何提高煤的利用效率及减少对环境的污染是需不断研究的课题，将煤炭转化为氢是其途径之一。
以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90－1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60％（体积）甲烷23-27％、一氧化碳6-8％等。每吨煤可得煤气300－350m3，可作为城市煤气，亦是制取氢气的原料。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化剂为水蒸汽或氧所（空气），气体产物中含有氢有等组份，其含量随不同气化方法而异。我国有大批中小型合成氢厂，均以煤为原料，气化后制得含氢煤气作为合成氨的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用OGI固定床式气化炉，可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小，操作容易，其气体产物组成主要是氢及一氧化碳，其中氢气可达60％以上，经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法，其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化技术具有煤 资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力等开发并完善了"长通道、大断 面、两阶段地下煤气化"生产水煤气的新工艺，煤气中氢气含量达50％以上，在唐山刘庄已进行工业性试运转，可日产水煤气5万m3，如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气，该法在我国具有一定开发前景．我国对煤制氢技术的掌握已有良好的基础，特别是大批中小型合成氨厂的制氢装置遍布各地，为今后提供氢源创造了条件。我国自行开发的地下煤气化制水煤气获得廉价氢气的工艺已取得 阶段成果，具有开发前景，值得重视。
（2）以天然气或轻质油为原料制取氢气
该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应：
CH4＋H2O→CO＋H2
CO＋H2O→COZ＋HZ
CnH2h＋2＋Nh2O→nCO＋（Zh＋l）HZ
反应在800-820℃下进行。从上述反应可知，也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组成中，氢气含量可达74％（体积），其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作，并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺，制取小型合成氨厂的原料，这种方法不必用采高温合金转化炉，装置投资成本低。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原料。
（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气
重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢
气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。该法生产的氢气产物成本
中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。我国建有大型重油部分氧化法制氢装置，用于制取合成氢的原料。
单质碳在较高温度下有还原性，与水反应
C+H2O=CO+H2…………①
CO+H2O=CO2+H2…….②
反应①的进行程度较大，反应②的进行程度较小
写两者均可
氢气发生器产出的氢气有两种不同的来源。
一、纯水电解制氢工作原理：把满足要求的电解水（电阻率大于1MΩ/cm，电子或分析行业用的去离子水或二次蒸馏水皆可）送入电解槽阳极室，通电后水便立刻在阳极分解：2H2O=4H++2O-2，分解成的负氧离子（O-2），随即在阳极放出电子，形成氧气（O2），从阳极室排出，携带部份水进入水槽，水可循环使用，氧气从水槽上盖小孔放入大气。氢质子以水合离子（H+XH2O）的形式，在电场力的作用下，通过SPE离子膜，到达阴极吸收电子形成氢气，从阴极室排出后，进入气水分离器，在此除去从电解槽携带出的大部分水份，含微量水份的氢气再经干燥器吸湿后，纯度便达到99.999%以上。
二、碱液电解制氢工作原理：是传统隔膜碱液电解法。电解槽内的导电介质为氢氧化钾水溶液，两极室的分隔物为航天电解设备用优质隔膜，与端板合为一体的耐蚀、传质良好的格栅电极等组成电解槽。向两极施加直流电后，水分子在电解槽的两极立刻发生电化学反应，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。
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