2.5.2 煤炭气化过程的影响因素

原料煤、气化剂以及不同的气化方法和操作条件都会影响到煤气化的效果。通常衡量煤气化效果的指标有气化强度、碳的转化率、冷煤气效率和热煤气效率等。

气化强度是指气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤质量，单位是t/（m2·h），它反映气化过程的生产能力；碳转化率则反映原料中碳的转化程度，一般转化率越高，灰渣中未转化碳的量越少；冷煤气效率和热煤气效率的区别如下，这两个值与煤气的余热回收和后续应用相关。

　　冷煤气效率（%）=粗煤气热值（标准温度下）/原料煤热值　　

　　热煤气效率（%）=（粗煤气热值+粗煤气显热）/原料煤热值　　

（1）原料煤的气化性质

煤的气化性质主要包括反应活性、黏结性、结渣性、热稳定性、机械强度及粒度等。

1）反应活性

反应活性指在一定条件下，煤炭与不同的气化介质如二氧化碳、氧气、水蒸气、氢气相互作用的反应能力。表示煤炭反应活性的方法很多，现在通常以被还原为CO的CO₂量占通入CO₂总量的体积分数来表示，即CO₂的还原率作为反应活性的指标。

反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、煤气成分、灰渣或飞灰的含碳量及热效率等。首先，反应活性越强的煤，在气化和燃烧过程中反应速率越快，效率越高，其起始气化的温度就越低，而低温条件对生成CH₄有利，也能减少氧耗。其次，与同样煤灰软化温度的低反应活性煤相比，使用较少的水蒸气就可以控制反应温度不超过煤灰软化温度，减少了水蒸气的消耗量。一般而言，煤化程度越低，挥发分越高，煤质越年轻，反应活性越好，随着原煤变质程度的增加，煤的反应活性急剧下降。

2）黏结性

煤的黏结性是指煤被加热到一定温度时，煤受热分解并产生胶质体，最后黏结成块状焦炭的能力。煤的黏结性不利于气化过程的进行，黏结性强的煤料，在气化炉上部加热到400～500℃时，会出现高黏度的液相，使料层黏结和膨胀，小块的煤被黏合成大块，破坏料层中气流的均匀分布，并阻碍料层的正常下移，使气化过程恶化。严重黏结时，会使气化过程无法进行。因此一般移动床煤气化炉要求气化用煤是不黏结的，或者只有很弱的黏结性。使用黏结性的煤，需在气化炉内黏结区部位增设搅拌装置进行破黏处理。

3）结渣性与灰熔融性

煤中的矿物质，在高温和活性气化介质的作用下，转变为牢固的黏结物或熔融炉渣的能力称为结渣性。对移动床气化炉，大块的炉渣将会破坏床内均匀的透气性，从而影响生成煤气的质量；严重时炉篦不能顺利排渣，需用人力捅渣，甚至被迫停炉。此外炉渣包裹了未气化的原料，使排出炉渣的含碳量增高。对流化床来说，即使少量的结渣，也会破坏正常的流化状态。

煤的结渣性不仅与煤的灰熔融性和灰分含量有关，也与气化的温度、压力、停留时间以及外部介质性质等操作条件有关。在生产中，往往以灰熔点作为判断结渣性的主要指标。煤灰软化温度越低的煤越易结渣。不同的气化设备对煤灰软化温度的选择不同，如液态排渣的气化炉要求煤灰的软化温度越低越好，而固态排渣的气化炉则需要通过控制温度以免出现结渣。

4）热稳定性

热稳定性是指煤在高温下燃烧或气化过程中对温度剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时保持原来粒度的性能。热稳定性好的煤，在燃烧或气化过程中，能以原来的粒度烧掉或气化，而不碎成小块；而热稳定性差的煤，则迅速裂成小块或粉煤。对于移动床气化炉来说，热稳定性差的煤，将会增加炉内的气流阻力，降低煤的气化效率，并使带出物增多。煤的热稳定性与煤的变质程度、成煤条件、煤中的矿物组成以及加热条件有关。一般烟煤的热稳定性较好，褐煤、无烟煤和贫煤的热稳定性较差。因为褐煤中水分含量高，受热后水分迅速蒸发使煤块破裂。无烟煤则因其结构致密，受热后内外温差大，膨胀不均产生应力，使块煤破裂。贫煤急剧受热也容易爆裂，即热稳定性也较差。热稳定性差的煤在进入移动床气化炉的高温区前，先在较低温度下做预处理，可使其热稳定性提高。

5）机械强度

煤的机械强度是指块煤的抗破碎度、耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能。机械强度高的煤在移动床气化炉的输送过程中容易保持其粒度，从而有利于气化过程均匀进行，减少带出物量。机械强度较低的煤，只能采用流化床或气流床进行气化。一般来说，无烟煤的机械强度较大。

6）粒度分布

不同的气化方式对原料煤的粒度要求不同。在固定床气化炉中，要求使用5～50mm的块煤，煤的粒度应该均匀合理，细粉煤的比例不应该太大，粒度不均匀将导致炉内燃料层结构不均匀，大块燃料滚向膛壁，小颗粒和粉末落在燃料层中心，从而造成炉壁附近阻力较小，大部分空气从这里通过，使这里的燃料层上移，严重时破坏燃料层烧穿。均匀的炉料可使炉内料层有很好的均匀透气性，获得较好的煤气质量和较高的气化效率。对于块煤欠缺时，可将细粒煤制成型煤进行造气。

流化床气化炉要求8mm以下的细粒煤，一般要求在3～5mm之间，并且要十分接近，若粒度太小，由于颗粒间的强烈摩擦形成细粉，增加了煤气中带出物小颗粒的含量，使碳转化率降低；但粒度太大，挥发分的逸出会受到阻碍，从而使煤粒发生膨胀，导致密度下降，在较低的气速下就可流化，从而减小生产能力。在实际生产中，活性高的煤块度可大些，而机械强度低的煤，块度应小些。

气流床气化炉要求煤粒在0.1mm以下，至少有85%小于200网目的粉煤，干法进料气流床对原料煤的粒径及均一性要求最低；水煤浆进料时，则要求有一定的粒度级配，以提高水煤浆的浓度。熔融床气化炉则要求是6mm以下的细粒煤。

7）水分与灰分

煤的其他性质如水分、灰分都会对气化过程产生一定影响。水分过高，会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应的温度，超过一定限度时，须在入炉前进行干燥（水煤浆气化法例外）。灰分过高，会增加热量损失和碳的不完全反应等。因此，在选择气化用煤时需要综合考虑。

8）挥发分

煤的挥发分是指煤在与空气隔绝的容器中加热一定时间后，从煤中分解出来的液体（蒸汽状态）和气体产物—焦油、酚及甲烷等。若生产燃料气，甲烷是有用的；若生产合成气，甲烷则属惰性气体。焦油必须回收处理，否则会堵塞管道及阀门。挥发分析出的现象，只有在固定床气化时才会出现。在流化床和气流床气化中，因气化反应温度高，煤中挥发分经高温裂解，生成气态产物直接转入煤气中，没有干馏物产生。

9）固定碳

煤中固定碳含量的高低，对煤完全气化后所得气化指标的好坏有直接关系。气化用煤的固定碳含量高，则煤气产率高，气化效率和热效率都高，相应地，单位质量煤的空气消耗、蒸汽消耗也高。因煤阶不同，煤的固定碳含量也不同，因而在工业生产或设计中针对不同变质程度的煤种，应采用不同的氧气和水蒸气的理论消耗值。

（2）操作条件

操作条件主要是指气化温度、气化压力，两者有时交互作用，共同对煤的一些性质产生影响。

1）气化温度

通常气化温度的选择需要考虑以下几个方面：对于固态排渣的气化方法，为了防止结渣，应将温度控制在煤灰软化温度以下，但同时温度增高有利于提高煤的反应活性和碳的转化率，而不同的操作温度还会影响到产物的生成，如低温条件有利于CH₄的生成。

2）气化压力

加压气化是强化煤气化的一种方法，但它对煤气组成、煤的部分气化性质也会带来影响。相比气化温度，压力对气化的影响更为重要。它不仅能直接影响化学反应的进行，还会对煤的性质产生影响，从而间接影响气化效果。

一般来说，在加压的情况下，气体密度增大，化学反应速率加快，有利于单炉生产能力的提高；从气化反应平衡来讲，加压有利于甲烷的形成，不利于二氧化碳的还原和水蒸气的分解，从而导致水耗量增大，煤气中二氧化碳浓度有所增加。

煤的黏结性随压力的增加而增加。弱黏结性煤，黏结指数都随压力的增加而上升，而且在压力增加到0.5～1MPa以前，黏结性增加较快；黏结性煤，黏结指数也随压力的增加而增加，并且随压力的增加开始增加较快，然后逐渐减慢。压力对煤的结渣性也有影响，一般情况下，结渣率随系统压力的增加而减小，这是因为加压时，由于在恒定的空气流量下，实际流速下降，造成燃烧反应速率下降，热量的释放减缓，因而结渣率随系统压力的增加而减小。

（3）煤气的种类

一般将煤气化生成的气体产物称为煤气，其中气化炉出口处的未经净化的煤气又常称为粗煤气。不同的气化方法可以生产出不同性质（组成和热值）的煤气。根据其性质，煤气可以广泛地应用于各个工业和民用领域，如作为气体燃料的城市煤气、工业用发生炉煤气、水煤气和替代合成气，以及可进行液体燃料和化工产品合成的合成气等。

如按照煤气在标准状态下的热值分类，可以分为：低热值煤气，其热值小于8.3MJ/m3；中热值煤气，其热值为16.7～33.5MJ/m3；高热值煤气，其热值大于33.5MJ/m3。

如果结合煤气化的气化剂组成以及产物气体的成分和用途，按其热值高低（由低至高）可细分为：发生炉煤气、水煤气、合成气、城市煤气以及替代天然气等。表2-4所示为各类煤气的典型组成和热值。

（4）煤气化过程的强化

许多方面的研究和生产实践证明，在固定床煤气发生炉中的气化强度可以达到450～500kg/（m2·h）而不至于影响煤气的质量和炉子的操作。

根据还原层的气化反应所进行的研究证明，其反应速率存在着极大的提升潜力。在现有生产条件下（空气-蒸汽鼓风，固定料层，常压操作），煤气发生炉完全有可能进一步提高气化速率而不影响煤气质量。

在工业实践和对还原反应所进行的研究中证明了以下情况，当气化强度在600kg/（m2·h）以下，气化层最高温度在1100～1200℃时，反应实际上是在外扩散区进行。这就是说，在增加质量交换速率的同时，气化速率也会相应增加，因而煤气成分实际上没有明显的改变。但如果超过这一范围，反应将转移到动力区，这时反应速率将跟不上鼓风速率的增加，因而一部分气体未经还原而通过还原层，使煤气质量变坏。要改善这一情况就必须提高反应层的温度，或者增加反应层的表面积（亦即增加燃料高度或减小燃料的块度）。但在普通结构的层状煤气发生炉中，气化层的最高允许温度取决于灰分的熔点，因而不能过分提高，而燃料的块度也不能过分减小。因此可以认为，在目前这种气化条件下，合理的气化强度不宜超过600kg/（m2·h）。

对于炭的燃烧和气化这一多相反应来说，在高温条件下，其反应速率是很大的，因此，气化过程的速率主要取决于气体向反应表面的扩散速率，后者与煤气炉中的气体速率直接有关。因此，加大风量，提高气流速率是强化生产的主要手段。

必须指出，煤的气化是一个物理化学的综合过程，在采取上述强化生产措施的同时，必须考虑和其他技术措施相配合。例如：加强原料的准备，特别是燃料的粒度应严格控制；相应提高加料及排渣设备的工作能力；相应提高风机、煤气输送和清洗设备的工作能力。