2.5.4 煤气的净化

从煤气化炉引出的煤气中，含有一定量的灰分、硫化物、碱金属盐和卤化物等有害物质，各种物质含量的多少与原料煤的性质和气化炉的形式有关。这种含有大量灰尘和有害物质的煤气称为粗煤气。如果将粗煤气供应到燃气-蒸汽联合循环系统中去，不仅会导致输送设备和燃气轮机的腐蚀、磨损、结垢及堵塞，影响其使用寿命和工作可靠性，而且会造成与直接燃煤相类似的污染，达不到洁净燃煤的目的。而作为化工原料气时，不同的用途对气化煤气组分的要求是不同的，因此，在实际煤气生产过程中，还要通过一系列的后期加工来净化和调整煤气组分，以满足不同的使用需要。经过净化处理后的煤气称为精煤气。

常见的工艺有冷却、除尘、CO变换和甲烷化。根据用户对煤气质量要求的不同，煤气净化的程度和方式也有所不同。

（1）煤气的冷却

煤气之所以需要冷却是因为：需要用鼓风机压入管网；进行除尘和捕集焦油；使煤气脱水干燥。常用的煤气冷却设备主要有洗涤塔和竖管冷却器。

洗涤塔是由锅炉钢板焊接而成的圆筒形结构，被冷却的煤气由下面送入，水则从上面喷下和煤气直接接触。根据水与煤气形成接触面的方式，洗涤塔可分为有填料和无填料两种。

在有填料的洗涤塔中，水与煤气的接触表面是由被水润湿的填料表面所形成，最常用的填料是木格板、焦炭块等。在无填料的洗涤塔中，冷却表面是由水滴表面构成。水滴的大小直接和所形成的冷却表面有关。从冷却效果上来看，有填料的洗涤塔效果最好。

洗涤塔除了有冷却作用外，对除掉煤气中的粉尘和焦油也起很大作用，因此，它也是一种常用的除尘设备。

竖管冷却器是一种水管式竖管冷却器，煤气从上部管引入，从下部管排出。水从下部管进入，通过换热管组后由上部出口排出。焦油水的冷却液则经水封槽由冷却器中排出。

在冷却管中所进行的传热过程包括煤气、水蒸气和液体的冷却和冷凝。在这些过程中，每一过程的温度差及传热系数都是不同的，因此，在确定所需的冷却表面时，应分别按以下三个阶段进行：煤气及水蒸气冷却到蒸汽的凝结温度；水蒸气的凝结；煤气和冷凝液冷却到规定的温度。整个冷却器的冷却表面根据上述各个阶段所需的冷却表面之和求得。

（2）煤气的除尘

根据工艺要求的不同，煤气的除尘程度也不同，一般可以分为三级：

① 粗除尘：煤气含尘量达1.5g/m3以下，适用于短而粗、没有支管的煤气管道；

② 半精除尘：煤气含尘量达0.1～1.0g/m3，用于支管多、距离长的煤气管道；

③ 精除尘：煤气含尘量为0.01～0.03g/m3，这种煤气主要用于煤气发动机。

煤气除尘的方法有两类，即干法除尘和湿法除尘。

干法除尘的特点是，煤气的温度应能保证使煤气中的水蒸气和焦油蒸气不致在除尘器中冷凝下来。在干除尘器中，一般采用的粗除尘设备是沉降室和旋风除尘器，精除尘设备则用电滤器。

沉降室是利用使煤气的速度急剧降低和流动方向急剧改变的原理来达到除尘的目的，所以又称为重力除尘器。旋风除尘器主要是利用离心力的作用使煤气中的固体尘粒分离出来，其除尘效果较沉降室好，气流速度要求在15～20m/s。电滤器又名静电除尘器，可以除掉煤气中的粉尘和焦油，是一种精除尘设备。煤气中的粉尘、焦油和水滴进入电离区后，获得与放电电极相同的电荷，并向相反的电极移动，当其达到沉降极后即失去电荷而沉降在电极上，在这里积聚到一定数量后，即因自身重力作用而下降，并从出口排出。

静电除尘器可以除掉其他方法所不能除掉的最小悬浮微粒，其除尘效率与气流速度、煤气湿度及温度有关。一般要求煤气温度应在80～100℃，煤气速度为2～4m/s。静电除尘的电能消耗较小，每1000m3煤气所消耗的电能为0.4～0.8kW·h。

湿法除尘的特点是用水将煤气冷却和湿润，将煤气中的水分、焦油及尘粒同时清除出去。常用的湿法除尘器有洗涤塔（半精除尘）、离心式洗涤机和文氏管（精除尘）。

（3）脱除酸性气体

粗煤气中的酸性气体主要是指硫化物和CO₂，其中硫化物又以H₂S和羰基硫COS为主。如果以粗煤气生产中高热值燃气或合成气为主，CO₂的存在会降低煤气热值，因此必须脱除CO₂；对于制取低热值燃气，一般不需要脱CO₂。而硫化物的存在不仅会引起很多催化剂中毒，而且其燃烧会生成SO₂污染大气，因此在多数情况下脱硫都是必须的。常见的脱硫方法通常都能在一定程度脱除CO₂，所不同的是对于H₂S、COS和CO₂的脱除程度。

一般来说，脱除酸性气体可分为干法和湿法两类。干法工艺采用固体吸收剂或吸附剂，主要有氧化铁法、氧化锌法和活性炭法。其特点是脱除效率高，工艺简单，但设备笨重，投资大，需间断式再生或更换。而且干法工艺一般用于脱硫，对CO₂脱除的效果不是很明显。

湿法工艺的基本原理可以概括为：用对酸性气体有吸收能力（溶解或反应）的溶液，在适宜的条件下，洗涤粗煤气，从而使其中的酸性气体与其他气体分离，而吸收溶液再经升温、降压或其他措施，使被吸收的酸性气体重新释放出来并回收，从而使吸收剂得到再生。因此，湿法工艺一般可分为吸收和再生两大阶段。按其吸收和再生的原理，湿法工艺又可细分为化学吸收法、物理吸收法和物理化学法。湿法工艺脱除效率相对较低，但处理量大，可连续操作，投资和运行费用较低，因此应用较为广泛。常见的湿法脱硫工艺有烷基醇胺法和低温甲醇洗涤法。

（4）CO变换

如果煤气化的最终产品要求是城市煤气、替代天然气、合成气或是制氢气的话，那么对粗煤气中CO和H₂的比例必须进行调整。对于城市煤气，为了减少毒性，一般认为CO的体积含量应控制在10%以下；作为替代天然气，甲烷化阶段要求H₂比CO含量多3倍；作为合成气，则要求CO尽可能的少，较高的CO分压会使催化剂表面结炭，从而导致催化剂失活；如果制氢，则要求CO的含量接近于零。对于CO含量过高的粗煤气，通过水煤气变换反应调整H₂和CO的比例的工序就称为CO变换。其基本原理就是水煤气变换反应，同时还会发生COS水解反应。可表示为：

　　CO+H₂OCO₂+H₂　　（2-25）

　　COS+H₂OCO₂+H₂S　　（2-26）

工业上常采用中温变换，其反应温度为380～520℃。为了降低反应温度和提高反应速率，CO变换需要在催化剂下进行。催化剂的选择主要根据粗煤气和净化器中CO的含量以及粗煤气中硫的含量。一般情况下，CO变换之前需要进行酸性气体的脱除，这样就可以采用铁铬系催化剂、铜锌催化剂等不抗硫的催化剂。

（5）煤气甲烷化

一般粗煤气中含有大量的CO和H₂以及一定量的CH₄，为了进一步提高煤气热值，减少CO含量，采用甲烷化工艺是加工煤气的重要手段。尤其是在合成天然气的生产中，必须对粗煤气进行甲烷化。甲烷化过程主要是使煤气中的H₂和CO在催化剂作用下发生反应生成CH₄。

　　CO+3H₂CH₄+H₂O　　（2-27）

同时还会发生水煤气变换反应：

　　CO+H₂OCO₂+H₂　　（2-28）

以及其他生成CH₄的次要反应：

　　CO+4H₂CH₄+2H₂O　　（2-29）

　　2COC+CO₂　　（2-30）

　　C+2H₂CH₄　　（2-31）

影响甲烷化反应过程的因素很多，如催化剂的活性、原料气的组成以及反应温度和压力等。从化学反应来看，甲烷化反应是强放热反应，为防止催化剂超温失活，必须有效地排出反应生成热；同时该反应还是体积缩小的反应，因此加压有利于甲烷的生成。

在催化剂方面，活性较好的甲烷化催化剂一般都含有高浓度的非常活泼的Ni、Al以及其他的助催化剂，并以硅藻土或氧化铝为载体。这些催化剂一般都不抗硫，因为活性镍会因吸硫而丧失活性，同时氯化物也会使这类催化剂受到损害，因此，甲烷化的原料气必须进行彻底净化。除此之外，在进行甲烷化反应过程中，还需要着重考虑如何避免CO和CH₄分解导致的碳沉积反应发生，并使催化剂失活的现象。研究表明，对于镍基催化剂而言，当原料气中的H₂/CO的比值为2.6或更大一些时，在高压和低于820℃的条件下，不会发生碳沉积现象。

煤气化技术的重要性在于它彻底打破了煤炭复杂的分子结构，将其转变成为结构和组分都十分简单的化学品，从而让人们对煤炭资源的价值进行了再认识。通过煤炭气化技术，既可获取清洁的城市煤气以替代天然气进行燃烧，也可用于联合循环发电或燃料电池发电，还可根据需要采用不同的工艺合成化学原料或动力燃料。