煤炭氣化研究方向

煤炭的氣化原理

煤炭氣化是指煤在特定的設備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑（如蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。煤炭氣化時，必須具備三個條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。

氣化過程發(fā)生的反應包括煤的熱解、氣化和燃燒反應。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅狻⒐獭⒁喝喈a(chǎn)物的過程。煤的氣化和燃燒反應則包括兩種反應類型，即非均相氣－固反應和均相的氣相反應。

不同的氣化工藝對原料的性質要求不同，因此在選擇煤氣化工藝時，考慮氣化用煤的特性及其影響極為重要。氣化用煤的性質主要包括煤的反應性、粘結性、結渣性、熱穩(wěn)定性、機械強度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。

煤炭氣化工藝可按壓力、氣化劑、氣化過程供熱方式等分類，常用的是按氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式區(qū)分，主要有：

1)固定床氣化：在氣化過程中，煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由氣化爐底部加入，煤料與氣化劑逆流接觸，相對于氣體的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可視為固定不動，因此稱之為固定床氣化；而實際上，煤料在氣化過程中是以很慢的速度向下移動的，比較準確的稱其為移動床氣化。

2)流化床氣化：它是以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使其懸浮分散在垂直上升的氣流中，煤粒在沸騰狀態(tài)進行氣化反應，從而使得煤料層內(nèi)溫度均一，易于控制，提高氣化效率。

3)氣流床氣化。它是一種并流氣化，用氣化劑將粒度為100um以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內(nèi)。煤料在高于其灰熔點的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應和氣化反應，灰渣以液態(tài)形式排出氣化爐。

4)熔浴床氣化。它是將粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入一溫度較高且高度穩(wěn)定的熔池內(nèi)，把一部分動能傳給熔渣，使池內(nèi)熔融物做螺旋狀的旋轉運動并氣化。目前此氣化工藝已不再發(fā)展。

以上均為地面氣化，還有地下氣化工藝。

煤炭氣化技術廣泛應用于下列領域：

1）作為工業(yè)燃氣

一般熱值為1100－1350大卡熱的煤氣，采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。

2）作為民用煤氣

一般熱值在3000－3500大卡，要求CO小于10％，除焦爐煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應盡量低。

3）作為化工合成和燃料油合成原料氣

早在第二次世界大戰(zhàn)時，德國等就采用費托工藝（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學技術的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。

化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國合成氨的甲醇產(chǎn)量的50％以上來自煤炭氣化合成工藝。

4）作為冶金還原氣

煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。

5）作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃氣

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡稱IGCC）是指煤在加壓下氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后燃燒，高溫煙氣驅動燃氣輪機發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對熱值要求不高，但對煤氣凈化度-如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般采用固定床加壓氣化（魯奇爐）、氣流床氣化（德士古）、加壓氣流（Shell氣化爐）廣東省加壓流化床氣化工藝，煤氣熱值2200－2500大卡左右。

6）作煤炭氣化燃料電池

燃料電池是由H2、天然氣或煤氣等燃料（化學能）通過電化學反應直接轉化為電的化學發(fā)電技術。目前主要由磷酸鹽型（PAFC）、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。它們與高效煤氣化結合的發(fā)電技術就是IG-MCFC和IG-SOFC，其發(fā)電效率可達53%。

7）煤炭氣化制氫

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，即可獲得氫氣。

8）煤炭液化的氣源

不論煤炭直接液化和間接氧化，都離不開煤炭氣化。煤炭液化需要煤炭氣化制氫，而可選的煤炭氣化工藝同樣包括固定床加壓Lurgi氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床氣化工藝。

煤炭氣化燃料電池研究方向

固體氧化物型(SOFC)：固體氧化物燃料電池是將燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，具有高效率、零污染、無噪聲等特點。它可以為民用、貿(mào)易、軍事和交通運輸?shù)忍峁└哔|量的電源。這一技術的成功應用對于緩解能源危機、滿足對電力數(shù)目和質量的需求、保護生態(tài)環(huán)境和國家安全都具有重大的意義。1．固體氧化物燃料電池發(fā)展背景燃料電池的歷史可以追溯到1839年，SOFC的開發(fā)始于20世紀40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。以美國西屋電氣公司(WestinghouseElectricCompany)為代表，研制了管狀結構的SOFC，用擠出成型方法制備多孔氧化鋁或復合氧化鋯支撐管，然后采用電化學氣相沉積方法制備厚度在幾十到100μm的電解質薄膜和電極薄膜。1987年，該公司在日本安裝的25kW級發(fā)電和余熱供熱SOFC系統(tǒng)，到1997年3月成功運行了約1.3萬小時；1997年12月，西門子西屋公司(SiemensWestinghouseElectricCompany)在荷蘭安裝了第一組100kW管狀SOFC系統(tǒng)，截止到2000年底封閉，累計工作了16,612小時，能量效率為46%；2002年5月，西門子西屋公司又與加州大學合作，在加州安裝了第一套220kWSOFC與氣體渦輪機聯(lián)動發(fā)電系統(tǒng)，目前獲得的能量轉化效率為58%，猜測有看達到70%。接下來預備在德國安裝320kW聯(lián)動發(fā)電系統(tǒng)，建成1MW的發(fā)電系統(tǒng)，預計2005年底，管狀結構SOFC走向貿(mào)易化。同時，日本三菱重工長崎造船所、九州電力公司和東陶公司、德國海德堡中心研究所等也進行了千瓦級管狀結構SOFC發(fā)電試驗.另外，加拿大的環(huán)球熱電公司(GlobalThermoelectricInc.)，美國GE、Z2tek等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進展，目前正在對千瓦級模塊進行試運行。環(huán)球熱電公司獲得的功率密度，在700℃運行時，達到0.723W/cm2。日本產(chǎn)業(yè)技術院電子技術綜合研究所從1974年開始研究SOFC，1984年進行了500W發(fā)電試驗，最大輸出功率為1.2kW。日本新陽光計劃中，以產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)為首，從1989年開始開發(fā)基礎制造技術，并對數(shù)百千瓦級發(fā)電機組進行測試。1992年開始，富士電機綜合研究所和三洋電機在共同研究開發(fā)數(shù)千瓦級平板型模塊的基礎上，組織了7個研究機構，共同開發(fā)高性能、長壽命的SOFC材料及其基礎技術。三菱重工神戶造船所與中部電力合作，于1996年創(chuàng)造了5kW級平板型SOFC模塊成功運行的先例；1998年獲得最大的功率密度0135W/cm2(正常為0.15~0.2W/cm2)；2000年9月11日，實現(xiàn)了功率輸出為15kW的平板式SOFC，連續(xù)運行1000小時無衰減。德國西門子公司1995年開發(fā)出10kW級的平板型SOFC，1996年又推出7.2kW級模塊。德國尤利希研究中心(ResearcherCenterJuelich)，F(xiàn)raunhofer陶瓷技術和燒結材料研究院(FraunhoferInstituteCeramicTechnologyandSinterMa2terial)等都獲得了數(shù)千瓦級的功率輸出。瑞士SulzerTechnologyCorp.積極開發(fā)家庭用SOFC，目前已經(jīng)開發(fā)出1kW級模塊。英國的“先進燃料電池計劃”開始于1992年，該計劃又并進英國“新能源和可再生能源計劃”，目標是到2005年實現(xiàn)SOFC現(xiàn)場試驗和示范。同時，以英、法、荷等國家的大學和國立研究所為中心的研究機構，正在積極研究開發(fā)中、低溫型SOFC電池材料。為推動SOFC發(fā)展，歐共體1994年建立了“歐洲十年，燃料電池研究發(fā)展和演示規(guī)劃”項目，目的是集中氣力，加速推動SOFC的貿(mào)易化在汽車應用領域，SOFC發(fā)展也很活躍。奔馳汽車制造公司1996年對2.2kW級模塊試運行達6000小時。2001年2月16日，由BMW與DelphiAutomotiveSystemCorporation合作近兩年研制的第一輛由SOFC作為輔助電源系統(tǒng)(AuxiliaryPowerUnit，APU)的汽車在慕尼黑問世，作為第一代SOFC/APU系統(tǒng)，其功率為3kW，電壓輸出為21V，其燃料消耗比傳統(tǒng)汽車降低46%；第二代目標是5kWSOFC系統(tǒng)，預計尺寸為500×500×250mm，電壓輸出為42V。其他如Toyota，Nissan，Honda，F(xiàn)ord等汽車公司都有自己的SOFC項目，有看3~5年實現(xiàn)SOFC貿(mào)易化應用。在國外快速發(fā)展的勢態(tài)下，我國國內(nèi)技術水平則明顯落后。以中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學院大連化學物理研究所、中國科學技術大學、吉林大學、清華大學等單位為代表，相續(xù)開展了固體氧化物燃料電池研究。2．固體氧化物燃料電池的現(xiàn)狀和題目由于目前面臨的能源短缺和環(huán)境污染，世界各國都在積極研究和開發(fā)SOFC技術，從而得到高效能源轉換，并將對環(huán)境的破壞降低到最小程度。眾所周知，就現(xiàn)在的狀況而言，SOFC技術在性能、壽命和本錢上還沒有達到商品化要求，然而，通過世界各國研究者的努力，這一目標是完全可以實現(xiàn)的。在5年以前，平板式SOFC設計還沒有成為發(fā)展的主流方向。近年來，由于單電池設計越來越受到人們的重視，從而使SOFC的工作溫度從原來的1000℃左右降低到600~800℃。與工作在1000℃四周的管式SOFC相比，平板式SOFC具有相似或更高的輸出功率密度。它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)電池堆結構簡單，裝配簡便，易于外部施壓，增強單電池之間的接觸；(2)單電池可