煤炭基本知识

引言：煤是世界上储藏量最丰富的化石燃料，也是中国储量最多的化石燃料[1]。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界煤产量的25%。煤炭是我国分布最广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则相对不足，预计到本世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改变。煤的转化和利用有着悠久的历史，比如我国用煤作为能源的历史已有一千五百多年，国外用煤制焦的历史至少可追溯至十六世纪[3]。目前，煤的利用主要分为如下几个方面：1）能源利用，如燃烧、发电（或燃料电池）等；2）原料来源，如气化、等离子乙炔化、焦化、液化、热解、加氢热解、煤与添加物共处理等途径转化为气体、液体、固体等形态的工业过程原料或化学品；3）材料利用，如添加剂、吸附剂等。用O2/H2O、Air/H2O等气化剂将煤转化为气体燃料的过程称为煤的气化。煤气化反应中的气化剂一般包括O2、H2O、CO2和H2，产物一般为CO、H2、CH4。煤炭气化是煤炭转化中实现煤的清洁高效利用的重要过程之一，用于煤炭气化的反应炉有多种类型，按照气固接触的方式，有固定床、流化床、夹带床及融盐床等。其中，固定床煤气化反应炉因其高热效率和操作系统简单方便而得到广泛应用。目前世界上煤的气化约89%为固定床气化，10%为夹带床，仅有1%为流化床气化[8]。固定床煤气反应炉既可在高压下操作，又可在常压下或中等压力下操作。常压固定床煤气化反应炉的排渣方式有两种，即固态排渣和液态排渣，对于固态排渣方式，一个很关键的限定条件就是反应器内部温度不能超过煤中灰分的软化温度。根据煤和气体的流动方式，常压固定床煤气化反应炉有逆流式，共流式和错流式，其中以逆流式过程最为普遍，下面总结了此类煤气化反应炉的优点：（1）逆流流动使得灰渣中热焓被进口的冷气体所回收；（2）挥发产生的气体增加了气体产物的热值；（3）固体停留时间长，碳转化程度高；（4）热效率高；（5）气化产物中夹带的固体量低；（6）煤气化反应炉尺寸小，投资成本低；（7）可使用劣质煤气化，对煤的热稳定性和机械强度要求较低；煤气化过程不同于简单的化学反应体系，它不仅涉及到复杂的化学反应体系，还包括了物理过程的脱水干燥和半物理半化学过程的热解干馏。仅就气化反应而言，既有多个平行反应，又有连串反应和二次气相反应。由于反应速率上的差异，较慢的一些反应要用动力学方程来描述，较快的气固反应要由扩散传质方程来描述。庞大的反应体系和繁杂的传热过程使得对煤气化反应炉的数学描述十分困难，然而常压固定床煤气化反应炉的广泛应用也促进了其数学模拟的不断发展。煤气化反应炉的设计、生产过程的控制和产物组成的预测不断给数学模拟提出更高的要求，科学工作者们也一直在这一领域进行着不懈的努力，使得煤气化反应炉的数学模型与模拟由简向繁、由粗向细逐渐完善。对煤的气化反应的研究可追溯到1780年，当时Fontana首次研究了水蒸气通过炽热的碳生成水煤气的反应。伴随着煤气化研究的不断发展，用于煤气化的常压固定床煤气化反应炉类型也不断增加，前后出现过二十余种不同的炉型，其中最常见的有Lurgi炉和Wellman-Galusha炉。表1-1为煤气化研究历史上的重要事件及其年代[10]。表1-1煤气化历史上的重要事件及其年代序号事件时间(年)1水蒸汽-碳的反应17802煤气发生器的发明18323水煤气工艺的发明18594熔渣式出灰煤气发生器的发明19125加压煤气化19266煤的加氢气化19367煤的CO2气化1949