煤炭气化研究方向

煤炭的气化原理

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。

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。

煤炭气化燃料电池研究方向

固体氧化物型(SOFC)：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。以美国西屋电气公司(WestinghouseElectricCompany)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100µm的电解质薄膜和电极薄膜。1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1.3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(SiemensWestinghouseElectricCompany)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16,612小时，能量效率为46%；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kWSOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58%，猜测有看达到70%。接下来预备在德国安装320kW联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司(GlobalThermoelectricInc.)，美国GE、Z2tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电公司获得的功率密度，在700℃运行时，达到0.723W/cm2。日本产业技术院电子技术综合研究所从1974年开始研究SOFC，1984年进行了500W发电试验，最大输出功率为1.2kW。日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)为首，从1989年开始开发基础制造技术，并对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块的基础上，组织了7个研究机构，共同开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。三菱重工神户造船所与中部电力合作，于1996年创造了5kW级平板型SOFC模块成功运行的先例；1998年获得最大的功率密度0135W/cm2(正常为0.15~0.2W/cm2)；2000年9月11日，实现了功率输出为15kW的平板式SOFC，连续运行1000小时无衰减。德国西门子公司1995年开发出10kW级的平板型SOFC，1996年又推出7.2kW级模块。德国尤利希研究中心(ResearcherCenterJuelich)，Fraunhofer陶瓷技术和烧结材料研究院(FraunhoferInstituteCeramicTechnologyandSinterMa2terial)等都获得了数千瓦级的功率输出。瑞士SulzerTechnologyCorp.积极开发家庭用SOFC，目前已经开发出1kW级模块。英国的“先进燃料电池计划”开始于1992年，该计划又并进英国“新能源和可再生能源计划”，目标是到2005年实现SOFC现场试验和示范。同时，以英、法、荷等国家的大学和国立研究所为中心的研究机构，正在积极研究开发中、低温型SOFC电池材料。为推动SOFC发展，欧共体1994年建立了“欧洲十年，燃料电池研究发展和演示规划”项目，目的是集中气力，加速推动SOFC的贸易化在汽车应用领域，SOFC发展也很活跃。奔驰汽车制造公司1996年对2.2kW级模块试运行达6000小时。2001年2月16日，由BMW与DelphiAutomotiveSystemCorporation合作近两年研制的第一辆由SOFC作为辅助电源系统(AuxiliaryPowerUnit，APU)的汽车在慕尼黑问世，作为第一代SOFC/APU系统，其功率为3kW，电压输出为21V，其燃料消耗比传统汽车降低46%；第二代目标是5kWSOFC系统，预计尺寸为500×500×250mm，电压输出为42V。其他如Toyota，Nissan，Honda，Ford等汽车公司都有自己的SOFC项目，有看3~5年实现SOFC贸易化应用。在国外快速发展的势态下，我国国内技术水平则明显落后。以中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学、吉林大学、清华大学等单位为代表，相续开展了固体氧化物燃料电池研究。2．固体氧化物燃料电池的现状和题目由于目前面临的能源短缺和环境污染，世界各国都在积极研究和开发SOFC技术，从而得到高效能源转换，并将对环境的破坏降低到最小程度。众所周知，就现在的状况而言，SOFC技术在性能、寿命和本钱上还没有达到商品化要求，然而，通过世界各国研究者的努力，这一目标是完全可以实现的。在5年以前，平板式SOFC设计还没有成为发展的主流方向。近年来，由于单电池设计越来越受到人们的重视，从而使SOFC的工作温度从原来的1000℃左右降低到600~800℃。与工作在1000℃四周的管式SOFC相比，平板式SOFC具有相似或更高的输出功率密度。它的优点主要表现在以下几个方面：(1)电池堆结构简单，装配简便，易于外部施压，增强单电池之间的接触；(2)单电池可