2.8 煤的气化
煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15%～18%，而通过煤炭气化这一化工过程将煤变成可燃烧的煤气后，热利用效率可达55%～60%。气态燃料可以实现管道输送，方便又干净，将固体煤气化不但可以充分利用煤炭资源，而且可以弥补天然气资源的不足。煤气化技术对解决我国煤炭利用过程中存在的资源与环境问题，实现经济、能源、环境的协调发展具有重要的现实意义，受到了全社会的普遍关注和广泛认同。
煤的气化是一个热化学过程，是以煤或煤焦为原料，氧气（空气、富氧或纯氧）、蒸汽或氢气为气化剂，在一定温度及压力下通过部分氧化反应将固体煤转化为CO、H2、CH4等可燃气体的过程。从工艺上说，煤气化还应包括气化煤气净化过程。气化炉、气化剂、供给热量是煤炭气化时的三个必备条件，缺一不可。
煤炭气化技术主要用于化工合成原料气、工业燃气、民用煤气、冶金还原气、联合循环发电燃气、燃料油合成原料气和煤炭液化气源、煤炭气化制氢以及煤炭气化燃料电池领域。
2.8.1 煤气化的基本原理
煤气化技术是把煤的化学能转换成易于利用的气体的化学能的过程。它包括以煤（半焦炭或焦炭）为原料，以氧（包括空气、富氧、纯氧）、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过最低限度的氧化过程，将煤中所含的碳、氢等物质转化成一氧化碳、氢、甲烷等有效成分的一个多相反应的化学过程。煤的气化包括煤炭干燥脱水、热解脱挥发分、挥发分和残余碳或半焦炭的气化反应，如图2-11所示。
图2-11 煤的气化过程
在整个过程中，当煤粒的温度升到350～450℃时，煤的热解反应开始发生，析出挥发物（焦油、煤气），气化反应是在缺氧条件下进行的，所以煤气化反应的主要产物是可燃气体CO、H2、CH4，还有部分CO2和H2O。煤中的其他元素如硫、氮等，也会与气化剂发生反应，还原后生成H2S、COS、N2、NH3以及HCN等物质；在较温和的气化温度下（小于650℃），气化煤气中还会含有一定量未分解的焦油和酚类物质等。这会直接影响到后续的煤气化净化和提质加工。
因为煤气化的主要反应都是放热反应，煤的氧化和挥发分析出过程所放出的热量，足够给其他吸热反应供热，并使反应物和反应产物升温，实现自供热。
煤的气化技术可以说是未来煤的洁净利用技术的基础，是最清洁的煤转化利用方式。煤炭气化技术分为两种，一种是地面煤气化技术，另一种是地下煤气化技术。
2.8.2 地面煤气化技术
地面煤气化是指采出煤之后对其进行热加工将其转化为可燃性气体，是相对于后来发展的地下煤气化技术而进行的分类。煤气化技术早就存在，城市煤气早在20世纪初就已在一些都市得到发展。现在地面煤气化技术有固定床、流化床和气流床等。
①固定床气化 在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，空气由气化炉底部加入，煤料与空气逆流接触，反应生成煤气。
②流化床气化 以粒径为0.1～10mm的煤炭颗粒为气化原料，从上部加入。从流化床底部吹入一定速度的气流，该气流速度以维持煤炭颗粒在流化床内呈沸腾状态而悬浮在气流中为准，煤炭颗粒在沸腾状态下进行气化反应。流化床气化过程使得煤料层内温度均匀，气化效率高。
③气流床气化 又称喷流床气化，用气化剂将粒度为100μm以下的煤粉带入气化炉内，煤料在高温下与气化剂发生燃烧反应和气化反应。
煤炭气化炉开发正向加压、大容量方向发展。气化用煤从最初的只能利用不黏煤，到现在几乎可以利用从褐煤、不黏和黏结的烟煤到无烟煤所有煤种。碳转化效率和气化效率都有很大提高。
2.8.3 地下煤气化技术
地下煤气化技术是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧、通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体、综合开发清洁能源与生产化工原料的新技术。其实质是仅仅提取煤中的含能组分，而将灰渣等污染物留在井下。煤炭地下气化技术集建井、采煤、转化等多种工艺为一体，大大提高了煤炭资源的利用效率和利用水平，深受世界各国的重视，被誉为新一代采煤方法。早在1979年联合国“世界煤炭远景会议”就曾明确指出，煤炭地下气化是从根本上解决传统煤炭开采和使用方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。目前煤炭地下气化在国内外工业化试验已取得初步成果，并在俄罗斯、美国等国家及我国山东、河北等地进行了工业化地下气化煤气的生产。进入21世纪，能源短缺将是影响我国国民经济的重要因素。我国蕴藏着丰富的煤炭资源，通过煤炭地下气化将地下煤炭资源转变成可利用的煤气及其他产品是解决能源问题的重要途径之一。
煤炭地下气化与地面气化的原理相同，煤气成分也基本相同，但其工艺形态不同，地面气化过程在气化炉内的煤块中进行，而地下气化则在煤层中的气化通道中进行。将气化通道的进气孔一端煤层点燃，从进气孔鼓入气化剂（空气、氧气、水蒸气等）。煤层燃烧后，则按温度和化学反应的不同，在气化通道中形成三个带，即氧化带、还原带、干馏干燥带。经过这三个反应带后，就形成了主要含有可燃组分CO、H2、CH4的煤气。这三个反应带沿气流方向逐渐向出气口移动，因而保持气化反应的不断进行。地下气化炉的主要建设是进、排气孔的施工和气化通道的贯通。根据气化通道的建设方式，把煤炭地下气化分为有井式和无井式，前者以人工开采的巷道为气化通道，后者以钻孔作为气化通道。
虽然煤炭地下气化具有一定的经济效益，但就目前而言，相同热值条件下煤炭气化生产成本比常规天然气要高。随着气化工艺技术的不断改进而使成本降低，大规模的煤炭气化将显示出更大的经济效益。此外，随着我国煤层气产业的发展，煤层气与煤炭地下气化的综合开发和利用也必将降低成本，提高煤炭地下气化的经济效益。
需要指出的是，煤炭地下气化的意义不仅在于经济效益，同时还改善了能源结构，增强了煤矿生产的安全性。煤炭气化后灰渣留在原地，避免造成废气、废水、废渣等污染，并可减少因煤炭采空造成的地面下沉。此技术可大大提高资源回收率，使传统工艺难以开采的边角煤、深部煤、“三下”压煤和已经或即将报废的矿井遗留的保护性煤柱得到开采，同时深部开采条件极其恶劣的煤炭资源也可得到很好的利用。
2.8.4 煤的气化新技术
煤气化时，60%以上的热能可转化为煤气的燃烧热值，最高可达90%以上。高热值的煤气不仅可以作为气体燃料，也是重要的化工原料。另外，煤气可以通过管道输送，方便且干净。煤气化的优越性是显而易见的。除了对现有的煤气化技术进行改进完善之外，新的、低成本的煤气化技术也正在研究开发之中。
（1）整体煤气化联合循环发电（IGCC，integrated gasification combined cycle）
整体煤气化联合循环发电（IGCC）是把煤气化和燃气-蒸汽联合循环发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。IGCC系统由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气与蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC的工艺过程如下：煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。
IGCC发电技术的特点：①发电热效率高；②环保性能好；③负荷适用性好，调峰能力强；④燃料适用性广；⑤可实现多联产，提高经济效益。
世界上IGCC发电技术正处于第二代技术的成熟阶段，世界各国越来越重视IGCC发电技术。IGCC电站的性能试验规程正在制定，IGCC发电技术已列入我国电力行业“十一五”规划重点跟踪研究的项目。
我国发展IGCC技术的条件正日趋成熟，煤气化技术在我国化工和石化行业已有较长时间的引进和使用业绩，燃机联合循环发电技术国产化率也在不断提高。
尽管以煤为原料的IGCC发电技术，目前还处于成熟和完善期，它的投资还较高，设备利用率还比较低，上网电价还缺乏竞争力，但随着原有技术的不断完善，新技术的不断发展，项目规模的逐步扩大，这些问题都已经或即将得到解决。IGCC发电技术以其高效、清洁、节水、节约空间及综合利用好等优势受到广泛地关注。21世纪大力发展IGCC技术，无论从技术、经济、市场和环境保护等方面都已成熟，并且潜力巨大。
（2）燃煤磁流体（MHD，magnets hydrodynamics）发电技术
磁流体（又称磁性液体、铁磁流体或磁液），是由强磁性粒子、基液（又称媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。
磁流体发电是一种新型的高效发电方式，其定义为当带有磁流体的等离子体横切穿过磁场时，按电磁感应定律，由磁力线切割产生电；在磁流体流经的通道上安装电极和外部负荷连接时，则可发电。
为了使磁流体具有足够的电导率，需在高温和高速下，加上钾、铯等碱金属和微量碱金属的惰性气体（如氦、氩等）作为工质，以利用非平衡电离原理来提高电离度。前者直接利用燃烧气体穿过磁场，称为开环磁流体发电，后者通过换热器将工质加热后再穿过磁场，称为闭环磁流体发电。
燃煤磁流体发电技术亦称为等离子体发电，就是磁流体发电的典型应用，燃烧煤而得到的2.6×106℃以上的高温等离子气体以高速流过强磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，经直流逆变为交流送入交流电网。
磁流体发电本身的效率仅为20%左右，但由于其排烟温度很高，从磁流体排出的气体可送往一般锅炉继续燃烧成蒸汽，驱动汽轮机发电，组成高效的联合循环发电，总的热效率可达50%～60%，是目前正在开发中的高效发电技术中最高的。同样，它可有效地脱硫，有效地控制NOx的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。
在磁流体发电技术中，高温陶瓷不仅关系到在2000～3000K磁流体温度下能否正常工作，且涉及通道的寿命，亦即燃煤磁流体发电系统能否正常工作的关键，目前高温陶瓷的耐受温度最高可达到3090K。
（3）煤的热核气化技术
目前的煤气化方法，只能使部分煤转化成煤气，有相当一部分的煤要作为热源或动力源。如发生炉所需的热量需要燃烧煤来提供，而煤燃烧时必须有空气，导致大量氮气掺入煤气中，从而降低了煤气的热值。如果用纯氧替代空气，虽然能提高煤气的热值，但成本较高。此外，蒸汽动力厂提供煤气发生过程中所需的蒸汽，这也要消耗煤或其他燃料。而热核煤气化技术是用核反应器放出来的热量替代煤作为热源，使煤完全用于气化生产，并可组成核反应器-气化设备-蒸气动力联合装置，是一种很有希望的煤气化方法。