学文网摘 要：煤的气化过程实质上就是通过控制供氧量，使煤通过部分氧化反应，转化成具有一定潜在化学能的气体燃料的过程。煤的气化技术可以说是未来煤洁净利用技术的基础，被认为是最清洁的煤转化利用方式，他能够达到充分利用煤炭资源的目的。
关键词：煤的气化 煤化程度 内在矿物质 煤焦孔隙结构 催化剂 煤岩显微组分
煤的气化过程是一个热化学过程，它以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧空气或纯氧气）、水蒸气或氢气为气化剂，在高温下，通过部分氧化反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料的过程。煤的气化过程实质上就是通过控制供氧量，使煤通过部分氧化反应，转化成具有一定潜在化学能的气体燃料的过程[1]。
煤的气化技术可以说是未来煤洁净利用技术的基础，被认为是最清洁的煤转化利用方式。同时，煤的气化产物在电力生产、城市供暖、燃料电池、液体燃料和化工原料合成等方面有着极其重要的应用，能够达到充分利用煤炭资源的目的，因而煤的气化技术也就理所当然地成为未来洁净煤技术中的核心。
从物理化学过程来看，煤的气化包括以下几个阶段：煤炭干燥脱水、热解脱挥发份、挥发份和残余碳（或半焦）的气化反应[2]。
在整个过程中，当煤粒温度升高到350～450℃时，开始发生煤的热解反应，有挥发份（焦油、煤气）析出，从宏观上看，煤的热解反应如下：
煤CH4+CMHN+焦油+（CO、H2S、H2）+焦炭或半焦
煤的气化反应是热解生成的挥发份、残余焦炭颗粒与气化剂发生的复杂反应。与燃烧过程中保持一定量的氧气相反，气化反应是在缺氧状态下进行的，因此煤气化反应的重要产物是可燃性气体CO、H2和CH4，小部分CO2，可能还有少量的水。
煤中存在的其他元素如硫、氮等，能够与还原性气化剂发生反应生成H2S、COS、N2、NH3以及HCN等污染物，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。虽然这些物质量很少，但将直接影响后续的煤气净化和提纯加工过程，因此，必须尽量除去。以下介绍几种影响煤气化的主要因素。
1 煤化程度对煤气化的影响
煤化程度是影响煤气化反应速率的重要因素。张林仙等[3]考察了中国不同地区不同煤化程度的六种典型无烟煤的气化活性，实验表明，无烟煤焦与水蒸气气化反应的活性与无烟煤的煤化程度相对应，无烟煤煤化程度越高，水蒸气气化反应活性越低，这是因为随着煤变质程度的增加，煤中碳含量增高，氢和氧含量减少，煤基本单元中的缩合芳香烃结构增多，脂肪烃结构减少，石墨化程度增高，因而导致气化反应性随煤化程度的增加而降低。文献[4，5]也得出了相同的结论。但也有学者认为煤阶对气化反应性的影响还不是很明确。Takayuki[6]认为低煤化程度煤种的气化反应性不一定总是高于高煤化程度的煤种，煤焦的反应性不仅与煤阶有关，还和煤焦中含氧官能团和无机化合物的含量有关，随着煤化程度的增加，煤的微观结构、表面特性将发生变化。此外，煤焦的氧化程度也会影响半焦的反应性。Teresa等[7]首先对三种烟煤进行氧化处理，然后对其反应活性进行对比和研究，试验发现，这种氧化过程可以提高其气化反应性，氧化温度越高，时间越长，越有利于气化反应的进行。他认为这是由于氧化过程使煤焦具有了更多的可被接近的比表面，提高了反应比表面的比例。
2 内在矿物质对煤气化的影响
煤中的矿物质在气化过程中起着重要的作用[8]：①催化气化中期的热缩聚反应，使气化产物的比表面积降低；②催化气化后期烷基脱氢反应，使气化产物的比表面积增大；③矿物质是一种分散剂，以物理作用形式阻止熔融胶质体的接触并形成气泡中心，使气化产物孔结构增多，比表面积增大；④矿物质在非熔融或熔融性较差的煤气化过程中不具有分散作用，而是起堵孔作用。
诸多研究表明，煤中矿物质或灰分中的碱金属、碱土金属和过渡金属元素具有催化作用。熊杰等[9]用X射线衍射技术考察了碱金属对煤焦微晶结构的影响，结果表明：碱金属对煤的热解和气化阶段都有影响。在热解阶段，碱金属的存在抑制了煤焦的石墨化进程，降低了热解反应活化能，促进了热解反应的进行；在气化阶段，作为催化剂的碱金属，降低了气化反应活化能，延长了反应速率达到最大值的时间。卫小芳等[10以水蒸气作为气化剂，采用热重法在900℃～1000℃条件下研究了脱碱金属煤外加不同浓度NaCl和NaAc的水蒸气气化反应性，研究结果表明：外加碱金属的形态及温度对其在气化反应中的催化作用有较大的影响，且外加的碱金属均能够降低气化反应过程的活化能，NaAc具有显著的催化作用，并且随着温度的升高而增强；NaCl的催化作用较弱，固此对高NaCl含量煤可进行洗涤，改善气化过程的操作性。
煤中矿物质所含的碱金属和碱土金属对气化有正催化作用，但大部分在1000℃以下挥发[11]，而少量残留在灰中的碱金属和碱土金属作为平衡硅酸盐电价的阳离子插入到层状或架状硅酸盐结构中，因此在1000℃以上的气化当中很难起到促进作用。白进等[12]利用XRD对l100℃～1500℃高温下矿物质在弱还原气氛中的变化进行考察，实验发现：高温下部分无定形矿物质发生熔融，主要为硅铝酸盐，在煤焦二氧化碳气化过程中，熔融的硅铝酸盐与煤焦表面接触，与碱金属生成无催化作用的非水溶性化合物，降低了碱金属的催化作用，从而阻碍了气化反应的进行。此外，硫是对气化反应最为有害的元素，因为它可以与过渡金属如铁元素形成稳定的硫铁化合物，从而抑制催化反应或者使催化剂彻底失活。
3 煤焦的孔系结构对煤气化的影响
在气化过程中，煤焦的孔结构对气化剂的扩散和煤焦可用的内表面积有很大的影响。因此，在煤气化过程中，煤焦的微孔结构与微晶结构的研究显得十分重要。Feng等[13]采用Ar吸附和CO2吸附方法研究煤焦与空气和CO2气化时孔结构的变化情况，结果发现：随着碳转化率的变化，煤焦在空气气化时，比表面积和微孔体积基本不变，而与CO2气化时，煤焦的比表面积和孔体积则有较大的改变。张林仙等[14]通过研究常压、1000℃下无烟煤焦-CO2/H2O的气化反应性与微孔结构变化之间的关系，发现：水蒸气和CO2都能促进无烟煤微孔的产生和扩展。无烟煤焦水蒸气气化反应性与煤焦微孔比表面积成正比，而其CO2气化反应性与煤焦微孔比表面积不存在依存关系，煤中矿物质对其气化过程中的孔结构变化没有影响。
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