煤气的生产原理和利用

第三章 煤气的生产原理和利用

第一节 焦炉煤气的生产、净化工艺及其利用

焦炉煤气是炼焦用煤在高温炼焦生产过程中的副产品，即烟煤于隔绝空气的条件下在焦炉碳化室内加热至950-1050℃的整个结焦过程中释放出来的气态产物经净化而得到的气体产品。

一：焦炉煤气的生产、原理

伴随着整个结焦过程都会有气态 产物释放出来，但不同时期的气态产物组成和数量是不同的。这与炼焦工艺操作条件如装炉煤性质和配比、加热制度等有关。另外与气态产物的析出路径、影响其停留时间的因素如炉顶空间高度、碳化室高度、单/双集气管等均有关系。

炼焦用煤被装入焦炉碳化室后，在两侧燃烧室内燃烧的煤气的加热过程中，煤炭经过干燥、热解、熔融、固化、收缩变成焦炭。在烟煤干馏的全过程中都有大量的气态产物析出，被称之为粗煤气或荒煤气。1t干煤在炼焦过程中大约可产生净煤气300-350Nm3.

1、 煤热解机理

煤在隔绝空气的条件下被加热，使煤中的有机物质在不同的温度下发生一系列的变化，结果生成了数量和组成不同的气态（煤气）、液态（焦油）和固态（焦炭）产物。炼焦是以煤的热分解

为基础的复杂物理和化学变化过程。煤的热分解主要包括煤中有机物质的裂解，裂解产品中轻质部分挥发及残余部分的缩合、地核反应。

热分解的结果，使煤中对热不稳定的部分---由缩合芳香核组成的煤炭大分子结构上的烷基侧链、官能团及连接单元之间的桥键不断裂解，挥发出煤气和焦油等化学产品；而煤的缩合芳香核大分子本身对热则相对稳定，随着加热温度的提高不断发生缩合、缔合反应，煤分子的缩合芳香核不断稠化，最终形成煤炭。

按照加热温度来划分，煤的热分解过程主要可以分为6个阶段：

干燥阶段：常温-120℃，主要是蒸发脱除煤中游离的外在水分和内在水分。

（1） 脱吸阶段：120-200℃，脱去吸附在煤炭颗粒微孔结构中的CO、CO2和CH4等气体。

（2） 开始热解阶段：200-300℃，发生部分脱羧基反应，有热解水生成和蒸汽，开始分解并释放出CO、CO2和H2S等小分子气态产物，在近300℃时有微量焦油析出。

（3） 胶质体固化阶段：300-550℃，大量析出焦油和煤气，黏结性烟煤经胶质状态转变为 半焦。

（4） 半焦收缩阶段：550-750℃，主要发生半焦热解，析出大量H2，半焦收缩并产生裂纹。

（5） 半焦转变为焦炭阶段：750-1000℃，半焦进一步热分解，继续生成少量H2，最后半焦变为高温焦炭。

2、炼焦过程煤气的析出途径

在高温炼焦过程中，随着胶质体生成、固化和半焦分解、收缩，析出大量的气态

产物。煤热解产物常称为一次热解产物。焦炉煤气通常不是一次热解产物，而是一次热解产物析出后流经高温焦炭层缝隙、炉墙和炉顶空姐是经受高温发生进一步化学变化后的二次热解产物。由于焦炉炭化室内层层结焦，而塑性胶质体的透气性一般较差，大部分气态产物不能穿过胶质塑性层。

里行气：炭化室内干煤层热解形成的气态产物和塑性层内产生的气态产物中的一部分职能向上或从塑性层内侧流向炉顶空间，这一部分气态产物称为“里行气”，约占气态产物的10%-25%。

外行气：约占塑性层内所产生的的75%-90%的气态产物穿过高温焦炭层缝隙，沿焦饼与炭化室炉墙之间的缝隙向上流向炉顶空间，该部分气态产物称为“外行气”。

3、煤热解产生煤气的化学反应

艳梅热解过程中发生的化学反应是非常复杂的，包括煤中有机质的裂解、裂解产物中轻质部分的挥发、裂解残留物的缩聚、挥发产物在析出过程中的分解与化合、缩聚产物的进一步分解与再缩聚等过程。这一过程总体主要可概括为裂解和缩聚两大类反应，产生粗煤气的反应主要是裂解反应。热觉过程对煤气组成贡献较大的二次热解反应主要包括裂解、脱氢、缩合和桥键分解等。

二、焦炉煤气的净化工艺