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人工煤气(Manufactured Gas),简称煤气,是指以煤、石油等固体或液体可燃物为原料,通过干馏、气化或裂解等热加工方式制得的可燃气体。广义的人工煤气包括:气化煤气、干馏煤气、冶金煤气和油制煤气。
1. 气化煤气(Coal Gasification Gas),是指将煤或焦炭在高温下与气化剂(如空气、氧气、水蒸气)发生化学反应生成的可燃气体。主要成分包括一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和少量甲烷(CH₄)。典型的气化煤气包括:发生炉煤气、水煤气和半水煤气等。
煤气化气是将燃料煤经粉碎、加压、裂解制取的可燃气体,是洁净煤利用技术的一种燃烧方式。气化煤气热值比天然气热值低,但其制取方便,可自备设备自行生产,不受运输管线限制,当前是洁净能源利用不可替代的一种可燃气体。煤气化因其诸多优势,被广大工矿企业应用,可用于发电和生活用气。
煤气化技术是生产合成气产品的主要途径之一,通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气,同时副产蒸汽、灰渣等副产品。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。煤气化工艺技术分为:固定床气化技术、循环流化床气化技术、气流床气化技术三大类,各种气化技术均有其各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程度也有差异。
采用的气化剂不同,气化煤气的成分含量也不同:
1.1 发生炉煤气(Producer Gas),是指以煤或焦炭为燃料,在煤气发生炉中与气化剂(空气和水蒸气)通过高温气化制得的可燃性气体。热值较低(约900-1600 kcal/Nm³),常用于工业加热燃料,可直接用于发电。包括:空气煤气和混合煤气。
■ 空气煤气(Air-Producer Gas),是指以空气(主要是其中的氧气)作为气化剂,使空气通过高温的煤或焦炭层进行气化反应间歇式(需维持炉温)产生的气体燃料。由于空气中含有大量氮气,导致生成的煤气中不可燃成分比例高,热值较低。主要可燃成分为CO (33%-37%)、CH₄ (<1%),氢气少量或不含,不可燃成分为N₂ (64%-66%)、CO₂ (0.5%-1.5%)。热值范围:3.8-5.1 MJ/Nm³(或900-1200 kcal/Nm³)。目前已较少使用。
■ 混合煤气(Mixed Producer Gas),是指以空气和水蒸气的混合物作为气化剂,在高温条件下与煤或焦炭通过气化反应连续生产的气体燃料。氢气含量有所提升,但仍受氮气稀释,热值介于空气煤气与水煤气之间。适用于各类工业炉窑,也可用作发电燃料。
混合煤气(空气+蒸汽气化)经脱硫处理后的主要成分是:CO (20%-25%)、H₂ (10%-15%)、CH₄ (0.3%-1%)、CmHn (0.7%-2%)、CO₂ (8%-12%),N₂ (50%-55%)、O₂ (0.1%-0.5%)。热值范围:5.0-6.7 MJ/Nm³(或1200-1600 kcal/Nm³),属于低热值工业燃料气。
1.2 水煤气(Water Gas),即煤制合成气,是指以水蒸气为气化剂,在高温下与炽热的煤炭发生气化反应生成的气体燃料。主要成分为CO和H₂,热值较高,但生产成本高。水煤气是生产合成燃料的原料气,多用于合成甲醇、氢气和合成燃料的原料气,可直接用于发电燃料。
水煤气(蒸汽+焦炭气化)的主要成分是:CO (37%-40%)、H₂ (40-42%)、CH₄ (0.5%-1%)、CO₂ (5%-8%),N₂ (≤1%)。热值范围:10-11.3 MJ/Nm³,属于高热值化工原料气。
1.3 半水煤气(Semi Water Gas),是指以煤或焦炭为燃料,由空气和适量水蒸气交替吹入煤气发生炉制得的可燃气体。兼具空气煤气和水煤气的特点,是工业合成氨中常用的原料气,可直接用于发电燃料。
半水煤气(空气和水蒸气交替吹入发生炉气化)的主要成分是:CO (18%-20%)、H₂ (50%-55%)、CH₄及微量烃类 (0.5%~1%)、N₂ (22%-23%)、CO₂ (5%-8%)、O₂ (<0.5%)。热值范围:9.8-10.5 MJ/Nm³,属于专为合成氨设计的原料气。
2. 干馏煤气(Coal Carbonization Gas),是指将煤在隔绝空气条件下加热分解所产生的可燃性混合气体。干馏过程通常在焦炉或直立炭化炉中进行。主要成分包括氢气(H₂)、甲烷(CH₄)和一氧化碳(CO)等。典型的干馏煤气包括:焦炉煤气、兰炭气和炭化炉煤气。
2.1 焦炉煤气(Coke Oven Gas, COG), 即高温干馏煤气(900-1100℃),又称焦炉气或焦化气,是炼焦工业中煤炭在高温(1000℃左右)干馏过程中产生的副产可燃性气体。属于冶金煤气的一种。其产率和组成因炼焦用煤质量和焦化过程条件不同而有所差别,一般每吨干煤可生产焦炉气300-500 Nm³。经初步冷却和除尘处理得到的是粗煤气(或荒煤气),含有大量的焦油、氨、硫化物、萘和粉尘等杂质。经过净化处理(包括冷却、气液分离、脱硫、脱氨、脱萘、脱苯等)后,得到符合特定质量标准的煤气。净化后的煤气杂质含量大幅降低,是工业和民用的主要燃料。
焦炉气是混合物,其主要成分为氢气(55%-60%)和甲烷(23%-27%),及少量CO (5%-8%)、CmHn (2%-4%)、CO₂ (1.5%-3%)、O₂ (0.3%-0.8%)、N₂ (3%-7%)。其中氢气、甲烷、一氧化碳、C2以上不饱和烃(CmHn)为可燃组分。由于可燃成分多,热值:17-18.25 MJ/Nm³(或4,063-4,362 kcal/Nm³),属于中高热值煤气。
2.2 炭化炉煤气(Retort Gas),即中温干馏煤气(700-900℃),是指煤、油页岩、木材或其他含碳物质在隔绝空气条件下,通过干馏炉加热(850℃左右)热解所产生的可燃性气体。该工艺常采用连续式直立炭化炉(如伍德炉),广泛应用于煤炭提质、木炭生产及生物质资源化利用等领域。该类煤气不适合直接作为民用管道燃气使用,但可满足工业发电燃料需求。经过净化处理后,可作为城市燃气使用。木质气详见气体生物燃料--生物质热解气。
炭化炉煤气的成分因原料种类、炭化温度和工艺条件不同而有所差异,连续式直立炭化炉典型组分为:甲烷(56.0%)、一氧化碳(18.0%)、氢气(17.0%),少量二氧化碳(1.7%)、氮气(5.0%)及乙烯(C₂H₄)等。低位热值:16.3 MJ/Nm³(或3900 kcal/Nm³),属于中热值燃气。
2.3 兰炭气(Semi Coke Gas),即低温干馏煤气(500-600℃),是指在600℃的炼焦炉中将煤进行干馏,生产半焦(即兰炭)的副产可燃气体。低温干馏兰炭窑每生产1吨兰炭将产生600-700 Nm³左右的兰炭气。可用作发电燃料。中国标准: GB/T 25211-2023《兰炭产品分类及质量要求》。
兰炭气的主要成分为氢气(12%-28%),甲烷(8.8%-17%),一氧化碳(8%-12%),不饱和烃(1%-3%),氮气(45%-50%),氧气(0.3%-0.8%),二氧化碳(2%-6%),硫化氢(<0.5%)。兰炭气热值:6.73-8.43 MJ/m³(或1,609-2,017 kcal/Nm³),属低热值气体燃料。
3. 冶金煤气(Metallurgical by-product gas), 是指钢铁冶炼过程中产生的含一氧化碳的可燃混合气体。其包含焦炉煤气这一重叠类别,还包括高炉煤气、转炉煤气和电炉煤气等。
3.1. 转炉煤气(Linz-Donawitz Gas, LDG), 是指氧气顶吹转炉炼钢过程中,铁水中的碳和氧气作用后产生的可燃气体。炼1吨钢大约能回收60Nm³的转炉煤气用于余热锅炉,产生的蒸气基本可以满足冶炼1吨钢所需氧气消耗的热量及转炉辅助设备所需能量。转炉煤气中不含硫,含氢量也很少,是一种非常理想的燃料和化工原料。
转炉煤气的主要可燃成分一氧化碳含量高60%-80%,其他二氧化碳15%-20%,以及氮、氢和微量氧。热值:6,200 kJ/Nm³左右。属于低热值的气体燃料。
3.2. 高炉煤气( Blast Furnace Gas, BFG), 是指高炉炼铁生产过程中副产的可燃气体。高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关,现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺,采用这些先进的生产工艺提高了生产率并降低能耗,但所产的煤气热值更低,增加了利用难度。可以用于冶金企业的自用燃气,如加热热轧的钢锭、预热钢水包和发电等。如果加入焦炉煤气混合就提高了热值。
高炉煤气的成分为一氧化碳23%-30%、氢气2%-4%、烃类0.2%-0.5%、二氧化碳12%-15%、氮气51-56%及少量的二氧化硫。它的含尘浓度10-50 g/Nm³,粉尘粒径在500 μm以下,主要是铁、氧化亚铁、氧化铝、氧化硅、氧化镁和焦炭粉末。热值仅为3,500 kJ/Nm³左右,属于低热值的气体燃料。
人工煤气发电气源要求:
1. 燃气热值 ≥ 4.0 MJ/Nm³(非增压机型);燃气温度(进机) ≤ 40℃。
2. 燃气压力 2.5-10 kPa;压力变化率 ≤ 1 kPa/min。
3. 氢气体积含量 ≤ 60%(非增压机型);氢气体积含量 ≤ 20%(增压机型)。
4. 氧气体积含量(含氢气体中) ≤ 1%。
5. 水分含量 ≤ 40 g/Nm³,不含游离水。
6. 粉尘粒度 ≤ 5 μm;粉尘含量 ≤30 mg/Nm³。
7. 焦油含量 ≤ 50 mg/Nm³。
8. 硫化氢含量 ≤ 50 mg/Nm³;硫总含量 ≤ 100 mg/Nm³。
9. 氨含量 ≤ 20 mg/Nm³;
10. 苯含量 ≤ 50 mg/Nm³;
11. 萘含量 ≤ 50 mg/Nm³。
12. 卤素化合物 ≤ 50mg/Nm³。
