第一章基本概念。
第一节煤。一、煤的概念。
煤是由古代植物转变而来的大分子有机化合物。大量堆集的古代植物残体，经过漫长的生物化学和地热、高温的作用，植物中的碳、氢、氧以二氧化碳、水和甲烷的形式逐渐放出而生成含碳较多，含氧较少的成煤植物，再经煤化作用生成煤。
二、煤的分类。
成煤植物的所有组分都参与煤的形成。由于成煤植物和煤化程度不同而生成不同种类的煤。有泥炭(不适于用作工业原料)、褐煤、烟煤和无烟煤。
三、煤的组成。
煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其中的主要元素。煤中的碳含量随煤化程度增加而增加。年轻的褐煤含碳量低，烟煤次之，无烟煤最高。
氢和氧含量随煤化程度加深而减少；褐煤最高，无烟煤最低，烟煤居中。氮在煤中的含量变化不大。硫则随成煤植物的品种和成煤条件不同而有较大的变化，与煤化程度关系不大。
近代概念认为，煤的大分子是由若干结构相似的基本结构单元通过桥键结合而成。基本单元为主体为缩合的芳香核，单元中的非芳香核部分为杂环、氢化芳环脂肪族基团、含氧官能团和烷基侧键。煤没有统一的分子式和分子量。
因而不能像描述单一化合物那样来描述煤的性质。
煤中水分和灰分影响煤的使用。水分和灰分除与成煤条件有关以外，还与开采、储存、运输等条件有关。
煤加热到一定温度时会析出气体和焦油等挥发性物质，扣除水分则为煤的挥发分。挥发分是煤的一项重要指标，它与煤化程度有关，褐煤的挥发分可在35％以上。挥发分和含碳量与有机质的组成和性质有关。
直接测定煤中的有机质是困难的。但对煤进行工业分析和元素分析，再配合其他特性测定(如热值、粘结性、胶质层厚度、活性等)，可以基本掌握煤的性质，判断煤的种类和加工利用的效果。表(1—2)列出本厂用煤的工业分析和元素分析数据。
煤的水分和灰分含量变化很大，同一种煤的分析结果用不同的基准表示差别很大。中国现行煤炭分析采用的基准和它们的见下表。
表1—1 中国现行煤炭分析基准。
中国煤炭基准之间的关系。
表中：mt——全水分，％；
mf——外在水，％；
minh——内在水，％；
st——煤中全硫；
so——有机硫，％；
sp——硫化铁硫，％；
ss——硫酸盐硫，％；
c，h，o，n——分别为煤中碳、氢、氧、氮元素；
a——煤中的灰分，％；
常见的各种煤元素分析：
表1—2 我厂用煤的工业分析和元素分析。
四、灰分。灰分（a）的化学组成及性质：
煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在高温下产生分解、化合等复杂反应后剩下来的残渣。是金属和非金属的氧化物和盐类，最常见的是钙、镁、铁等的碳酸盐，钾、镁等的硅铝酸盐，钙、铝、镁、钠、钾等的硅酸盐，硫酸盐(石膏)，硫化物(黄铁矿等)，食盐及氧化亚铁等。根据煤中矿物质的不同**，可分为三类。
原生矿物质：成煤植物本身所含的矿物质，在煤中含量不高。
次生矿物质：在成煤过程中，由外界逐渐进入到煤中的矿物质，在煤中含量一般也不高。
外来矿物质：这种矿物质原来并不存在于煤层中，它是在采煤过程中混入煤中的顶底板和夹石层的矿石所形成。这种矿物质用洗选方式较易除去。
灰分在煤燃烧过程中是这样生成的：
粘土～石膏等失水：
sio2·al2o3·2h2o——→sio2·a12o3+2h2o
caso4·2h2o—→caso4+2h2o碳酸盐受热分解，放出二氧化碳：
caco3——→cao+co2↑
feco3——→feo+co2↑氧化亚铁氧化生成氧化铁：
4feo+o2—→2fe2o3黄铁矿氧化生成二氧化硫和氧化铁：
4fes2+11o2——→2fe2os+8so2
高温下，黄铁矿被氧化生成的一些so2可以留在煤灰中，与钙结合。例如，它与煤中caco3或灰中的cao与氧作用生成硫酸钙，其反应式如下：
2caco3+2so2+o2——2caso4+2co2↑
五、灰熔点。
煤灰的熔融性是与煤灰化学组分密切相关的重要指标，习惯上以煤灰熔点来表示。实际上这种混合物并没有一个准确的熔点，仅有一个熔化温度范围。
常用的测定煤灰熔融性的方法有熔点法(角锥法、高温热显微镜法)和熔融曲线法。但大多数国家以角锥法作为标准方法。即将煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角锥体，放在特殊的灰熔点测定炉内以一定的升温速度加热，观察并记录灰锥变形情况，以确定灰分的熔点。
当灰锥体受热至尖稍微熔化开始弯曲或棱角变圆时，该温度即为最初变形温度t1(dt)(本厂1000℃)；继续加热，锥体弯曲至锥尖触及托板，锥体变成球形或高度≤底长的半球形时，此时已达到软化温度t2(st～ht)（本厂1060～1120℃）；最后当灰锥体完全熔化，而且有很大流动性，展开成薄层时，即达到灰分的流动温度或熔点t3(ft)（本厂1170℃）。t1，t2，t3的灰锥熔融特征见图。通常t1到t2这一温度范围即为煤灰的软化范围，将t2到t3这一温度范围称为煤灰的熔化范围，固定床和流化床(沸腾床)气化炉一般以煤灰的软化温度t2作为衡量其熔融的主要指标，而气流床气化炉则以t3为主要指标。
一般按照灰分的熔融温度t3可分成四组，即为：
易熔的灰分，熔点≤1100℃；
中等熔融灰分，熔点在1100～1250℃；
难熔的灰分，熔点在1250～1500℃；
耐熔的灰分，熔点在1500℃以上。
灰熔点的范围除准确测试外，还可以用下列公式粗略地加以计算。
灰熔点(软化点)：
t＝19al2o3+15(sio2+fe2o3)+10(cao+mgo)+6(fe2o3+na2o+k2o)
分子式表示灰分的百分含量去掉百分号。在固定层煤气炉中，灰熔点低的原料，易熔融结块，影响气流分布。还减少气化剂与燃料的接触面积，不利于气化，因此必须选用熔点高的原料。
而气流床气化炉则恰恰相反，由于是液态排渣，故希望灰熔点低。一般操作温度为t3+50～100℃。
表1—3 灰分中各种混合物的熔点。
六、粘温特性。
灰渣的粘温特性是指融渣的粘度与温度之间的关系。气流床液态排渣的操作极限，应控制融渣粘度小于25pa·s(250p)。一般认为应控制融渣粘度小于1pa·s(250p)，如果大于10 pa·s(250p)就要考虑加入助熔剂。
在水煤浆中加入cao或fe2o3可改善融渣的粘温特性，这是因为cao在灰渣中作为氧化剂，破坏了硅聚合物的形成，从而使液态融渣的粘度降低。但是，当cao添加量超过30%时，融渣顺利流动的范围反而缩小，融渣的粘度随gao添加量的升高而升高。这是因为，添加大量的cao后，灰渣中高熔点的正硅酸钙（熔点2130℃）生成量增加，而使灰渣的熔点升高。
所以，添加剂的加入量也不要太高，应根据不同煤种经实验试烧后确定。
第二节水煤浆。
一、水煤浆的概念。
水煤浆是粉煤分散于水介质中所形成的固液悬浮体。如欲提高水煤浆气化的技术经济效益，必须首先制备出高浓度(含固量)、低粘度、易泵送和稳定性好的煤浆。水煤桨中固体颗粒直径大多大于20μ，属于粗分散体系，而且是一个不均匀的、动力不稳定的体系，存在着重力沉降问题。
特别是在流速较低或静止的情况下，由于重力作用，该体系随时间而发生变化，其结果是在煤水悬浮体中分成上层低浓度(或水)和下层高浓度(或沉积物)两部分。当外力作用(如强烈搅拌)下，分界层面会逐步消失而再次形成较均匀和较稳定的固液悬浮体系。这种现象称为触变现象。
作为牛顿流体的显著特征是粘度不随剪切速率(搅拌速度)的变化而变化。而水煤浆的重要特征之一，是粘度不是定值，是随速度梯度(剪切速率、搅拌速率)而发生变化的。这与作为牛顿型流体的纯水相比，显然偏离了牛顿规律，因此水煤浆属于非牛顿流体。
（水煤浆粘度随浓度的变化示意图如下：）
二、煤的粒度分布及控制。
对于给定煤种，水煤浆浓度主要取决于煤的粒度分布及添加剂的应用。粉煤粒度分布，目前主要沿用rosin和rammler在30年代提出的以下经验关联式。
式中：r——比粒度或筛孔以上煤粒的重量分率；
x——筛孔径，μm；1μm＝10-6m
b或x0和n——常数。
对上式取二次对数，则得以下线性方程。
显然，n是直线的斜率，而b或x0可从1nx＝0时直线在轴上的截距求得。
对原式进行微分；则得到：
这就是煤粉的粒度分布曲线方程式。
三、添加剂的使用。
添加剂的使用比控制粒度配比更具有实用意义，添加剂可以显著地降低水煤浆的粘度，或者提高水煤浆的浓度。添加剂的作用是提高煤粒的亲水性，使煤粒表面形成一层水膜，从而容易引起相对运动，提高煤浆的流动性。但是，添加剂加入后往往会影响煤浆的稳定性。
在实际制备过程中，有时添加两种添加剂，能同时兼顾降低粘度和保持稳定性的双重目的。
第二章国内外煤气化技术。
一、国内外的煤气化技术简介。
目前国内外的煤气化技术不下十几种，国外技术主要有：德士古水煤浆气化技术、壳牌粉煤气化技术、鲁奇碎煤加压气化技术、循环流化粉煤气化技术、gsp煤气化。国内技术主要有：
固定层间歇气化技术、固定层富氧连续气化技术、灰融聚粉煤气化技术、间歇流化床粉煤气化技术、恩德粉煤流化床气化、新型水煤浆煤气化等。
1、国外技术。
1）鲁奇碎煤加压气化。
鲁奇碎煤加压气化技术产生于20世纪40年代，是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术，运行中的气化炉达数百台。鲁奇气化炉生产能力大、煤种适应性广，主要用于生产城市煤气。生产合成气的厂较少。
我国云南解化集团和山西天脊集团采用该技术生产合成氨，解放军化肥厂为年产产15万吨合成氨，山西天脊集团为年产30万吨合成氨。但鲁奇气化炉生产合成气时，气体成分中甲烷含量高（8-10%），且含焦油、酚等物质气化炉后需设置废水处理及**、甲烷分离转化等装置，用于合成气生产流程长、投资大，因此，单纯生产合成气较少采用鲁奇气化炉。
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