煤的氣化（Coal gasification）

煤的氣化（Coal gasification）
國立新莊高級中學陳偉民退休教師

煤的氣化是產生煤氣（coal gas）的過程。煤氣是一種來自煤炭的合成氣（syngas），是由一氧化碳（CO）、氫氣（H₂）、二氧化碳（CO₂）及水蒸氣（H₂O）組成的混合物。煤氣是可燃的氣體，在古代歐洲被當成能源，在人類大規模生產天然氣之前，曾作為都市照明及暖氣之用。由煤的氣化製得的氫氣有各種用途，例如製造氨（哈柏法）、當作能源（如氫燃料電池），或重組化石燃料（例如使芳香烴或烯類進行氫化反應，變成環烷類或烷類）。煤氣的另一個用途是將其經由費雪－闕布希法（Fischer-Tropsch process，可將一氧化碳與氫氣製成液態烴類的一系列化學反應）的額外處理，製成運輸用燃料，如汽油和柴油。

製程

在氣化過程中，將氧氣和水蒸氣吹送向煤炭，同時要加熱（某些情況還需要加壓）。如果煤被外部熱源加熱，此種製程稱為「異熱」。而「自熱」法是利用氣化器內部發生的放熱化學反應加熱。有一點很重要，氧化劑的量必須少到不足使燃料完全氧化（燃燒）。在上述反應發生時，氧氣與水分子氧化煤炭，並產生含有二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、水蒸氣（H₂O）及氫分子（H₂）的氣態混合物（某些副產品如煤溚、酚等，也可能是最終產物，視其使用何種特定製法而定）。本製程曾在煉煤廠或天然礦層原地進行（稱為地下煤氣化）。人們想得到的最終產品是合成氣（也就是H₂ + CO的組合），但產生的煤氣可能更進一步精煉，以產生更大量的H₂：

3 C (煤炭) + O₂ + H₂O → H₂ + 3 CO

如果煉煤廠想生產烷類（也就是存在於天然氣、汽油及柴油中的烴），在這種狀態下的煤氣就被收集起來，引導至費雪－闕布希反應器中。如果希望以氫氣為最終產物，煤氣（主要是CO）會進行水煤氣轉化反應（water-gas shift reaction），利用其與水蒸氣更進一步反應，會產生更多氫氣：

CO + H₂O → CO₂ + H₂

雖然還有其他煤炭氣化技術，不過涉及的化學反應都相同。品質較差的煤（如「褐煤」）含有相當份量的水，某些技術在進行本反應時不須額外添加水蒸氣，反應物只要煤（碳）和氧氣。除此之外，某些煤的氣化技術不需要高壓。某些使用粉末狀的煤作為燃料，而其他的技術則使用較大塊的煤。在各種氣化技術中，吹送氣氣和水蒸氣的方式也各不相同。

「直接吹氣法」令煤與氧化劑由反應管道的不同入口端送入，並互相接近。在本法中，氧化劑越過焦炭以及（更可能是）灰而抵達反應區，在那裡與煤交互作用。接下來，產生的高溫氣體穿過燃料，加熱燃料，同時吸附燃料熱分解的某些產物，如煤溚或酚。因此，氣體在使用於費雪－闕布希法之前，必須先加以精煉。精煉後的產物有高度毒性，必須有特殊設備才能應用。結果運用上述技術的工廠，必須有非常大的規模才能提高經濟效率。

「逆吹氣法」（比前項方法更早發明）令煤與氧化劑由反應管道的同一入口端送入。本法中，煤與氧化劑在抵達反應區之前沒有化學反應。在反應區產生的氣體通過氣化反應的固態產物（焦炭和灰），而氣體中所含的CO₂和H₂O，進一步用化學方法恢復成CO和H₂。和「直接吹氣法」相比，這些氣體中不含有毒的副產物。

.

參考資料：

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Coal_gasification

2. http://www.fischer-tropsch.org/primary_documents/patents/US/us1746464.pdf