人工燃气主要是指利用
煤气化制成的
燃气。城市燃气发展的初期使用的气源就是人工燃气,包括干馏煤气、气化煤气和油制气。
煤在高温干馏过程中产生的气体,称之为
干馏煤气,常见的有焦炉煤气、伍德炉煤气等。干馏煤气是煤在高温缺氧环境下分解时的产物。煤料在炭化室受热时,首先释放出水蒸气及吸附在煤粒表面的CO2,CH4等气体。当温度升高到200℃以上时,煤开始分解,这时最易分解的短侧链形成了CO2及CO,产率也不高。这一阶段的上限温度及煤气生成量因煤种不同而异,对焦煤来说,终了温度为200~400℃,逸出的煤气量,为正常高温干馏时生成总煤气量的5%~6%。
自400℃左右开始,煤进行剧烈的分解,这时煤气逸出量大大增加。当温度达到500~550℃时,其逸出量为总煤气量的40%~50%,CH4含量高达45~59%,而氢含量较低,为11%~20%,并有较多的重碳氢化合物。在这一阶段内形成的氢是煤的
环状化合物脱氢时的产物,而甲烷则是低温焦油内石蜡族碳氢化合物分解作用的结果。因此,这阶段内煤气不仅来自煤的一次热解,而且还来自二次热解,因为焦油已是一次热解产物。
600℃以上时,基本上不再产生焦油,但自半焦中仍大量产生煤气。至700℃左右时,产生的煤气量急剧增加,其逸出量为煤气总生成量的40%左右。这阶段内煤气组成的特征是H2含量很高。
图1给出了炭化室中煤气组成随着温度变化的情况。由图可以看出,煤气中CH4及其同系物、CO2的含量是随着温度的升高而降低,而H2及CO含量是随着温度升高而增加,重烃含量在800~900℃时达到最大值,此后开始下降。高温干馏时所生成的煤气组成,在一定范围内和煤料性质有关。资料说明,煤中氧含量愈高,则煤气中水蒸气、CO2和CO含量也愈增加。
固体燃料的汽化过程是一个热化学过程。它是以固体燃料(煤或焦炭等)为原料,以O2(空气、富氧成纯氧)、水蒸气或氢气等作汽化剂(或称汽化介质),在高温条件下通过化学反应将固体燃料转化为气体燃料的过程。汽化时所得到的可燃气体称为汽化煤气,其有效成分包括CO,H2,CH4等。汽化煤气亦可用作城市燃气、工业燃气和化工原料气。
煤的汽化过程是在
煤气发生炉(又称汽化炉)中进行的。发生炉是由炉体、加料装置和排灰装置等三大部分构成的。
汽化原料(煤或焦炭)由上部加料装置装入炉膛,原料层及炉渣层由下部炉栅支撑,汽化剂由下部送风口进入,经炉栅均匀分配,与原料层接触而发生汽化反应。反应生成的汽化煤气由原料层上方引出,汽化反应后残存的炉渣由下部灰盒排出。水夹套防止炉体受高温并回收炉体散热。
在发生炉中,原料与汽化剂逆向流动,汽化剂由炉栅缝隙进入炉渣层,接触热炉渣后被预热,然后进入炉渣层上区的氧化层(又称燃烧层)。这里,汽化剂中的O2与原料中的C作用(即碳燃烧),生成CO2和少量CO。生成气体与未反应的汽化剂一起上升,与上面炽热的原料相遇,碳被还原,CO2与H2O被还原为CO和H2,该层称为还原层。还原层生成的气体和剩余的未分解的水蒸气一起继续上升,加热上面的原料层,使原料进行干馏,该层称为干馏层。该层上部的原料即为干馏产物半焦或焦炭。干馏气与下部来的气体混合即为发生炉煤气。煤气经过最上面的原料层将原料预热并干燥后进入发生炉上部空间,温度下降,由发生炉的煤气出口引出。
用石油及其产品生产的燃气称为油制气。石油或石油产品通常为重碳氢化合物,通过热裂解法和催化裂解法可以将分子量很高的组分裂解为低分子量的碳氢化合物和H2。油制气通常用来作为城市燃气的补充气源,特别是以人工燃气作为城市燃气主要气源的城市。