把煤变成气

进去的和出来的

气化炉吃进去的是煤、水和氧，吐出来的是一种气和一种渣。美国国家能源技术实验室（NETL）有一个设计算例：每进 1 千⁠克煤，同时还要进 0.41 千⁠克水和 0.81 千⁠克含氧气体，从炉子里出来的则是 2.11 千⁠克粗合成气和 0.11 千⁠克渣（本页按它的物流表计算）。

粗合成气主要是一氧化碳和氢。这两种气还能再烧，也能合成别的东西：氢、氨、甲醇，再往下是燃料和塑料。

台前是几块烟煤和一碟渣。渣是煤里的灰：矿物在炉里熔化，流下来，遇水凝成黑色的玻璃粒。

每千克煤：水 0.41 千⁠克、含氧气体 0.81 千⁠克 → 粗合成气 2.11 千⁠克、渣 0.11 千⁠克

一个放热，一个吸热

碳和氧结合成一氧化碳的时候放出热量：每摩尔约 110 千⁠焦。碳和水蒸气生成一氧化碳和氢，却要吸进热量：每摩尔约 131 千⁠焦（按 JANAF 热力学表计算）。

两个反应在同一个炉膛里进行。放热的那个让炉子保持在一千多摄氏度，吸热的那个把水里的氢放了出来。碳要是一直烧成二氧化碳，每摩尔放出约 394 千⁠焦，炉子更热，可出来的气里能用的就少了。

炉顶的喷嘴把煤浆和氧一起往下喷进炉膛。NETL 的算例里，炉膛在 5.6 兆⁠帕、1,316 °C 下运行。

C + ½O₂ → CO：−110.5 千⁠焦 · C + H₂O → CO + H₂：+131.3 千⁠焦 · C + O₂ → CO₂：−393.5 千⁠焦

只给不到四成的氧

要把 1 千⁠克这种煤烧完，需要约 2.01 千⁠克氧；NETL 的算例里却只给了 0.76 千⁠克，不到四成（本页计算），落在了 NETL 写的“理论氧量的 25⁠–⁠40%”之内。氧不够，碳就停在一氧化碳，氢就停在氢，不再变成二氧化碳和水。

氧来自旁边的空气分离装置，送进炉子的气里 95% 是氧，其余是氩和氮。要是改用空气，同样多的氧会带进将近四倍的氮：按同一算例，粗合成气里约 46% 会是氮（本页计算），既要白白加热，又冲淡了产品。

煤先磨碎，和水混成煤浆，用泵打进喷嘴。算例里，干煤约占煤浆的 63%（本页按物流表计算）；煤浆里的水，在炉里就成了反应要用的水蒸气。

烧完需氧 2.01 千⁠克 · 实给 0.76 千⁠克，约 38% · 氧纯度 95% · 用空气：约 46% 是氮

砖砌的炉膛

NETL 写道，这种气化炉是一个衬着耐火材料的高压燃烧室。煤浆和氧从炉顶的喷嘴向下喷进来，在一千二三百到一千四百多摄氏度下反应，几秒钟就走完炉膛，98% 以上的碳变成了气。

贴着火的一层是高铬砖：氧化铬耐高温，被熔渣溶蚀得也慢。它后面还有背衬砖和隔热层，挡住热，让钢壳保持在钢能承受的温度。熔渣渗进砖里，砖就一层层剥落：最受冲刷的地方，衬里可能 90 天就得换，一般是 10⁠–⁠18 个月；美国 Polk 电站为了让它用到两年，把炉温调低了，碳转化率也跟着降。

模型的炉子画得比真实的宽一倍左右，砖层也画得少而厚。炉膛里的橙色是热的示意，越靠近喷嘴的射流越亮。

停留几秒 · 碳转化 98% 以上 · 高铬砖的衬里：90 天到两年换一次

灰变成玻璃

炉里的热把煤里的灰熔成液体。熔渣沿着炉壁往下流，流过炉底的喉口，和气一起落进下面的激冷室。

激冷室里，下降管把气和渣插进一池水里。气从水里冒上来，在 NETL 写的激冷方案里约冷到 289 °C，从侧面出去；渣在水里凝成玻璃粒，沉到底。NETL 写道，这些固体是几乎全部的灰加上少量没烧掉的碳，“呈玻璃态，把其中的金属完全包住”。

渣经过下面的锁斗放出：锁斗夹在两道阀之间，上面的阀开、下面的阀关时，渣落进来；换过来，渣再落出去，炉里的压力不泄。按 NETL 的物流表，煤里约 98% 的碳进了气，其余留在渣里（本页计算）。浸出试验显示这种渣几乎不浸出，可以算作非危险废物；汞这样易挥发的金属不进渣，要在净化气时去掉。

每千克煤约 0.11 千⁠克渣：灰 97 克，没烧掉的碳约 13 克 · 激冷到约 289 °C

一氧化碳和氢

NETL 算例里，1,316 °C 下刚出炉的粗合成气，按摩尔算约 36% 是一氧化碳、34% 是氢、14% 是二氧化碳、14% 是水蒸气，其余是硫化氢、氩、氮、氨和一点甲烷。氢和一氧化碳之比约 0.95（本页计算）。

合成气不是天然气：天然气主要是甲烷，合成气主要是一氧化碳和氢，甲烷只有约 0.1%。NETL 写道，合成气的热值是每立方英尺 250⁠–⁠400 英热单位，天然气约 1,000。合成气的用处，主要是拿来合成别的东西。

这几种气之间还会互相转换：温度越低，越多的一氧化碳和水蒸气变成二氧化碳和氢。NETL 这股气的配比，相当于在约 840 °C 而不是 1,316 °C 下达到这种平衡（本页按 JANAF 计算）。

CO 35.8% · H₂ 34.1% · CO₂ 13.8% · H₂O 13.7% · H₂S 0.7% · CH₄ 0.1%（NETL，出炉，湿基）

洗掉灰，取出硫

激冷后的气进洗涤塔，用水洗掉剩下的细灰、氯化物和氨。煤里的硫在炉里大多变成硫化氢，3⁠–⁠10% 变成羰基硫；接着把羰基硫水解成硫化氢，再把气冷下来，进吸收塔，用 Selexol 这样的溶剂把硫化氢吸走。

吸出来的硫化氢送进克劳斯装置，一部分烧成二氧化硫，再和剩下的硫化氢反应，变成单质硫。NETL 写道，克劳斯装置本身约回收 98%，加上尾气处理约 99.8%。

这种煤含硫 2.51%，每千克煤约 25 克硫（本页计算）。烧煤的电厂要从烟气里去硫；气化厂是在气还没烧之前、体积小得多时把它取出来。

洗涤 → 羰基硫水解 → 吸收硫化氢 → 克劳斯装置出硫磺 · 全流程约 99.8%

把一氧化碳换成氢

出炉的合成气里，氢和一氧化碳差不多一样多：NETL 算例里约为 0.95 比 1（本页计算）。做甲醇，按反应式要两份氢配一份一氧化碳；做合成氨，要的只是氢。

办法是水煤气变换：一氧化碳和水蒸气在催化剂上反应，变成二氧化碳和氢，同时放出热量：每摩尔约 41 千⁠焦，温度越低越偏向氢。煤气化厂常用一种耐硫的钴钼催化剂，放在洗涤塔后面，进气温度约 230⁠–⁠260 °C。NETL 写道，有几座要富氢气体的工厂干脆用水激冷粗合成气，就是为了加进变换要用的水。

变换多少，看要什么：做合成氨，几乎全部一氧化碳都要换掉，再去掉二氧化碳，配上空气分离装置来的氮（合成氨怎样做，见哈伯⁠-⁠博施法一页）。模型里剖开的变换炉，是两层瓷球夹着的一床催化剂。

CO + H₂O → CO₂ + H₂：−41.2 千⁠焦 · 出炉 H₂ : CO 约 0.95 · 甲醇要约 2 · 合成氨只要氢

路灯里的煤气

19 世纪城市里的煤气，大多不是这样做的。煤装在密闭的罐里从外面加热，不通空气也不通蒸汽，跑出来的气经过水封总管、冷凝器和石灰净化箱，存进浮在水里的储气柜。这叫干馏。按 1911 年《大英百科全书》，一吨煤约七成变成焦炭，煤气只占重量的约 17%。

伦敦的煤气照明和焦炭公司 1812 年获得特许状；1813 年，西敏桥点上了煤气灯。到 1820 年代，伦敦约有 5 万盏煤气灯。这种煤气约一半是氢，四分之一多是甲烷。

和气化炉同一个反应的是水煤气：蒸汽吹过烧红的焦炭，生成一氧化碳和氢。反应吸热，炭床会冷下来，所以要轮流吹空气把它烧热、再通蒸汽。1875 年，Thaddeus Lowe 在美国取得往水煤气里加油增热的专利；在英国，这种气常掺进城市煤气，占 25⁠–⁠50%。

1812 年特许状 · 1813 年西敏桥 · 煤气：H₂ 51.8%、CH₄ 27.0% · 水煤气：H₂ 50.0%、CO 41.0%

加压，用纯氧

1926 年，德国 Leuna 的第一台 Winkler 炉投运：细煤被吹进炉里的气流托起来翻滚，像沸腾一样。Lurgi 公司在 1930 年代用氧和蒸汽、并在 20⁠–⁠30 个大气压下气化褐煤；1937 年《自然》杂志报道，Hirschfelde 镇已用上它的煤气。

Texaco 的炉子在 1956⁠–⁠1958 年试过用煤做合成氨的原料气；它第一座商业化的煤气化厂 1983 年在美国田纳西州开工。南非 Sasol 公司从 1955 年起用煤做合成燃料；1984 年，美国北达科他州的 Great Plains 厂把褐煤变成管道天然气，至今在运转。

同一时期，城市煤气退场了：1967⁠–⁠1977 年，英国把约 1300 万户从煤气改成北海天然气。

1926 年 Winkler · 1930 年代 Lurgi 加压 · 1955 年 Sasol · 1983 年 Texaco 商业厂 · 1984 年 Great Plains

今天，大多在中国

2023 年，世界产氢约 9,700 万⁠吨，约 20% 来自没有碳捕集的煤气化，大部分在中国；中国产氢约 2,800 万⁠吨，近六成来自煤（国际能源署估计）。

甲醇约 35% 来自煤气化，煤制甲醇大多在中国（国际可再生能源署 2021）。国际能源署 2021 年写道，中国约 85% 的氨是用煤气化做的。按它 2019 年的统计，世界上约有 130 座煤气化厂，八成以上在中国。

在中国，合成氨要的氢大多来自煤气化。

2023 年：世界的氢约 20% 来自煤气化 · 中国近 60% · 甲醇约 35% · 中国的氨约 85%

煤里的碳

要做的是氢时，一氧化碳全部变换掉，煤里气化了的碳最后全成了二氧化碳。按 NETL 的算例，每千克煤得到约 0.15 千⁠克氢，同时放出的二氧化碳约 2.29 千⁠克，约每千克氢 15.5 千⁠克（本页计算，没算空分、蒸汽和电的用能）。国际能源署给煤制氢的数是每吨氢约 19 吨二氧化碳，天然气制氢约 10 吨。

做甲醇时，碳能留下一部分。按反应式，就算一点不浪费，气化了的碳也只有约 47% 进到甲醇里（本页计算），其余变成二氧化碳。国际可再生能源署引的数是：煤制甲醇每千克约 2.6⁠–⁠3.8 千⁠克二氧化碳当量，天然气制约 0.5 千⁠克。

NETL 的这个算例是带碳捕集的：变换后的气再经第二段 Selexol 吸收，把二氧化碳单独分出来；按它的碳平衡，气化了的碳约 90% 进了这股二氧化碳。Great Plains 厂在美国北达科他州，2000 年起把二氧化碳用管道送到加拿大驱油；按公司的说法，满负荷时它捕集现成二氧化碳的约三分之二。二氧化碳进了大气以后怎样，见温室效应一页。

全部做氢：每千克煤约 2.29 千⁠克 CO₂、0.15 千⁠克 H₂ · 国际能源署：煤制氢每吨约 19 吨 CO₂

拆开气化炉

喷嘴从顶盖的颈口里抽出来，顶盖和气化室依次往上分开，每一段仍是剖开的，砖层看得见；激冷室留在支架上。旁边是锁斗、洗涤塔、变换炉和煤浆槽。

指针停在哪一件上，它就被单独托起，标出名字；不动时，各段一起分开。真实的炉壳是焊成一体的，模型里的法兰是为拆开而画的。

喷嘴 · 顶盖 · 气化室 · 激冷室 · 锁斗 · 洗涤塔 · 变换炉 · 煤浆槽