煤炭氣化課件2

1、4第二章第二章 煤炭氣化原理煤炭氣化原理第一節(jié)第一節(jié) 煤炭氣化方法煤炭氣化方法第二節(jié)第二節(jié) 煤炭氣化原理煤炭氣化原理4掌握煤炭氣化掌握煤炭氣化方法、煤炭氣方法、煤炭氣化原理化原理熟悉與理解氣熟悉與理解氣化過程的理論化過程的理論基礎與煤氣平基礎與煤氣平衡組成的計算衡組成的計算了解地下氣化了解地下氣化知識目標知識目標4能掌握煤能掌握煤炭氣化反炭氣化反應應會判斷實際會判斷實際用煤氣化時用煤氣化時的主要影響的主要影響因素因素會解釋會解釋T T、P P對氣化的影對氣化的影響響能力目標能力目標4是獲得基本有機化學工業(yè)原料的重要途徑 是煤或煤焦與是煤或煤焦與氣化劑氣化劑(空氣、空氣、氧氣、水蒸氣、氧氣、水蒸

2、氣、氫等氫等)在高溫下發(fā)生在高溫下發(fā)生化學反應將煤化學反應將煤或煤焦中有機或煤焦中有機物轉變?yōu)槊簹馕镛D變?yōu)槊簹獾倪^程的過程 一一個復雜的多相個復雜的多相物理及物理及化學過程化學過程 4煤氣煤氣4煤炭氣化設備煤炭氣化設備4將煤從地下挖掘出來后再經過各種氣化技將煤從地下挖掘出來后再經過各種氣化技術獲得煤氣的方法稱地面氣化。術獲得煤氣的方法稱地面氣化。煤炭地下氣化，就是將埋藏在地下的煤煤炭地下氣化，就是將埋藏在地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學反應而產生可燃氣體的過程。及化學反應而產生可燃氣體的過程。其過程集建井、采煤、氣化工藝合二為其過程集建井、

3、采煤、氣化工藝合二為一，將傳統(tǒng)的物理采煤方法轉變?yōu)闊o人無一，將傳統(tǒng)的物理采煤方法轉變?yōu)闊o人無設備的化學采煤方法，省去了傳統(tǒng)的采煤設備的化學采煤方法，省去了傳統(tǒng)的采煤機械設備和地面氣化爐笨重復雜設施。機械設備和地面氣化爐笨重復雜設施。其生產煤氣具有安全性好、投資少、見其生產煤氣具有安全性好、投資少、見效快、污染少、效益高等顯著優(yōu)點，深受效快、污染少、效益高等顯著優(yōu)點，深受世界各國的重視，被譽為第二代采煤方法世界各國的重視，被譽為第二代采煤方法4在正開采或廢棄的煤礦井中可啟建地下氣化爐，由人工在正開采或廢棄的煤礦井中可啟建地下氣化爐，由人工掘進的方式在煤層中建立起氣化巷道，并在進氣孔底部掘進的方式

4、在煤層中建立起氣化巷道，并在進氣孔底部巷道壁筑起一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），便可將巷道壁筑起一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），便可將密閉墻前面的煤炭點燃。單套爐由氣化通道進氣孔、輔密閉墻前面的煤炭點燃。單套爐由氣化通道進氣孔、輔助孔和出氣孔組成，氣化通道于同一煤層內連通各孔。助孔和出氣孔組成，氣化通道于同一煤層內連通各孔。但該技術人工豎井深度受限，因受煤層的地應力和煤層但該技術人工豎井深度受限，因受煤層的地應力和煤層溫度制約。溫度制約。4 （ （ （ （ （地下氣化的概況地下氣化的概況44煤在氣化過程中不需外界供熱，而是利用煤與氧反應放出煤在氣化過程中不需外界供熱，而是利用煤與氧反應放出熱量

5、來達到反應所需溫度，即燃燒一部分氣化所用燃料，熱量來達到反應所需溫度，即燃燒一部分氣化所用燃料，將熱量積累到燃料層里，再通入水蒸氣發(fā)生化學反應制取將熱量積累到燃料層里，再通入水蒸氣發(fā)生化學反應制取煤氣。煤氣。是指利用外部給氣化爐提供熱量的過程。是指利用外部給氣化爐提供熱量的過程。其熱源可由加熱外部爐壁來加熱燃料，爐壁需選用耐火度其熱源可由加熱外部爐壁來加熱燃料，爐壁需選用耐火度高且導熱性好的材料；高且導熱性好的材料；同時也可用高度過熱水蒸氣同時也可用高度過熱水蒸氣(1100 )(1100 )；另外也可用加熱水蒸氣和粉末燃料的混合物到另外也可用加熱水蒸氣和粉末燃料的混合物到11001100達達到

6、水煤氣反應溫度。到水煤氣反應溫度。其原理如圖所示其原理如圖所示4氣化劑是富氧空氣氣化劑是富氧空氣氣化劑是純氧氣體氣化劑是純氧氣體氣化劑是氫氣。氣化劑是氫氣。 氣化劑是水蒸氣氣化劑是水蒸氣4煤氣分類煤氣分類2 2 444一次反應二次反應總反應molKJCHHCmolKJHCOOHCmolKJCOHOHcmolKJCOOcmolKJCOOC/4.842/6.9622/0.135/4.110221/1.394422222222molKJCOCHOHCmolKJCOCHOHCmolKJOHCHHCOmolKJCOHOHCOmolKJCOOCOmolKJCOCOC/2.1222/6.185223/3.2

7、193/4.38/6.56622/3.173224242242222222OHHCOCOCHC2224高溫、高壓、氣化劑煤4S+02 S02S02+3H2 H2S+2H20S02+2CO S+2CO22H2S十S02 3S+2H20C+2S CS2C0+S COSN2十3H2 2NH3N2+H20+2C0 2HCN+02N2+X02 2NOx4各種煤氣組成各種煤氣組成4煤的反應性煤的反應性是指煤的化學活性，是煤與氣化劑中的氧是指煤的化學活性，是煤與氣化劑中的氧、水蒸氣、二氧化碳等的反應能力。水蒸氣、二氧化碳等的反應能力。煤的反應性是決定煤的反應性是決定氣化方法的一個重要因素。氣化方法的一個重要

8、因素。煤炭氣化的總過程有兩種類型的反應，即非均相反應煤炭氣化的總過程有兩種類型的反應，即非均相反應和均相反應。前者是氣化劑或氣態(tài)反應產物與固體煤和均相反應。前者是氣化劑或氣態(tài)反應產物與固體煤或煤焦的反應；后者是氣態(tài)反應產物之間的相互作用或煤焦的反應；后者是氣態(tài)反應產物之間的相互作用或與氣化劑的反應?；蚺c氣化劑的反應。煤的氣化過程是熱化學過程，影響其化學過程的因素煤的氣化過程是熱化學過程，影響其化學過程的因素很多（氣化介質、燃料接觸方式、工藝條件很多（氣化介質、燃料接觸方式、工藝條件)。為了清。為了清楚地分析、選擇工藝條件，現(xiàn)首先分析煤炭氣化過程楚地分析、選擇工藝條件，現(xiàn)首先分析煤炭氣化過程中的

9、化學平衡及反應速度。中的化學平衡及反應速度。4qDpCnBmAnBmAPPkV正正qDPCPPkV逆逆qDPCnBmAPPkPPk逆正bBaAqDpCPPPPkkkp逆正化學平衡時化學平衡時4 從上式可以看出，若從上式可以看出，若H為負值時，為放熱反為負值時，為放熱反應，溫度升高，應，溫度升高，b值減小，對于這類反應，一般來值減小，對于這類反應，一般來說說降低反應溫度有利于降低反應溫度有利于放熱放熱反應的進行反應的進行。反之，。反之，若若H為正值時，即吸熱反應，溫度升高，為正值時，即吸熱反應，溫度升高，kp值增值增大，此時大，此時升高溫度有利于升高溫度有利于吸熱吸熱反應的進行反應的進行。1 1

10、、溫度對化學平衡的影響、溫度對化學平衡的影響當化學平衡時，化學平衡常數(shù)為當化學平衡時，化學平衡常數(shù)為bBaAqDpCPPPPkkkp逆正41 1、溫度對化學平衡的影響、溫度對化學平衡的影響molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .173224P P4壓力對化學平衡的影響分析壓力對化學平衡的影響分析如果如果n0n0，增大壓力，增大壓力KpKp后，后，P Pv v減小。減小。K KP P不變，不變，K KN N保持不變保持不變, ,就就不能維持平衡，所以當壓力增高時不能維持平衡，所以當壓力增高時,KN,KN必然增加因此加壓有利。必然增加因此加壓有利。既加壓平衡向體積減少或

11、分子數(shù)減小的方向移動。既加壓平衡向體積減少或分子數(shù)減小的方向移動。bBaAqDpCPPPPkkkp逆正PkkpN4由上述可知，在煤炭氣化中，可根據(jù)由上述可知，在煤炭氣化中，可根據(jù)生產產品的要求確定氣化壓力，當氣生產產品的要求確定氣化壓力，當氣化爐煤氣主要用作化工原料時，可在化爐煤氣主要用作化工原料時，可在低壓下生產；當所生產氣化煤氣需要低壓下生產；當所生產氣化煤氣需要較高熱值時，可采用加壓氣較高熱值時，可采用加壓氣 化。這是化。這是因為壓力提高后，在氣化爐內，在因為壓力提高后，在氣化爐內，在HH2 2氣氛中，氣氛中，CHCH4 4產率隨壓力提高迅速增產率隨壓力提高迅速增加加. .而甲烷生成反應

12、為放熱反應，其反應而甲烷生成反應為放熱反應，其反應熱可作為水蒸氣分解、二氧化碳等吸熱可作為水蒸氣分解、二氧化碳等吸熱反應熱源，從而減少了碳燃燒中氧熱反應熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。的消耗。 也就是說，隨著壓力的增加，也就是說，隨著壓力的增加，氣化反應中氧氣消耗量減少；同時，氣化反應中氧氣消耗量減少；同時，加壓可阻止氣化時上升氣體中所帶出加壓可阻止氣化時上升氣體中所帶出物料的量，有效提高鼓風速度，增大物料的量，有效提高鼓風速度，增大其生產能力。其生產能力。4 對于常壓氣化爐，p1通常略高于大氣壓，當pl=0.1078MPa左右時，常壓、加壓爐的氣化溫度之比T1T2=1.1l.25，則由此式

13、可得：V2/Vl=3.193.41在常壓氣化爐和加壓氣化爐中，假定帶出物的數(shù)量相等，則出爐煤氣動壓頭相等，可近似得出，加壓氣化爐與常壓氣化爐生產能力之比如下式所示：122112PTPTVV44分析分析- - cocoC02C02COCOCOCO2 2nCOmCOOCyxCyx22nsaPkV4碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重要的二次反應，該反碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重要的二次反應，該反應很大程度上確定了所獲得的煤氣的質量。應很大程度上確定了所獲得的煤氣的質量。在這一還原反應中，溫度對反應的影響很大，在較低溫在這一還原反應中，溫度對反應的影響很大，在較低溫度下還原速度較小，當溫度大于度下還原速

14、度較小，當溫度大于300300時，還原反應以時，還原反應以顯著速度進行，其還原過程是復雜的多項反應形成固體顯著速度進行，其還原過程是復雜的多項反應形成固體表面配合物及其分解產物。表面配合物及其分解產物。其中，化學吸收過程分為三步，第一步是其中，化學吸收過程分為三步，第一步是CO2CO2和燃料中和燃料中的碳在碳表面形成六環(huán)形的碳氧初次配合物，第二步是六的碳在碳表面形成六環(huán)形的碳氧初次配合物，第二步是六環(huán)形的碳氧配合物分解形成放射性的環(huán)形的碳氧配合物分解形成放射性的coco和非活性二次碳氧和非活性二次碳氧配合物；第三步是非活性碳氧配合物分解形成非活性的配合物；第三步是非活性碳氧配合物分解形成非活性

15、的coco分子和分子和C C的游離原子。的游離原子。反應速度公式如下：反應速度公式如下：223211COCOCOaPkPkPkV4一次反應一次反應 二次反應二次反應 化學速度化學速度表達式表達式22HCOOHC2222HCOOHCCOCOC22 222HCOOHCOOHHOHaPkPkPkV22232114( (一一) )以空氣為氣化劑時煤氣組成的計算以空氣為氣化劑時煤氣組成的計算1 1、碳與氧平衡組成的計算、碳與氧平衡組成的計算molKJCOOCOmolKJCOCOCmolKJCOOC/6 .56622/3 .1732/8 .220222222molKJCOOC/1 .39422222222

16、22423221OCOCOpCOCOpOCOpOCOpPPPkPPkPPkPPk4由上表可見，反應式在溫度為由上表可見，反應式在溫度為70070017001700C C范圍內時，可見，范圍內時，可見，三個方程中反應物幾乎完全反應，即以上三個反應是不可逆的。三個方程中反應物幾乎完全反應，即以上三個反應是不可逆的。而式卻不同而式卻不同從從kp3kp3可見，在煤氣發(fā)生爐中可能的溫度變化范圍內，其平衡可見，在煤氣發(fā)生爐中可能的溫度變化范圍內，其平衡常數(shù)的對數(shù)值，在正、負值之間變動，即其平衡組成中的常數(shù)的對數(shù)值，在正、負值之間變動，即其平衡組成中的COCO和和C02C02的相對含量，隨平衡時溫度的不同變

17、化很大。的相對含量，隨平衡時溫度的不同變化很大。molKJCOCOC/3 .173224平衡常數(shù)與溫平衡常數(shù)與溫度的關系度的關系cocoCO2CO22 2coco平衡常數(shù)與壓平衡常數(shù)與壓力的關系力的關系由此可計算出不同壓力、不同溫度下的X值，即可求出平衡時CO、CO2的組成。平衡時平衡時CO、CO2的組成的計算4.2121000ln3TkPxpxppkCOCOP122234CO2CO2平衡轉化率的計算平衡轉化率的計算CO2CO2平衡轉化率平衡轉化率)1)(76.4(42232aaaPppkCOCOP333232816.7618.3376.3PPPPkppkkka4在生產過程中，碳與氧的反應難以

18、達到平衡，一氧化碳、二氧化碳和沒有消耗盡的在生產過程中，碳與氧的反應難以達到平衡，一氧化碳、二氧化碳和沒有消耗盡的氧氣同時存在。如以空氣為氣化劑，空氣用量為氧氣同時存在。如以空氣為氣化劑，空氣用量為v v空，發(fā)生一次反應產生煤氣為空，發(fā)生一次反應產生煤氣為V V，煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氮氣與過剩的氧氣分別用煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氮氣與過剩的氧氣分別用V VCOCO:V:VCO2=CO2=1:21:2表示，則產物組成表示，則產物組成和用量可計算如下。和用量可計算如下。 一次反應一次反應( (空氣吹風空氣吹風) )：取取V V空等于空等于lmlm3 3為計算基準，由上述反應可知，當生成二氧

19、化碳時反應前后無體積變?yōu)橛嬎慊鶞?，由上述反應可知，當生成二氧化碳時反應前后無體積變化，而當生成一氧化碳時，因化，而當生成一氧化碳時，因V(02)V(02)：V(CO)=1V(CO)=1：2 2，即，即0.5mol0.5mol氧氣反應，生成氧氣反應，生成lmollmol一一氧化碳，氣體體積則增加了一氧化碳的氧化碳，氣體體積則增加了一氧化碳的0 .50 .5倍。倍。COyVVV*21空COOCCOOC22221COVVV21空COyVV211 空)21(21. 022OCOCOyyyVV空21.02112122COOCOCOyyyyCOCOyVV*4【例2-l】已知吹風氣中C02的含量為16、02

20、的含量為0 5(如不考慮吹風氣中氫、甲烷的含量及煤中含氧量)，試求吹風氣中一氧化碳組成及通入每1m3(標準狀況)空氣,所得吹風氣的量。舉例舉例21.02112122COOCOCOyyyy21. 05 . 01005. 05 . 016. 0COCOyy%4.7074.0COyCOCO2 2304.1074.0*5 .011211myVVCO空4空氣煤氣是以空氣作氣化劑反應產生的煤氣。在理想狀態(tài)下的氣化空氣煤氣是以空氣作氣化劑反應產生的煤氣。在理想狀態(tài)下的氣化過程中，碳全部轉化為一氧化碳。此時煤氣生成的總過程可用下式表過程中，碳全部轉化為一氧化碳。此時煤氣生成的總過程可用下式表示：示：組成計算組成計算: :22276.3276.32NCONOC%3.65%100*76.3276.3)(2N7.34%100*76.322)(CO產率計算產率計算: :V=224X (2+3.76)/212=5.38M3/Kg氣化效率氣化效率: :molKJQ.4.439412*38.51000*1.283%4.69%100*6.3406938.5*4.4394%100*6.34069QV4 碳與水蒸氣反應的化學平衡碳與水蒸氣反應的化學平衡高溫下的碳與水蒸氣反應，可生成含有氫氣、一氧化碳和二氧高溫下的碳與水蒸氣反應，可生成含有氫