第二章煤氣化原理1

1、第二章第二章 煤氣化原理煤氣化原理 煤氣化生產(chǎn)技術(shù)煤氣化生產(chǎn)技術(shù) 2煤氣化原理2煤的性質(zhì)對氣化的影響3煤氣化方法1第二章 煤氣化原理3第二章第二章 煤氣化原理煤氣化原理煤的氣化過程是一熱化學(xué)過程熱化學(xué)過程，是煤煤或煤焦與氣化劑氣化劑（空氣、氧氣、水蒸氣、氫空氣、氧氣、水蒸氣、氫等）在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中有機物有機物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹饷簹獾倪^程。該過程是在高溫、高壓下進行的一個復(fù)雜的多相物理及物理化學(xué)過程。煤的氣化過程是一個熱化學(xué)過程，在特定的設(shè)備（氣化爐氣化爐）內(nèi)它以煤為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸汽或氫氣為氣化劑（又稱氣化介質(zhì)），在一定的壓力、溫度下，通過部分氧化反應(yīng)將原料煤從固

2、體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料（即氣化煤氣，或簡稱煤氣）的過程。 煤氣化的定義和實質(zhì)煤氣化的定義和實質(zhì) 氣化條件（煤炭氣化時必須具備三個條件）氣化條件（煤炭氣化時必須具備三個條件） 氣化爐氣化爐、氣化劑氣化劑、供給熱量供給熱量。三者缺一不可。三者缺一不可。 氣化產(chǎn)品：氣化產(chǎn)品： CO、 H2 、CH4O2、H2O、H2、根據(jù)產(chǎn)熱根據(jù)產(chǎn)熱方式和煤氣用途選擇性供方式和煤氣用途選擇性供入（入（ H2 很少用）很少用） 煤氣煤氣是氣化劑與煤在一定條件下反應(yīng)得到的混合氣體混合氣體，即氣化劑將煤中的碳轉(zhuǎn)化成為可燃性氣體可燃性氣體。煤氣的有效成分為一氧化碳、氫氣和甲烷一氧化碳、氫氣和甲烷。m煤氣組成隨氣化劑所用的煤或

3、煤焦的性質(zhì)、氣化劑的種類、氣化過程條件以及煤氣爐的結(jié)構(gòu)不同而有差異。因此，在生產(chǎn)工業(yè)煤氣時， 必須根據(jù)煤氣用途來選擇氣化劑和氣化過程操作條件，才能滿足生產(chǎn)的需要。 氣化與燃燒的區(qū)別？氣化與燃燒的區(qū)別？第一個問題第一個問題請大家思考？請大家思考？ 氣化與干餾的區(qū)別？氣化與干餾的區(qū)別？第二個問題第二個問題 從化學(xué)反應(yīng)的角度，煤的氣化從化學(xué)反應(yīng)的角度，煤的氣化和燃燒都屬于氧化過程。當(dāng)煤點和燃燒都屬于氧化過程。當(dāng)煤點燃時，它潛在化學(xué)能就會以熱的燃時，它潛在化學(xué)能就會以熱的形式釋放出來，即空氣中的氧氣形式釋放出來，即空氣中的氧氣和煤中的碳、氫反應(yīng)生成和煤中的碳、氫反應(yīng)生成CO2和和H2O，并釋放熱量；，

4、并釋放熱量； 如果希望使氣體產(chǎn)物中的化如果希望使氣體產(chǎn)物中的化學(xué)能更大的話，從邏輯上講就是學(xué)能更大的話，從邏輯上講就是繼續(xù)減少供氧量。但實際上得有繼續(xù)減少供氧量。但實際上得有個限度，因為隨著供氧量的減少，個限度，因為隨著供氧量的減少，更多的煤將不能轉(zhuǎn)化為氣體而成更多的煤將不能轉(zhuǎn)化為氣體而成為未反應(yīng)碳，氣化效率將大打折為未反應(yīng)碳，氣化效率將大打折扣。所以控制供氧量至關(guān)重要?？?。所以控制供氧量至關(guān)重要。 在氧氣充足的情況下，煤將在氧氣充足的情況下，煤將發(fā)生完全氧化反應(yīng)，其所有的化發(fā)生完全氧化反應(yīng)，其所有的化學(xué)能都將轉(zhuǎn)化成熱能，這個過程學(xué)能都將轉(zhuǎn)化成熱能，這個過程就是就是燃燒燃燒 如果此時減少氧氣量

5、，那么煤如果此時減少氧氣量，那么煤將不能發(fā)生完全氧化反應(yīng)，釋放將不能發(fā)生完全氧化反應(yīng)，釋放的熱量也會減少，煤中剩余的潛的熱量也會減少，煤中剩余的潛在的化學(xué)能就會轉(zhuǎn)移到生成的氣在的化學(xué)能就會轉(zhuǎn)移到生成的氣體產(chǎn)物中，如體產(chǎn)物中，如H2、CO、CH4等。等。氣化與燃燒的區(qū)別氣化與燃燒的區(qū)別干餾是煤在隔絕空氣的條件下，在一定的溫度范圍干餾是煤在隔絕空氣的條件下，在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱解，生成固定焦炭、液體焦油和少量煤氣內(nèi)發(fā)生熱解，生成固定焦炭、液體焦油和少量煤氣的過程。的過程。而氣化不僅是高溫?zé)峤膺^程，同時還通過與氣化劑而氣化不僅是高溫?zé)峤膺^程，同時還通過與氣化劑的部分氧化過程將煤中碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物

6、。的部分氧化過程將煤中碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物。從轉(zhuǎn)化的角度看，干餾是將煤本身不到從轉(zhuǎn)化的角度看，干餾是將煤本身不到10%的碳轉(zhuǎn)的碳轉(zhuǎn)化為可燃氣體混合物，而氣化則可將碳完全轉(zhuǎn)化?；癁榭扇細怏w混合物，而氣化則可將碳完全轉(zhuǎn)化。氣化與干餾的區(qū)別氣化與干餾的區(qū)別煤煤 加熱加熱 燃燒燃燒+ H2O或或H2 + 部分部分O2 氣化氣化密閉密閉干餾干餾+o2完全氧化完全氧化第二章第二章 煤氣化原理煤氣化原理煤氣化主要包括以下四個過程：1煤的干燥2煤的干餾3煤的熱解4氧化和還原反應(yīng)第一節(jié) 煤氣化方法12氣化技術(shù)氣化技術(shù)地面氣化技術(shù)的分類地面氣化技術(shù)的分類12一、氣化技術(shù)一、氣化技術(shù)1.1.地面氣化地面氣化( (目前常

7、用的目前常用的) )將煤從地下挖掘出來后再經(jīng)過各種氣化技術(shù)獲得、煤氣的方法稱地面氣化。2.2.地下氣化地下氣化煤炭地下氣化是將未開采的煤炭有控制地燃燒，通過對煤的熱化學(xué)作用生產(chǎn)煤氣的一種氣化方法。一、氣化技術(shù)一、氣化技術(shù)煤炭地下氣化原理與地面氣化相同，是煤與氣化劑發(fā)生熱化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為煤氣的過程。二、地面氣化技術(shù)的分類二、地面氣化技術(shù)的分類1.1.按給熱方式分類按給熱方式分類（1）自熱式（內(nèi)熱式）氣化煤氣化過程不須外界供熱，而是利用煤與氧氣反應(yīng)放出的熱量來達到反應(yīng)所需溫度，即燃燒即燃燒一部分氣化所用燃料，一部分氣化所用燃料，將熱量積累到燃料層中將熱量積累到燃料層中，再與水蒸氣發(fā)生化學(xué)，再與水蒸氣

8、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制取煤氣反應(yīng)制取煤氣空氣二、地面氣化技術(shù)的分類二、地面氣化技術(shù)的分類反應(yīng)式為：自熱式氣化是目前各種工業(yè)氣化爐自熱式氣化是目前各種工業(yè)氣化爐常用常用的供熱方式，的供熱方式，氣化過程可采用間歇蓄熱氣化，也可連續(xù)自熱汽化氣化過程可采用間歇蓄熱氣化，也可連續(xù)自熱汽化二、地面氣化技術(shù)的分類二、地面氣化技術(shù)的分類（2）外熱式氣化利用利用外部外部給氣化爐提供給氣化爐提供熱量的過程。外熱可以熱量的過程。外熱可以是是電加熱電加熱或或核反應(yīng)熱核反應(yīng)熱加加熱外部爐壁來加熱燃料熱外部爐壁來加熱燃料，爐壁需用耐火度高且，爐壁需用耐火度高且導(dǎo)熱性好的材料，同時導(dǎo)熱性好的材料，同時也可用也可用過熱水蒸汽過熱水蒸

9、汽加熱加熱。外熱式多用于流化床。外熱式多用于流化床氣化或氣流床氣化。氣化或氣流床氣化。二、地面氣化技術(shù)的分類二、地面氣化技術(shù)的分類2.2.按氣化介質(zhì)分類按氣化介質(zhì)分類（1 1）由氧氣、水蒸氣作氣化劑）由氧氣、水蒸氣作氣化劑 空氣煤氣：空氣為氣化劑混合煤氣：空氣和適量水蒸氣為氣化劑水煤氣：水蒸氣為氣化劑半水煤氣：水蒸氣和適量空氣或富氧空氣為氣化劑（2 2）加氫氣化）加氫氣化 組分H2COCO2N2CH4O2H2S空氣煤氣混合煤氣水煤氣半水煤氣0.5-0.912-1512-1547-5247-5237-3937-3932-3332-3325-3025-3035-4035-4028-3028-300

10、.5-1.55-95-76-1264-6664-6652-5652-562-620-2320-231.5-30.3-0.60.3-0.50.1-0.30.1-0.20.20.20.2四種工業(yè)煤氣的組成四種工業(yè)煤氣的組成空氣煤氣的熱值最低，主要作為化學(xué)工業(yè)原料、煤發(fā)動機燃料混合煤氣一般作為燃料。水煤氣用作化工原料半水煤氣作為合成氨的原料氣二、地面氣化技術(shù)的分類二、地面氣化技術(shù)的分類3.3.按氣化爐型分類按氣化爐型分類（1）移動床氣化 （2）沸騰床氣化 （3）氣流床氣化 （4）熔融床氣化 在氣化過程中，煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由氣化爐底部加入，煤料與氣化劑逆流接觸，相對于氣體的上升速度而言，煤料

11、下降速度很慢，甚至可視為固定不動，因此稱之為固定床氣化；而實際上，煤料在氣化過程中是以很慢的速度向下移動的，比較準(zhǔn)確的稱其為移動床氣化。它是一種并流氣化，用氣化劑將粒度為100um以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內(nèi)。煤料在高于其灰熔點的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)，灰渣以液態(tài)形式排出氣化爐。它是以粒度為0-10mm的小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使其懸浮分散在垂直上升的氣流中，煤粒在沸騰狀態(tài)進行氣化反應(yīng)，從而使得煤料層內(nèi)溫度均一，易于控制，提高氣化效率。它是將粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入一溫度較高且高度穩(wěn)定的熔池內(nèi)，把一部分動能傳給熔渣，使池內(nèi)熔融物

12、做螺旋狀的旋轉(zhuǎn)運動并氣化。目前此氣化工藝已不再發(fā)展。第二節(jié) 煤氣化原理12氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)3煤氣平衡組成的計算煤氣平衡組成的計算煤化工發(fā)展始于煤化工發(fā)展始于18世紀(jì)后半葉，用世紀(jì)后半葉，用煤生產(chǎn)民用煤氣；在歐洲當(dāng)時用煤煤生產(chǎn)民用煤氣；在歐洲當(dāng)時用煤干餾方法，生產(chǎn)的干餾煤氣用于城干餾方法，生產(chǎn)的干餾煤氣用于城市街道照明；市街道照明；1840年由焦炭制發(fā)生年由焦炭制發(fā)生爐煤氣來煉鐵，爐煤氣來煉鐵，1875年使用增熱水年使用增熱水煤氣作為城市煤氣煤氣作為城市煤氣二次世界大戰(zhàn)時期，煤炭氣化工業(yè)在二次世界大戰(zhàn)時期，煤炭氣化工業(yè)在德國得到

13、迅速發(fā)展。德國得到迅速發(fā)展。1932年采用一氧年采用一氧化碳與氫通過費化碳與氫通過費-托托(Flscher Tropsch)合成法生產(chǎn)液體燃料獲得成功，合成法生產(chǎn)液體燃料獲得成功，1 934年德國魯爾化學(xué)公司應(yīng)用此研究年德國魯爾化學(xué)公司應(yīng)用此研究成果創(chuàng)建了第一個成果創(chuàng)建了第一個F-T合成油廠，合成油廠，1936年投產(chǎn)。年投產(chǎn)。19351945年期間德國年期間德國共建立了共建立了9個合成油廠，總產(chǎn)量達個合成油廠，總產(chǎn)量達570kt。二次世界大戰(zhàn)后，煤炭氣化工二次世界大戰(zhàn)后，煤炭氣化工業(yè)因石油、天然氣的迅速發(fā)展業(yè)因石油、天然氣的迅速發(fā)展減慢了步伐，進人低迷時期，減慢了步伐，進人低迷時期，煤氣主要作

14、為城市煤氣等，直煤氣主要作為城市煤氣等，直到到20世紀(jì)世紀(jì)70年代成功開發(fā)由合年代成功開發(fā)由合成氣制甲醇技術(shù)，由于甲醇的成氣制甲醇技術(shù)，由于甲醇的廣泛用途，使煤炭氣化工業(yè)又廣泛用途，使煤炭氣化工業(yè)又重新引起人們重視。重新引起人們重視。1975年，美國年，美國Eastaman(依斯曼依斯曼)公司開始了合成醋酐的實驗室研公司開始了合成醋酐的實驗室研究，重點是開發(fā)適用的催化劑，究，重點是開發(fā)適用的催化劑，以便在工業(yè)化生產(chǎn)時能達到需要以便在工業(yè)化生產(chǎn)時能達到需要的條件下，減少副產(chǎn)物生成。他的條件下，減少副產(chǎn)物生成。他們采用醋酸甲酯與一氧化碳為原們采用醋酸甲酯與一氧化碳為原料羰基合成制取醋酐，并于料羰基

15、合成制取醋酐，并于1977年中試成功。到年中試成功。到20世紀(jì)世紀(jì)80年代末，年代末，由煤炭氣化制合成氣，羰基合成由煤炭氣化制合成氣，羰基合成生產(chǎn)醋酸、醋酐開始大型化生產(chǎn)，生產(chǎn)醋酸、醋酐開始大型化生產(chǎn)，這是煤制化學(xué)品的一個非常重要這是煤制化學(xué)品的一個非常重要的突破。的突破。 現(xiàn)在，隨著氣化生產(chǎn)技術(shù)的進一步發(fā)現(xiàn)在，隨著氣化生產(chǎn)技術(shù)的進一步發(fā)展，以生產(chǎn)含氧燃料為主的煤炭氣化展，以生產(chǎn)含氧燃料為主的煤炭氣化合成甲醇、二甲醚，有廣闊的市場前合成甲醇、二甲醚，有廣闊的市場前景。其中二甲醚不僅是從合成氣經(jīng)甲景。其中二甲醚不僅是從合成氣經(jīng)甲醇制汽油、低碳烯烴的重要中間醇制汽油、低碳烯烴的重要中間體體而且也是

16、多種化工產(chǎn)品的重要原而且也是多種化工產(chǎn)品的重要原料。甲醇從近年供需情況來看，除作料。甲醇從近年供需情況來看，除作基本有機化工原料、精細化工原料外，基本有機化工原料、精細化工原料外，作為替代燃料應(yīng)用，預(yù)計需求量將達作為替代燃料應(yīng)用，預(yù)計需求量將達8001000萬噸年，到萬噸年，到2020年年t甲醇甲醇需求預(yù)計達需求預(yù)計達5000萬噸年。萬噸年。 南非開發(fā)煤炭間接液化歷史悠久，早南非開發(fā)煤炭間接液化歷史悠久，早在在1 927年南非當(dāng)局注意到依賴進口液年南非當(dāng)局注意到依賴進口液體燃料的嚴(yán)重性，基于本國有豐富的體燃料的嚴(yán)重性，基于本國有豐富的煤炭資源，開始尋找煤基合成液體燃煤炭資源，開始尋找煤基合成液

17、體燃料的新途徑，料的新途徑，1939年首先購買了德國年首先購買了德國FT合成技術(shù)在南非的使用權(quán)，在合成技術(shù)在南非的使用權(quán)，在20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，成立了年代初，成立了SASOL公司，公司，1955年建立了年建立了SASOL -I 廠，廠，1980年和年和1982年叉相繼建成了年叉相繼建成了SASOL-廠和廠和SASOL-廠。廠。 基本概念m煤氣化煤氣化：用氣化劑對煤或焦炭等固用氣化劑對煤或焦炭等固體燃料進行熱加工，使其轉(zhuǎn)變成可體燃料進行熱加工，使其轉(zhuǎn)變成可燃性氣體的過程，簡稱燃性氣體的過程，簡稱造氣造氣。m氣化劑：用來與固體燃料進行氣化氣化劑：用來與固體燃料進行氣化反應(yīng)的氣體。反應(yīng)的氣體。

18、常用的氣化劑有：常用的氣化劑有：空氣、富氧空氣、空氣、富氧空氣、氧和水蒸氣。氧和水蒸氣。m煤氣：固體燃料氣化后得到的可燃煤氣：固體燃料氣化后得到的可燃性氣體。性氣體。m進行氣化反應(yīng)的設(shè)備稱進行氣化反應(yīng)的設(shè)備稱煤氣發(fā)生爐煤氣發(fā)生爐。一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)m煤炭氣化過程的反應(yīng)可分成兩種類型。m1）非均相氣體固體反應(yīng)非均相氣體固體反應(yīng)，氣相可以是最初的氣化劑，也可能是氣化過程的產(chǎn)物，固相是指煤中的碳。雖然煤具有很復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，和碳原子相連接著的還有氫、氧等其它元素，但因為氣化反應(yīng)往往發(fā)生在煤裂解之后，故只考慮煤中主要元素碳是合理的。m2)均相的氣相反應(yīng)均相的氣相反應(yīng)，反應(yīng)

19、物可能是氣化劑，也可能是反應(yīng)產(chǎn)物。一、氣化過程的主要化學(xué)反應(yīng)一、氣化過程的主要化學(xué)反應(yīng) 一次反應(yīng)一次反應(yīng)C+OC+O2 2COCO2 2 -394.1kJ/mol -394.1kJ/molC+HC+H2 2OCOOCOH H2 2 +135.0kJ/mol +135.0kJ/molC+1/2OC+1/2O2 2CO -110.4kJ/molCO -110.4kJ/molC+2HC+2H2 2OCOOCO2 2+2H+2H2 2 +96.6kJ/mol +96.6kJ/molC+2HC+2H2 2CHCH4 4 -84.3kJ/mol -84.3kJ/molH H2 2+1/2O+1/2O2 2

20、HH2 2O -245.31kJ/molO -245.31kJ/molA A 二次反應(yīng)二次反應(yīng)C+COC+CO2 22CO +173.3kJ/mol2CO +173.3kJ/mol2CO+O2CO+O2 22CO2CO2 2 -566.6kJ/mol -566.6kJ/molCO+HCO+H2 2OHOH2 2+CO+CO2 2 -38.4kJ/mol -38.4kJ/molCO+3HCO+3H2 2CHCH4 4+H+H2 2O -219.3kJ/molO -219.3kJ/mol3C+2H3C+2H2 2OCHOCH4 4+2CO +185.6kJ/mol+2CO +185.6kJ/mol

21、2C+2H2C+2H2 2OCH4+COOCH4+CO2 2 +12.2kJ/mol +12.2kJ/mol氣化主反應(yīng)氣化主反應(yīng)煤氣化原理煤氣化原理一、一、基本化學(xué)反應(yīng)基本化學(xué)反應(yīng)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)： C+O2CO2 +Q 2C+O22CO +Q H2+ O2 H2O +Q CO+H2OCO2+H2 +Q水煤氣反應(yīng)水煤氣反應(yīng):C+H2OCO+H2 -Q副水煤氣反應(yīng)：副水煤氣反應(yīng)：C+2H2OCO2+2H2 -Q氣化反應(yīng)：氣化反應(yīng)：C+CO22CO -Q甲 烷 化 反 應(yīng) ：甲 烷 化 反 應(yīng) ： C + 2 H2 C H4 + Q CO+3H2 CH4+H2O +Q水煤氣主水煤氣主要成分為要成分

22、為CO和和H2 這些反應(yīng)中這些反應(yīng)中:C+H2OCO+H2 -Q即即水蒸氣和碳反應(yīng)的意義水蒸氣和碳反應(yīng)的意義最大，此反應(yīng)為強吸熱最大，此反應(yīng)為強吸熱反應(yīng)。反應(yīng)。 供熱的：供熱的：C+O2CO2 +Q和和2C+O22CO +Q 與吸熱的：與吸熱的：C+H2OCO+H2 -Q和和C+CO22CO -Q組合在一起，對自熱式組合在一起，對自熱式氣化過程起重要的作用。氣化過程起重要的作用。一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng) 根據(jù)以上反應(yīng)產(chǎn)物,煤氣化過程可用下式表示: 在氣化過程中,如果溫度、壓力不同，則煤氣產(chǎn)物中碳的氧化物即一氧化碳與二氧化碳的比率也不相同。在氣化時，氧與燃料中的碳在煤的表

23、面形成中間碳氧絡(luò)合物CXOY，然后在不同條件下發(fā)生熱解，生成CO和CO2。即：煤中的少量元素氮和硫在氣化過程中產(chǎn)生了含氮的和含硫的產(chǎn)物，煤中的少量元素氮和硫在氣化過程中產(chǎn)生了含氮的和含硫的產(chǎn)物，主要的硫化物是主要的硫化物是H2S、COS、CS2等，主要的含氮化合物是等，主要的含氮化合物是NH3，HCN、NO等。等。煤氣化時發(fā)生的硫（煤氣化時發(fā)生的硫（S）和氮（）和氮（N）的基本反應(yīng)）的基本反應(yīng) 元素反應(yīng)元素反應(yīng) S ：S+O2SO2 SO2+3H2 H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 2H2S+SO2 3S+2H2O C+2SCS2 CO+SCOS N ：N2+3H22NH3 N2+

24、H2O+2CO2HCN+1.5O2 N2+xO22NOx 一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)表表2-1 2-1 工業(yè)煤氣組成工業(yè)煤氣組成種類氣體組成/（體積分?jǐn)?shù)）H2COCO2N2CH4O2H2S空氣煤氣0.933.40.664.60.5水煤氣50.037.36.55.50.30.20.2混合煤氣11.027.56.0550.30.2半水煤氣37.033.36.622.40.30.20.2工業(yè)煤氣分類工業(yè)煤氣分類定義：以空氣為氣化劑生成的煤氣。定義：以空氣為氣化劑生成的煤氣。主要成分：主要成分： N N2 2，COCO，COCO2 2，H H2 2。特點：熱值低，主要作為化學(xué)工業(yè)

25、原料，煤氣發(fā)動機燃料等。特點：熱值低，主要作為化學(xué)工業(yè)原料，煤氣發(fā)動機燃料等?？諝饷簹饪諝饷簹?A 混合煤氣混合煤氣 A 半水煤氣半水煤氣 A 水煤氣水煤氣 A 工工業(yè)業(yè)煤煤氣氣 定義：以空氣和適量水蒸氣為氣化劑生成的煤氣。定義：以空氣和適量水蒸氣為氣化劑生成的煤氣。主要成分：主要成分： N N2 2，COCO，H H2 2，COCO2 2。特點：工業(yè)上一般用作燃料。特點：工業(yè)上一般用作燃料。定義：以水蒸氣為氣化劑生成的煤氣。定義：以水蒸氣為氣化劑生成的煤氣。主要成分：主要成分： H H2 2，COCO，COCO2 2，N N2 2。特點：特點：H H2 2和和COCO含量達含量達8585以上

26、，一般用作化工原料以上，一般用作化工原料定義：以水蒸氣加適量的空氣或富氧空氣為氣化劑生成的煤氣定義：以水蒸氣加適量的空氣或富氧空氣為氣化劑生成的煤氣主要成分：主要成分： H H2 2，COCO，N N2 2，COCO2 2。特點：（特點：（H H2 2+CO+CO）=3N=3N2 2（質(zhì)量），一般用來合成氨（質(zhì)量），一般用來合成氨二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)m煤的反應(yīng)性煤的反應(yīng)性是指煤的化學(xué)活性，是煤與氣化劑中的氧、水蒸氣、二氧化碳等的反應(yīng)能力。煤的反應(yīng)性是決定氣化方法的一個重要因素。m煤氣化的總過程有兩種類型的反應(yīng)，即非均相反應(yīng)和均相反應(yīng)。前者是氣化劑或氣態(tài)產(chǎn)物與固體

27、煤或煤焦的反應(yīng)；后者是氣態(tài)產(chǎn)物之間的相互作用或與氣化劑的反應(yīng)。m煤氣化過程是一個熱化學(xué)過程，影響化學(xué)過程的因素很多，除了氣化劑、燃料接觸方式、其工藝操作條件必須考慮。為了清楚的分析、選擇工藝條件，首先分析煤氣化過程的化學(xué)平衡及反應(yīng)速率。二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)1.1.氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡在煤氣化過程中，有相當(dāng)多的反應(yīng)是可逆過程可逆過程，特別是在煤的二次氣化中，幾乎均為可逆反應(yīng)。在一定條件下，當(dāng)正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等時，化學(xué)反應(yīng)達到化學(xué)平衡?；瘜W(xué)平衡時 二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)（1 1）溫度的影響）溫度的影響若H為負值，

28、為放熱反應(yīng)，溫度升高，kp值減小，對于這類反應(yīng)，一般來說降低反應(yīng)溫度有利于反應(yīng)的進行。反之，若H為正值時，即吸熱反應(yīng)，溫度升高，kp值增大，此時升高溫度對反應(yīng)有利。例如氣化反應(yīng)（2-2）、（2-7），其反應(yīng)式為：二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)表表2-2 C2-2 CCOCO2 2 =2CO=2CO 平衡組成平衡組成溫度/4506507007508008509009501000CO2 / %97.860.241.324.112.45.92.91.20.9CO / %2.239.858.775.987.694.197.198.899.1二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的

29、物理化學(xué)基礎(chǔ)在前面提到的其他可逆反應(yīng)中，有很多是放熱反應(yīng)，溫度過高對反應(yīng)不利，如：二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)（2 2）壓力的影響）壓力的影響如果v0，增大壓力P后，Pv減小。如果v0，則正好相反，加壓將使平衡向反應(yīng)物方向移動，如果v=0，反應(yīng)前后體積或分子數(shù)無變化，則壓力對理論產(chǎn)率無影響。二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)例如，在下列反應(yīng)中：v = 21 = 1，此時v0，即反應(yīng)后氣體體積或分子數(shù)增加，如增大壓力，則使Pv 增大，平衡向左移動；相反，如此時減小壓力，平衡則向右移動；因此上述反應(yīng)適宜在減壓下進行。二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的

30、物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)壓力提高后，在氣化爐內(nèi)，在H2氣氛中，CH4產(chǎn)率隨壓力提高迅速增加，發(fā)生反應(yīng)為： 二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)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(chǎn)能力之比為：對于常壓氣化爐，p1通常略高于大氣壓，當(dāng)大約p1=0.1078MPa時,常壓、加壓爐的氣化溫度之比T1/T2=1.11.25；則二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)例如氣化壓力為2.53MPa的魯奇加壓氣化爐，其生產(chǎn)能力將比常壓下高56倍；又如（魯爾-100）氣化

31、爐，當(dāng)把壓力從2.5MPa提高到9.5MPa時，粗煤氣中甲烷含量從9 %增至17%，氣化效率從8%提高到85%，煤處理量增加一倍，氧耗量降低10%30%。但是，從下列反應(yīng)：二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)2.2.氣化反應(yīng)速率的影響因素氣化反應(yīng)速率的影響因素（1）碳在氣化過程中的氧化在t1200時，一級反應(yīng)產(chǎn)物CO與CO2的物質(zhì)的量相等，即m =n ；而在較高溫度t1600(零級反應(yīng))時，m =2n ，反應(yīng)速率方程為:二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)（2 2）二氧化碳在氣化過程中的還原）二氧化碳在氣化過程

32、中的還原反應(yīng)速率公式為：二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)（3 3）水蒸氣分解過程）水蒸氣分解過程 一次反應(yīng)：一次反應(yīng)：二次反應(yīng)：二次反應(yīng)：反應(yīng)速率方程式：反應(yīng)速率方程式：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算1.1.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三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算表表2-3 2-3 平衡常數(shù)式、平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系表平衡常數(shù)式、平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系表三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算反應(yīng)（2-7）的平衡常數(shù)與

33、溫度的關(guān)系可用如下經(jīng)驗式表示：如平衡時氣體總壓為，各組分的分壓分別為 和 ，設(shè)氣體中只有CO和CO2兩種氣體，CO的物質(zhì)的量的分率為x，則三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算平衡時的二氧化碳和一氧化碳的分壓分別為：所以三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算表表2-4 2-4 總壓為總壓為101.3KPa101.3KPa時空氣煤氣的平衡組成時空氣煤氣的平衡組成/ %/ %（體積）（體積）溫度CO2CON2CO/（CO+CO2）65010.816.972.30.618001.631.366.50.9529000.434.165.50.98810000.234.465.60.994三、

34、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算（2 2）碳與氧反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計算）碳與氧反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計算一次反應(yīng)（空氣吹風(fēng)）三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算取 等于1m3為計算基準(zhǔn)，由上述反應(yīng)可知，當(dāng)生成二氧化碳時反應(yīng)前后無體積變化，而當(dāng)生成一氧化碳時，因O2:CO=1：2，即0.5mol氧氣反應(yīng)與生成1mol一氧化碳，氣體體積則增加0.5倍。因此有空V三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算由于 故 又根據(jù)氣化過程的氧元子平衡關(guān)系：將（2-23）代入上式可得：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算 例例2-12-1已知吹風(fēng)氣中CO2為16%、O2為0.5%（

35、如不考慮吹風(fēng)氣中氫、甲烷的含量及煤中含氧量），試求吹風(fēng)氣中一氧化碳組成及通入每1m3（標(biāo)況）空氣，所得吹風(fēng)氣的量？三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算解 已知代入式（2-29） 解得由式（2-28）56三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算（3 3）理想空氣煤氣組成、產(chǎn)率、熱值及氣化效率的計算）理想空氣煤氣組成、產(chǎn)率、熱值及氣化效率的計算組成計算： 產(chǎn)率計算：理想空氣煤氣的單位產(chǎn)率為：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算熱值計算：CO的燃燒熱為283.7kJ/mol ,煤氣的熱值Q為：碳的燃燒熱為34069.6kJ/kg三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算2.2.

36、以水蒸氣為氣化劑以水蒸氣為氣化劑（1 1）碳與水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)平衡）碳與水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)平衡反應(yīng)生成的CO、CO2和H2能繼續(xù)與碳或水蒸氣反應(yīng)三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算上述反應(yīng)中有吸熱反應(yīng)，也有放熱反應(yīng)。反應(yīng)（2-2）、（2-4）、（2-5）、（2-9）的平衡常數(shù)分別表示為：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算表表2-5 2-5 反應(yīng)（反應(yīng)（2-22-2）、（）、（2-42-4）、（）、（2-52-5）、（）、（2-92-9）的平衡常數(shù)與溫度關(guān)系）的平衡常數(shù)與溫度關(guān)系三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算（2 2）碳與水蒸氣反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計算）碳與水蒸氣

37、反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計算 如水蒸氣與碳的反應(yīng)程度可用蒸汽分解率表示：CO2、H2、CH4的組成分別為 ，則有如下關(guān)系：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算干水煤氣中各組分間的關(guān)系為三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算 例例2-22-2已知干水煤氣中含CO27%，CH40.5%，若蒸汽分解率為40%，試計算干水煤氣中的CO和H2組成及生產(chǎn)1m3（標(biāo)況）的干水煤氣消耗的水蒸氣量。解 由式（2-35）、式（2-36）可得方程組：三、煤氣平衡組成的計算三、煤氣平衡組成的計算根據(jù)方程(a)、(b)解得CO、H2的組成分別為：又已知 由式（2-34）可得第三節(jié) 煤的性質(zhì)對氣化的影響12煤

38、種對氣化影響煤種對氣化影響34不同煤種對氣化的影響不同煤種對氣化的影響水分含量對氣化的影響水分含量對氣化的影響56灰分含量對氣化的影響灰分含量對氣化的影響揮發(fā)分對氣化的影響揮發(fā)分對氣化的影響78硫分對氣化的影響硫分對氣化的影響粒度對氣化的影響粒度對氣化的影響9燃料的灰熔點和成渣性對氣化的影響燃料的灰熔點和成渣性對氣化的影響10煤其他性質(zhì)對氣化的影響煤其他性質(zhì)對氣化的影響氣化用煤分類氣化用煤分類m氣化用煤的種類對其化過程有很大的影響，煤種不僅影響氣化產(chǎn)品的產(chǎn)率與質(zhì)量，而且關(guān)系到氣化的生產(chǎn)操作條件。所以，在選擇氣化用原料的種類時，必須結(jié)合氣化方式和氣化爐的結(jié)構(gòu)進行考慮，也要充分利用資源，合理選用原

39、料。67一、煤種對氣化影響一、煤種對氣化影響煤是由植物殘骸經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的。這個轉(zhuǎn)變過程叫做植物的成煤過程。煤的形成需二億年，可用煤化度煤化度來表示煤的化學(xué)成熟程度。m成煤過程泥炭化階段泥炭化階段煤化階段煤化階段植物殘骸分解為泥炭和腐泥，其中含有大量的腐植物殘骸分解為泥炭和腐泥，其中含有大量的腐植酸植酸變質(zhì)作用變質(zhì)作用成巖作用成巖作用主要發(fā)生于地表的泥炭沼澤、湖泊以及淺海濱岸地帶，主要作用：菌解作用（表生的生物地球化學(xué)作用）結(jié)果：使低等植物轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，高等植物則形成泥炭。即煤在溫度、壓力條件下進一步轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)作用，使碳的含量進一步增加，成為褐煤；是褐煤受高溫高

40、壓的影響而變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程二、氣化用煤分類二、氣化用煤分類第一類第一類，氣化時不黏結(jié)也不產(chǎn)生焦油，代表性原料有無煙煤、焦炭、半焦、貧煤；第二類第二類，氣化時黏結(jié)并產(chǎn)生焦油，代表性原料有弱黏結(jié)或不黏結(jié)煙煤；第三類第三類，氣化時不黏結(jié)但產(chǎn)生焦油，代表性原料有褐煤；第四類，以泥炭為代表性原料，氣化時不黏結(jié)，能產(chǎn)生大量的甲烷。氣化用煤種的主要特征氣化用煤種的主要特征氣化時不黏結(jié)，不產(chǎn)生焦油，所生產(chǎn)的煤氣中只含有少量氣化時不黏結(jié)，不產(chǎn)生焦油，所生產(chǎn)的煤氣中只含有少量的甲烷，不飽和碳氫化合物極少，但煤氣熱值較低。的甲烷，不飽和碳氫化合物極少，但煤氣熱值較低。 無煙煤無煙煤貧煤貧煤焦炭焦炭半焦半焦 A

41、 煙煤煙煤 A 泥炭泥炭 A 褐煤褐煤 A 氣氣化化煤煤種種 氣化時黏結(jié)，并且產(chǎn)生焦油，煤氣中的不飽和烴、碳氫化氣化時黏結(jié)，并且產(chǎn)生焦油，煤氣中的不飽和烴、碳氫化合物較多，煤氣的凈化系統(tǒng)較復(fù)雜，煤氣的熱值較高。合物較多，煤氣的凈化系統(tǒng)較復(fù)雜，煤氣的熱值較高。 氣化時不黏結(jié)但產(chǎn)生焦油，加熱時不產(chǎn)生膠質(zhì)體，含有較氣化時不黏結(jié)但產(chǎn)生焦油，加熱時不產(chǎn)生膠質(zhì)體，含有較高的內(nèi)在水分和數(shù)量不等的腐殖酸，揮發(fā)分高，加熱時不高的內(nèi)在水分和數(shù)量不等的腐殖酸，揮發(fā)分高，加熱時不軟化，不熔融。軟化，不熔融。泥炭煤中含有大量的腐殖酸，揮發(fā)分產(chǎn)率近泥炭煤中含有大量的腐殖酸，揮發(fā)分產(chǎn)率近70%70%左右。氣左右。氣化時不黏

42、結(jié)，但產(chǎn)生焦油和脂肪酸，所生產(chǎn)的煤氣中含有化時不黏結(jié)，但產(chǎn)生焦油和脂肪酸，所生產(chǎn)的煤氣中含有大量的甲烷和不飽和碳氫化合物。大量的甲烷和不飽和碳氫化合物。三、不同煤種對氣化的影響三、不同煤種對氣化的影響1 1對煤氣的組分和產(chǎn)率的影響對煤氣的組分和產(chǎn)率的影響發(fā)熱值：發(fā)熱值：指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一立方米煤氣在完全燃燒時所放出的熱量指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一立方米煤氣在完全燃燒時所放出的熱量。高發(fā)熱值：燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在稱高發(fā)熱值高發(fā)熱值：燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在稱高發(fā)熱值。低發(fā)熱值：水也氣態(tài)形式存在稱低發(fā)熱值。低發(fā)熱值：水也氣態(tài)形式存在稱低發(fā)熱值。在各種相同的操作條件下，不同的煤種所產(chǎn)煤氣的發(fā)熱值不同

43、，組在各種相同的操作條件下，不同的煤種所產(chǎn)煤氣的發(fā)熱值不同，組成也不同。例如，以年輕的褐煤為氣化原料，所生產(chǎn)的煤氣甲烷含成也不同。例如，以年輕的褐煤為氣化原料，所生產(chǎn)的煤氣甲烷含量高，發(fā)熱值比其他煤種都高量高，發(fā)熱值比其他煤種都高這是由于褐煤的揮發(fā)份高、變質(zhì)程這是由于褐煤的揮發(fā)份高、變質(zhì)程度低，煤氣中的干餾氣比例大，而干餾氣的甲烷含量高，有利于甲度低，煤氣中的干餾氣比例大，而干餾氣的甲烷含量高，有利于甲烷的生成烷的生成。對于同一煤種生產(chǎn)的煤氣，壓力增大，發(fā)熱值就越高對于同一煤種生產(chǎn)的煤氣，壓力增大，發(fā)熱值就越高。隨著揮發(fā)份含量的提高，制得的煤氣中二氧化碳的含量上升，在隨著揮發(fā)份含量的提高，制得

44、的煤氣中二氧化碳的含量上升，在脫除二氧化碳后的凈煤氣中甲烷含量更高，相應(yīng)使煤氣的發(fā)熱值提脫除二氧化碳后的凈煤氣中甲烷含量更高，相應(yīng)使煤氣的發(fā)熱值提高。高。（1）發(fā)熱值與煤種關(guān)系三、不同煤種對氣化的影響三、不同煤種對氣化的影響（2）對煤氣產(chǎn)率的影響一般來說，煤中揮發(fā)份越高，轉(zhuǎn)變?yōu)榻褂偷挠袡C物就越多，煤氣的產(chǎn)率下降。三、不同煤種對氣化的影響三、不同煤種對氣化的影響3 3焦油組成和產(chǎn)率的影響焦油組成和產(chǎn)率的影響表表2-6 2-6 不同煤種氣化所得油品組成不同煤種氣化所得油品組成煤 種輕 質(zhì) 油輕 焦 油重 焦 油褐 煤101538424550年輕煙煤152035404248年老煙煤253030354

45、045四、水分含量對氣化的影響四、水分含量對氣化的影響煤中的水分存在的形式有三種，包括外在水分、內(nèi)在水分和結(jié)晶水。外在水分外在水分是在煤的開采、運輸、儲存和洗選過程中潤濕在煤的外表面以及大毛細孔而形成的。含有外在水分的煤為應(yīng)用煤，失去外在水分的煤為風(fēng)干煤。內(nèi)在水分內(nèi)在水分是吸附或凝聚在煤內(nèi)部較小的毛細孔中的水分，失去內(nèi)在水分的煤為絕對干燥煤。結(jié)晶水結(jié)晶水通常溫度高于200度才可析出m煤中的水分隨煤變質(zhì)程度的加深而減少，水分較高的煤，往往揮發(fā)份也高。有水分的煤在干餾階段，煤半焦形成時的氣孔率大，進入氣化層能使反應(yīng)速度加快，生成的煤氣質(zhì)量較好。另外在氣化一定煤種時，其焦油和水分存在著一定的關(guān)系，水

46、分太低，會使焦油產(chǎn)率下降。由于氣化爐的生產(chǎn)能力較高煤在爐內(nèi)干燥、干餾層的加熱速度很快，容易使煤塊破碎而引起出口煤氣中含塵量增大，所以要求煤中含有一定的水分，但水分過高又會給氣化過程帶來不良的影響。m水分過高，增加了干燥所需的熱量，從而增加了氧氣消耗，降低了氣化效率。m水分過高，煤處于潮濕狀態(tài)，易形成粉煤粘結(jié)和堵塞篩分，使入爐粉煤量增加。m入爐煤水分過高，干燥不充分，這樣將導(dǎo)致干餾過程不能正常運行，進而又會降低氣化層溫度，最終導(dǎo)致甲烷生成反應(yīng)，二氧化碳及水蒸氣的還原反應(yīng)大大降低，煤氣質(zhì)量顯著降低。五、灰分含量對氣化的影響五、灰分含量對氣化的影響將一定量的煤樣在800的條件下完全燃燒，殘余物即灰分，灰分含量反映煤中礦物含量的大小。常見的有硅、鋁、鐵、鎂、鉀、鈣、硫、磷等元素和以碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽和硫化物等形式的鹽類?？梢?，煤的灰分是一種廢物 ，他在煤氣化過程中也會帶來有害的影響m煤中灰分高，不但降低了煤的熱值，而且增大了運輸費用。m煤中灰分高，灰渣中的殘?zhí)剂恳苍龃蟆＿@樣增加了碳損失，降低了氣化效率。m煤中灰分高，隨灰?guī)С龅娘@熱也增大，從而加大了熱損失。m