化工工藝學(xué)9章煤的化學(xué)加工

1、化學(xué)工程與工藝專業(yè)化學(xué)工程與工藝專業(yè)l9.1 煤及其轉(zhuǎn)化利用煤及其轉(zhuǎn)化利用lCoal and its conversion and utilizationl9.1.1煤的組成、分類及我國煤炭資源煤的組成、分類及我國煤炭資源 l9.1.1.1 煤的組成和結(jié)構(gòu)煤的組成和結(jié)構(gòu)l煤是由高等植物經(jīng)生物化學(xué)、物理化學(xué)和地球化煤是由高等植物經(jīng)生物化學(xué)、物理化學(xué)和地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變成的固體有機(jī)可燃礦物。學(xué)作用轉(zhuǎn)變成的固體有機(jī)可燃礦物。l煤化序列為：植物煤化序列為：植物泥炭泥炭(腐泥腐泥)褐煤褐煤煙煤煙煤無煙煤。無煙煤。l成煤植物中所有組分都參與了煤的形成過程，其成煤植物中所有組分都參與了煤的形成過程，其中主要是

2、纖維素和木質(zhì)素。中主要是纖維素和木質(zhì)素。l煤的主要元素為煤的主要元素為C、H、O,含少量含少量S、N。lC含量隨煤化程度增高而增大。褐煤含含量隨煤化程度增高而增大。褐煤含C量量70；無煙煤含無煙煤含C92，氧含量則從，氧含量則從20%左右降到左右降到2左右，氫含量由左右，氫含量由8左右降到左右降到4%左右。左右。lN、S含量與煤化度關(guān)系不大，分別約含量與煤化度關(guān)系不大，分別約0.52%、0.53%。l煤的基本結(jié)構(gòu)單元為縮合芳烴及環(huán)烷烴及多種側(cè)煤的基本結(jié)構(gòu)單元為縮合芳烴及環(huán)烷烴及多種側(cè)鏈，雜原子及官能團(tuán)。鏈，雜原子及官能團(tuán)。l側(cè)鏈往往是聯(lián)結(jié)各基本單元的橋鍵。側(cè)鏈往往是聯(lián)結(jié)各基本單元的橋鍵。l年輕

3、煤縮合芳烴少，側(cè)鏈長，脂肪烴和含氧官能年輕煤縮合芳烴少，側(cè)鏈長，脂肪烴和含氧官能團(tuán)多。團(tuán)多。l煤大分子之間由交聯(lián)鍵形成空間結(jié)構(gòu)。在大分子煤大分子之間由交聯(lián)鍵形成空間結(jié)構(gòu)。在大分子空間結(jié)構(gòu)中有許多內(nèi)表面積大的微孔。大分子中空間結(jié)構(gòu)中有許多內(nèi)表面積大的微孔。大分子中分散著一些低分子化合物，尤其以年輕煤為多。分散著一些低分子化合物，尤其以年輕煤為多。圖圖 9.1 褐煤國際分類褐煤國際分類(ISO295174E)是采用水分含是采用水分含量作為區(qū)分的指標(biāo)，按焦油產(chǎn)率量作為區(qū)分的指標(biāo)，按焦油產(chǎn)率(daf)分組，共分組，共有有30個(gè)牌號。煙煤的國際分類是按個(gè)牌號。煙煤的國際分類是按1956年由年由ECE(E

4、CONOMIC COMMISION for EUROPE)完成的分類。此分類方案是歐美國家煤分類的完成的分類。此分類方案是歐美國家煤分類的產(chǎn)物，采用多指標(biāo)，包括煤的揮發(fā)分、粘結(jié)性、產(chǎn)物，采用多指標(biāo)，包括煤的揮發(fā)分、粘結(jié)性、結(jié)焦性以及發(fā)熱量等。結(jié)焦性以及發(fā)熱量等。 l中國煤分類指標(biāo)：中國煤分類指標(biāo)：l基本指標(biāo)干燥無灰基揮發(fā)分基本指標(biāo)干燥無灰基揮發(fā)分V daf.l煙煤中以粘結(jié)指數(shù)煙煤中以粘結(jié)指數(shù)G作為中、強(qiáng)、弱粘結(jié)煤分作為中、強(qiáng)、弱粘結(jié)煤分類指標(biāo)。類指標(biāo)。l無煙煤中以無煙煤中以V daf和干燥無灰基氫含量作為指標(biāo)。和干燥無灰基氫含量作為指標(biāo)。l褐煤以投光率為指標(biāo)劃分小類。褐煤以投光率為指標(biāo)劃分小類

5、。l煤的轉(zhuǎn)化利用途徑可分為氣化、液化和焦化。煤的轉(zhuǎn)化利用途徑可分為氣化、液化和焦化。l氣化是將其變成水煤氣或發(fā)生爐煤氣，然后作燃?xì)饣菍⑵渥兂伤簹饣虬l(fā)生爐煤氣，然后作燃料或化工原料。料或化工原料。 l液化是將其變成芳烴、烷烴、脂肪烴等油品。液化是將其變成芳烴、烷烴、脂肪烴等油品。l焦化是煉焦。同時(shí)得到焦油、煤氣?；蚍Q部分液焦化是煉焦。同時(shí)得到焦油、煤氣?；蚍Q部分液化和部分氣化?；筒糠謿饣?。l煤的轉(zhuǎn)化利用途徑概況如圖煤的轉(zhuǎn)化利用途徑概況如圖9.2.9. 9.圖圖 9.2l9.2.1 概述概述l煤氣化是煤與氣化劑作用生成氣體混合物的反應(yīng)煤氣化是煤與氣化劑作用生成氣體混合物的反應(yīng)過程。目的是將煤

6、轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w。煤氣化過程過程。目的是將煤轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w。煤氣化過程包含煤的熱解、半焦的氣化等過程。煤氣的主要包含煤的熱解、半焦的氣化等過程。煤氣的主要組成為組成為CO,CO2,H2,CH4,H2O.l1. 煤氣分類及用途煤氣分類及用途l根據(jù)煤氣組成不同可分為：發(fā)生爐煤氣和水煤氣、根據(jù)煤氣組成不同可分為：發(fā)生爐煤氣和水煤氣、合成氣和還原氣、城市煤氣和焦?fàn)t煤氣、富氣和合成氣和還原氣、城市煤氣和焦?fàn)t煤氣、富氣和合成天然氣。合成天然氣。l交替吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱水煤交替吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱水煤氣。氣。l同時(shí)吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱發(fā)生同時(shí)吹空氣和水蒸氣到發(fā)

7、生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱發(fā)生爐煤氣。爐煤氣。l典型組成典型組成%：l CO2 H2 CO N2 CH4 高熱值高熱值 MJ/m3l水煤氣水煤氣 5.0 50.0 40.0 5.0 0 10.512.2l發(fā)生爐煤氣發(fā)生爐煤氣 5.5 10.5 29.0 55.0 0 4.45.1l合成氣是根據(jù)不同用途控制煤氣化過程產(chǎn)生的，主合成氣是根據(jù)不同用途控制煤氣化過程產(chǎn)生的，主要用作不同化工產(chǎn)品的加工。如合成氨的合成氣對要用作不同化工產(chǎn)品的加工。如合成氨的合成氣對H2N2要求很高，合成甲醇用氣要求很高，合成甲醇用氣CO含量較高等等。含量較高等等。l還原氣是指煉鐵過程中產(chǎn)生的可燃性氣體，要求其還原氣是指煉鐵過程中

8、產(chǎn)生的可燃性氣體，要求其中水蒸氣和二氧化碳含量較少，較多時(shí)應(yīng)將其除去。中水蒸氣和二氧化碳含量較少，較多時(shí)應(yīng)將其除去。l (3)城市煤氣城市煤氣l城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提高熱值和減少城市空氣污染。高熱值和減少城市空氣污染。l水分：水分：水分較高時(shí)只適宜用固定床氣化法，因?yàn)樗州^高時(shí)只適宜用固定床氣化法，因?yàn)檫@種方法床內(nèi)溫度高。這種方法床內(nèi)溫度高。l灰分和灰熔點(diǎn)：灰分和灰熔點(diǎn)：灰分越低越好，固態(tài)排渣爐要求灰分越低越好，固態(tài)排渣爐要求灰熔點(diǎn)高，氣化溫度不能超過灰熔點(diǎn)；而液態(tài)排灰熔點(diǎn)高，氣化溫度不能超過灰熔點(diǎn)；而液態(tài)排渣則需要灰熔點(diǎn)低，氣

9、化溫度必須超過灰熔點(diǎn)。渣則需要灰熔點(diǎn)低，氣化溫度必須超過灰熔點(diǎn)。l揮發(fā)組分：揮發(fā)組分：容易揮發(fā)組分首先反應(yīng)或者混入產(chǎn)生容易揮發(fā)組分首先反應(yīng)或者混入產(chǎn)生的煤氣中，影響煤氣化過程和氣化結(jié)果?？偟膩淼拿簹庵?，影響煤氣化過程和氣化結(jié)果?？偟膩碚f，揮發(fā)組分多，固定說，揮發(fā)組分多，固定C就低，煤的熱值低。就低，煤的熱值低。l粘結(jié)性：粘結(jié)性：粘結(jié)性煤在加熱到粘結(jié)性煤在加熱到350450C時(shí)就形成時(shí)就形成膠質(zhì)體，發(fā)生軟化、熔融，有液相產(chǎn)物與煤粘在膠質(zhì)體，發(fā)生軟化、熔融，有液相產(chǎn)物與煤粘在一起，析出揮發(fā)物固化后形成塊狀焦炭。這種煤一起，析出揮發(fā)物固化后形成塊狀焦炭。這種煤氣化時(shí)需要破粘措施。由于有粘結(jié)性，所以用

10、它氣化時(shí)需要破粘措施。由于有粘結(jié)性，所以用它作焦化原料特別好，一般不用于氣化。作焦化原料特別好，一般不用于氣化。l粒度粒度l煤的粒度可分為小于煤的粒度可分為小于6mm的粉煤、小塊和中塊，的粉煤、小塊和中塊，機(jī)械化采煤粉煤含量高。褐煤易風(fēng)化裂碎，粉煤機(jī)械化采煤粉煤含量高。褐煤易風(fēng)化裂碎，粉煤量較大。流化床氣化可用粒度小于量較大。流化床氣化可用粒度小于6mm的煤；的煤；氣流床用細(xì)粉煤；固定床用塊煤。氣流床用細(xì)粉煤；固定床用塊煤。 l1. 煤氣化的化學(xué)平衡煤氣化的化學(xué)平衡l主要化學(xué)反應(yīng)有：主要化學(xué)反應(yīng)有：l O2+C CO2 (1) lCO2 + C 2CO (2)lH2O + C CO + H2

11、(3)l2H2 + C CH4 (4)lCO + 3H2 CH4 + H2O (5)CO + H2O CO2+ H2 (6)l反應(yīng)反應(yīng)(2)、(3)、(4)、(6)的化學(xué)平衡常數(shù)及反應(yīng)熱的化學(xué)平衡常數(shù)及反應(yīng)熱見表見表9.2。l雖然以上幾反應(yīng)中主要為放熱反應(yīng)，理論上溫度雖然以上幾反應(yīng)中主要為放熱反應(yīng)，理論上溫度低對平衡有利。但要兼顧反應(yīng)速度，所以必須有低對平衡有利。但要兼顧反應(yīng)速度，所以必須有較高溫度。較高溫度。l由熱力學(xué)平衡關(guān)系可以從理論上計(jì)算氣化氣體組由熱力學(xué)平衡關(guān)系可以從理論上計(jì)算氣化氣體組成與平衡溫度關(guān)系。成與平衡溫度關(guān)系。反應(yīng)反應(yīng)(2)、(3)是吸熱反應(yīng)，是吸熱反應(yīng)，溫度高有利生成溫度

12、高有利生成CO和和H2。壓力高對反應(yīng)。壓力高對反應(yīng)(4)、(5)有利，所以高壓氣化可得到甲烷含量高的高熱值有利，所以高壓氣化可得到甲烷含量高的高熱值氣體。氣體。02022pppKCOCOp 00223ppppKOHHCOp 200244HCHppppK OHCOHCOpppppK22260 l煤氣化過程：熱解煤氣化過程：熱解半焦半焦液態(tài)、氣態(tài)產(chǎn)品。液態(tài)、氣態(tài)產(chǎn)品。熱解是化學(xué)反應(yīng)控制步驟，低溫下速度較慢。熱解是化學(xué)反應(yīng)控制步驟，低溫下速度較慢。若在高溫下，熱解不成問題，但傳質(zhì)速度能否若在高溫下，熱解不成問題，但傳質(zhì)速度能否跟上又成了關(guān)鍵。跟上又成了關(guān)鍵。l反應(yīng)速率公式：反應(yīng)速率公式：l碳氧化反應(yīng)

13、碳氧化反應(yīng) 2OccCkmdtdn RTEAkaexpl還原反應(yīng)還原反應(yīng)l由此可以看出，當(dāng)由此可以看出，當(dāng)CO2濃度很高時(shí)，反應(yīng)近似為濃度很高時(shí)，反應(yīng)近似為零級反應(yīng)；當(dāng)零級反應(yīng)；當(dāng)CO2濃度很低時(shí)，生成的濃度很低時(shí)，生成的CO濃度也濃度也很低，反應(yīng)近似為一級反應(yīng)。很低，反應(yīng)近似為一級反應(yīng)。l氣化過程的水煤氣反應(yīng)的反應(yīng)速率方程為氣化過程的水煤氣反應(yīng)的反應(yīng)速率方程為 l當(dāng)當(dāng)k2CH21時(shí)，令時(shí)，令k=k1/k2可得可得COCOCOccCKCKCKmdtdn321221 22211HOHCCCkCkmdtdn 22HOHCCCCkmdtdn l由進(jìn)出物料的相互轉(zhuǎn)化可建立物料平衡，通過物由進(jìn)出物料的相

14、互轉(zhuǎn)化可建立物料平衡，通過物料平衡以及進(jìn)出物料溫度即可進(jìn)行熱平衡計(jì)算。料平衡以及進(jìn)出物料溫度即可進(jìn)行熱平衡計(jì)算。圖圖 9.10l煤氣化方法有多種，氣化爐也有多種?？煞譃槊簹饣椒ㄓ卸喾N，氣化爐也有多種。可分為固定床、沸騰床、氣流床三種形式。幾種氣化固定床、沸騰床、氣流床三種形式。幾種氣化法和氣化爐簡圖如圖法和氣化爐簡圖如圖9.3.圖圖 9.39.3l塊狀原料煤一般用固定床氣化爐。在上部加料，塊狀原料煤一般用固定床氣化爐。在上部加料，隨氣化過程進(jìn)行料層慢慢下降，同時(shí)氣化劑由隨氣化過程進(jìn)行料層慢慢下降，同時(shí)氣化劑由下向上逆流通過。下向上逆流通過。l優(yōu)點(diǎn)：操作費(fèi)用低、爐總效率高。優(yōu)點(diǎn)：操作費(fèi)用低、爐

15、總效率高。l缺點(diǎn)：熱煤氣流經(jīng)煤層時(shí)容易將煤加熱使其干缺點(diǎn)：熱煤氣流經(jīng)煤層時(shí)容易將煤加熱使其干燥，產(chǎn)生焦油和酚混在煤氣中，使凈化困難；燥，產(chǎn)生焦油和酚混在煤氣中，使凈化困難；對于有粘性的煤，還需設(shè)置破粘裝置；需設(shè)置對于有粘性的煤，還需設(shè)置破粘裝置；需設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅；操作周期短、維修費(fèi)用大。轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅；操作周期短、維修費(fèi)用大。l細(xì)煤粉宜用沸騰床氣化。細(xì)煤粉宜用沸騰床氣化。l優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)、溫度優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)、溫度分布均勻、溫度調(diào)節(jié)快、分布均勻、溫度調(diào)節(jié)快、爐子構(gòu)造簡單、投資少。爐子構(gòu)造簡單、投資少。l缺點(diǎn)：有返混現(xiàn)象、反缺點(diǎn)：有返混現(xiàn)象、反應(yīng)溫度受原料灰熔點(diǎn)限應(yīng)溫度受原料灰熔點(diǎn)限制、不適宜于粘結(jié)性煤制

16、、不適宜于粘結(jié)性煤和好煤。和好煤。l很細(xì)的粉塵煤用氣流床氣化。很細(xì)的粉塵煤用氣流床氣化。通常煤與氣化劑并流進(jìn)入氣通常煤與氣化劑并流進(jìn)入氣化爐?；癄t。l優(yōu)點(diǎn)：用粉煤比用塊煤價(jià)格優(yōu)點(diǎn)：用粉煤比用塊煤價(jià)格低、不受煤種限制、無焦油低、不受煤種限制、無焦油酚等副產(chǎn)物、廢水少、可以酚等副產(chǎn)物、廢水少、可以用加壓氣化法提高生產(chǎn)能力。用加壓氣化法提高生產(chǎn)能力。l高壓氣化缺點(diǎn)：對灰熔點(diǎn)高高壓氣化缺點(diǎn)：對灰熔點(diǎn)高的原料煤排渣困難、氣化效的原料煤排渣困難、氣化效率較低。因?yàn)楸仨毑捎煤芨呗瘦^低。因?yàn)楸仨毑捎煤芨邷囟炔拍軞饣?。溫度才能氣化。l1. 常壓氣化常壓氣化l用空氣和水蒸氣作氣化劑，生產(chǎn)低熱值的發(fā)生爐煤用空氣和水

17、蒸氣作氣化劑，生產(chǎn)低熱值的發(fā)生爐煤氣作工業(yè)用煤氣。用塊狀煤，固態(tài)排渣。氣化爐常氣作工業(yè)用煤氣。用塊狀煤，固態(tài)排渣。氣化爐常為圓形，下有轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅，燃料從上部加入，氣化劑為圓形，下有轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅，燃料從上部加入，氣化劑由下向上逆流導(dǎo)出。爐內(nèi)從上到下分為煤干燥、干由下向上逆流導(dǎo)出。爐內(nèi)從上到下分為煤干燥、干餾、氣化、燃燒層。餾、氣化、燃燒層。l2. 魯奇加壓氣化魯奇加壓氣化l加壓氣化與常壓氣化的不同只是操作壓力不同，煤加壓氣化與常壓氣化的不同只是操作壓力不同，煤的適應(yīng)范圍不同，操作過程和爐結(jié)構(gòu)都大同小異。的適應(yīng)范圍不同，操作過程和爐結(jié)構(gòu)都大同小異。圖圖 9.4圖圖 9.5l加壓氣化優(yōu)點(diǎn)：能耗低、煤氣熱值

18、高。加壓氣化優(yōu)點(diǎn)：能耗低、煤氣熱值高。l過程：粒度過程：粒度530mm的煤間歇加入爐內(nèi)，但爐內(nèi)的煤間歇加入爐內(nèi)，但爐內(nèi)布料器上存煤多，煤進(jìn)入爐膛燃燒區(qū)是連續(xù)的。布料器上存煤多，煤進(jìn)入爐膛燃燒區(qū)是連續(xù)的。爐內(nèi)設(shè)有破粘裝置。爐內(nèi)設(shè)有破粘裝置。l煤氣化壓力約煤氣化壓力約3MPa,水蒸氣和氧氣由轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅水蒸氣和氧氣由轉(zhuǎn)動(dòng)爐箅進(jìn)入氣化爐，生成的煤氣由上部引出，灰渣經(jīng)進(jìn)入氣化爐，生成的煤氣由上部引出，灰渣經(jīng)下部灰箱排出。煤粒在爐內(nèi)從上到下移動(dòng)經(jīng)過下部灰箱排出。煤粒在爐內(nèi)從上到下移動(dòng)經(jīng)過干燥層、熱解層、氣化層、燃燒層。干燥層、熱解層、氣化層、燃燒層。l魯奇加壓氣化爐如圖魯奇加壓氣化爐如圖9.4.l魯奇加壓氣

19、化流程如圖魯奇加壓氣化流程如圖9.5.l氣化氣化除塵除焦油除塵除焦油變換變換洗滌洗滌l變換目的：發(fā)生變換反應(yīng)調(diào)節(jié)變換目的：發(fā)生變換反應(yīng)調(diào)節(jié)CO/H2、提高、提高H2的比例、提高煤氣熱值。的比例、提高煤氣熱值。l洗滌目的：除去洗滌目的：除去H2S等有害氣體或惰性組分。等有害氣體或惰性組分。l脫酚：回收酚。脫酚：回收酚。圖圖 9.6圖圖 9.7l一個(gè)典型煤反應(yīng)速率常數(shù)與溫度關(guān)系如一個(gè)典型煤反應(yīng)速率常數(shù)與溫度關(guān)系如9.8.l通常情況下隨溫度升高反應(yīng)速率是上升的。但是通常情況下隨溫度升高反應(yīng)速率是上升的。但是在在600700C 之間有異常。其加熱反應(yīng)速率大約之間有異常。其加熱反應(yīng)速率大約為恒溫為恒溫6

20、00C的的3倍，為倍，為700C的的2倍。原因是反應(yīng)倍。原因是反應(yīng)溫度較高時(shí)熱解反應(yīng)劇烈有中間產(chǎn)物和其它副反溫度較高時(shí)熱解反應(yīng)劇烈有中間產(chǎn)物和其它副反應(yīng)發(fā)生，關(guān)系復(fù)雜。應(yīng)發(fā)生，關(guān)系復(fù)雜。圖圖 9.8l優(yōu)點(diǎn)：物料逆流操作、氫耗低、優(yōu)點(diǎn)：物料逆流操作、氫耗低、C含量恒定，含量恒定，動(dòng)力學(xué)條件好，氣體作合成氣時(shí)壓縮費(fèi)用低。動(dòng)力學(xué)條件好，氣體作合成氣時(shí)壓縮費(fèi)用低。l缺點(diǎn)：煤的粒度要求嚴(yán)格，粒度小的煤可使生缺點(diǎn)：煤的粒度要求嚴(yán)格，粒度小的煤可使生產(chǎn)能力下降；需要處理產(chǎn)生的低溫干餾氣體；產(chǎn)能力下降；需要處理產(chǎn)生的低溫干餾氣體；水蒸氣轉(zhuǎn)化率低，只有水蒸氣轉(zhuǎn)化率低，只有3040%.l水蒸氣轉(zhuǎn)化率可采取液態(tài)排渣

21、措施來提高。水蒸氣轉(zhuǎn)化率可采取液態(tài)排渣措施來提高。l用出爐粗煤氣用出爐粗煤氣(含有水蒸氣含有水蒸氣)與熱粗煤氣發(fā)生變與熱粗煤氣發(fā)生變換反應(yīng)，可以減少水蒸氣的消耗。換反應(yīng)，可以減少水蒸氣的消耗。l魯奇加壓氣化法的消耗指標(biāo)見表魯奇加壓氣化法的消耗指標(biāo)見表9.4.l爐的上部與魯奇法一樣，下部不同。結(jié)構(gòu)圖如圖爐的上部與魯奇法一樣，下部不同。結(jié)構(gòu)圖如圖9.9.l特點(diǎn)：蒸汽用量少、氣化溫度高灰渣為液態(tài)。熔特點(diǎn)：蒸汽用量少、氣化溫度高灰渣為液態(tài)。熔渣連續(xù)從下部排出后進(jìn)入急冷室，冷成固體從灰渣連續(xù)從下部排出后進(jìn)入急冷室，冷成固體從灰箱排出。因此產(chǎn)生的廢水少、箱排出。因此產(chǎn)生的廢水少、COH2可在較寬可在較寬范

22、圍內(nèi)調(diào)節(jié)，煤氣適宜作合成氣。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，煤氣適宜作合成氣。l物料平衡、熱量平衡數(shù)據(jù)如圖物料平衡、熱量平衡數(shù)據(jù)如圖9.10.9.9l特點(diǎn)：操作壓力更高特點(diǎn)：操作壓力更高10MPa.甲烷含量顯著增甲烷含量顯著增加，氫含量減少。加，氫含量減少。l耗氧量、氣化效率與壓力的關(guān)系如圖耗氧量、氣化效率與壓力的關(guān)系如圖9.11.9.11l沸騰床氣化法也稱溫克勒沸騰床氣化法也稱溫克勒(Winkler)氣化法，分氣化法，分為為Winkler、HTW法兩種。氣化爐如圖法兩種。氣化爐如圖9.12.l優(yōu)點(diǎn)：煤氣生產(chǎn)能力彈性大、氧氣耗量低、開停優(yōu)點(diǎn)：煤氣生產(chǎn)能力彈性大、氧氣耗量低、開停操作簡單、運(yùn)行可靠、原料煤處理費(fèi)用低

23、、粉煤操作簡單、運(yùn)行可靠、原料煤處理費(fèi)用低、粉煤可全部利用，即使灰分為可全部利用，即使灰分為40%的煤也能運(yùn)行。的煤也能運(yùn)行。l缺點(diǎn)：比高壓法成本高，不適宜粘結(jié)性煤，氣化缺點(diǎn)：比高壓法成本高，不適宜粘結(jié)性煤，氣化溫度必須低于灰熔點(diǎn)，灰中含溫度必須低于灰熔點(diǎn)，灰中含C量高。量高。l高溫法壓力提高到高溫法壓力提高到1MPa，溫度提高到，溫度提高到1000C，夾帶粉粒再循環(huán)，可用軟褐煤生產(chǎn)合成氣。夾帶粉粒再循環(huán)，可用軟褐煤生產(chǎn)合成氣。圖圖 9.12l1. 考伯斯托茨克氣化法考伯斯托茨克氣化法lKoppers-Totzek法是用氧氣和水蒸氣作氣化劑的法是用氧氣和水蒸氣作氣化劑的常壓氣化法，用細(xì)粉煤與氣

24、化劑并流的氣流床產(chǎn)常壓氣化法，用細(xì)粉煤與氣化劑并流的氣流床產(chǎn)生煤氣的方法。生煤氣的方法。l粉煤粒度小于粉煤粒度小于0.1mm對于不同原料煤可以允許一對于不同原料煤可以允許一定數(shù)量的大粒煤。煤的灰分應(yīng)小于定數(shù)量的大粒煤。煤的灰分應(yīng)小于 40%，褐煤水，褐煤水分應(yīng)小于分應(yīng)小于68%，煙煤水分小于，煙煤水分小于12%。煤干燥和。煤干燥和粉碎煤在同一工序進(jìn)行。煤干燥用燃燒煤的熱煙粉碎煤在同一工序進(jìn)行。煤干燥用燃燒煤的熱煙氣，煙氣把煤粉輸送到煤槽，再用旋風(fēng)分離器將氣，煙氣把煤粉輸送到煤槽，再用旋風(fēng)分離器將煙氣和煤粉分離。煙氣除塵最后用電除塵器控制煙氣和煤粉分離。煙氣除塵最后用電除塵器控制標(biāo)準(zhǔn)。氣化爐和流

25、程如圖標(biāo)準(zhǔn)。氣化爐和流程如圖9.13,9.14.圖圖 9.13圖圖 9.14l從給料機(jī)吹氧氣和水蒸氣將煤送入反應(yīng)器，氧氣、從給料機(jī)吹氧氣和水蒸氣將煤送入反應(yīng)器，氧氣、泄氣與原料煤粉比例由溫度確定，大部分灰分以泄氣與原料煤粉比例由溫度確定，大部分灰分以液態(tài)排出。氣化溫度約液態(tài)排出。氣化溫度約15001600C，C的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率高。高。lKT法主要用于生產(chǎn)合成氣。有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化法主要用于生產(chǎn)合成氣。有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的物質(zhì)如成穩(wěn)定的物質(zhì)如CO2、CO、H2、H2O等。氣化爐等。氣化爐中部氧化熱量用于產(chǎn)生中部氧化熱量用于產(chǎn)生10MPa的高壓蒸汽。氣化的高壓蒸汽。氣化爐本身也可用水間接冷卻產(chǎn)生低壓

26、水蒸氣。但煤爐本身也可用水間接冷卻產(chǎn)生低壓水蒸氣。但煤氣需經(jīng)二次水洗后再分離，經(jīng)電除塵后才到后續(xù)氣需經(jīng)二次水洗后再分離，經(jīng)電除塵后才到后續(xù)工序繼續(xù)加工。工序繼續(xù)加工。l生產(chǎn)指標(biāo)及消耗見表生產(chǎn)指標(biāo)及消耗見表.l德士古氣化法是一種粉煤加壓液態(tài)排渣方法。要德士古氣化法是一種粉煤加壓液態(tài)排渣方法。要求原料煤粒度小于求原料煤粒度小于0.1mm制成水煤漿，煤濃度制成水煤漿，煤濃度70%。用泵將煤漿加入氣化爐，在。用泵將煤漿加入氣化爐，在1400C和和4.0MPa下與氧氣反應(yīng)，生成熔融灰渣排出。下與氧氣反應(yīng)，生成熔融灰渣排出。l用廢熱鍋爐回收熱量產(chǎn)生蒸汽，粗煤氣冷卻到用廢熱鍋爐回收熱量產(chǎn)生蒸汽，粗煤氣冷卻到

27、200C后冷卻并洗滌。流程如圖后冷卻并洗滌。流程如圖9.15.圖圖 9.15l煤直接燃燒發(fā)電污染大，如將煤氣化與發(fā)電結(jié)合，煤直接燃燒發(fā)電污染大，如將煤氣化與發(fā)電結(jié)合，用凈化煤氣發(fā)電，可以減少向大氣排放硫和氮的用凈化煤氣發(fā)電，可以減少向大氣排放硫和氮的氧化物和粉塵等污染物，還可提高發(fā)電效率。氧化物和粉塵等污染物，還可提高發(fā)電效率。l聯(lián)合循環(huán)發(fā)電原理：用一燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)一發(fā)電機(jī)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電原理：用一燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)一發(fā)電機(jī)，利用煙氣顯熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)另一個(gè)利用煙氣顯熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)另一個(gè)與之相連的發(fā)電機(jī)。其流程如圖與之相連的發(fā)電機(jī)。其流程如圖9.16.l優(yōu)點(diǎn)：排放煙氣中不含粉塵，固

28、體殘?jiān)滋幚?，?yōu)點(diǎn)：排放煙氣中不含粉塵，固體殘?jiān)滋幚?，利用現(xiàn)代技術(shù)可回收硫，煙氣中硫氧化物和氮氧利用現(xiàn)代技術(shù)可回收硫，煙氣中硫氧化物和氮氧化物含量低，可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)?；锖康停梢赃_(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。l圖圖9.17是采用流化床氣化的燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電流是采用流化床氣化的燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電流程。程。圖圖 9.16圖圖 9.17l煤的液化分為直接液化和間接液化。煤加氫液煤的液化分為直接液化和間接液化。煤加氫液化為直接液化。間接液化則是以煤氣化產(chǎn)物合化為直接液化。間接液化則是以煤氣化產(chǎn)物合成氣為原料合成液體燃料或化學(xué)品的過程。直成氣為原料合成液體燃料或化學(xué)品的過程。直接液化的主要產(chǎn)物有輕油柴油等，還副產(chǎn)

29、環(huán)烷接液化的主要產(chǎn)物有輕油柴油等，還副產(chǎn)環(huán)烷烴和脂肪烴等化工原料和動(dòng)力燃料。間接液化烴和脂肪烴等化工原料和動(dòng)力燃料。間接液化產(chǎn)品主要有脂肪烴化合物，適合作燃料。產(chǎn)品主要有脂肪烴化合物，適合作燃料。l直接液化要求的原料煤為低灰、磨細(xì)、干燥的直接液化要求的原料煤為低灰、磨細(xì)、干燥的褐煤，或高揮發(fā)分的長焰煤、不粘煤，煤種限褐煤，或高揮發(fā)分的長焰煤、不粘煤，煤種限制嚴(yán)格。本章主要介紹間接液化。制嚴(yán)格。本章主要介紹間接液化。圖圖SVRTEkPx)/exp()1ln( 圖圖 9.19l費(fèi)托合成是強(qiáng)放費(fèi)托合成是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)器熱反應(yīng)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)是如設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)是如何排除大量反應(yīng)何排除大量反應(yīng)熱以滿足最

30、佳反熱以滿足最佳反應(yīng)條件。同時(shí)使應(yīng)條件。同時(shí)使催化劑壽命長、催化劑壽命長、生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)。生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)。l幾種反應(yīng)器如圖幾種反應(yīng)器如圖9.20,9.21,9.22.圖圖 9.20圖圖 9.21圖圖 9.22lSASOL廠采用的兩種工藝流程。廠采用的兩種工藝流程。l(1) Arge固定床合成液體燃料的工藝流程固定床合成液體燃料的工藝流程l如圖如圖9.23。原料煤經(jīng)魯奇加壓氣化得到的粗煤氣，。原料煤經(jīng)魯奇加壓氣化得到的粗煤氣，經(jīng)過冷卻凈化，得到經(jīng)過冷卻凈化，得到H2/CO為為1.7 的凈合成原料氣。的凈合成原料氣。新鮮合成氣和循環(huán)氣以新鮮合成氣和循環(huán)氣以1：2.3比例混合，壓縮到比例混合，壓縮到2.45

31、MPa送入送入Arge反應(yīng)器。合成氣先在熱交換器中反應(yīng)器。合成氣先在熱交換器中被加熱到被加熱到150 180，再進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行合成，再進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行合成反應(yīng)。每個(gè)反應(yīng)器裝有反應(yīng)。每個(gè)反應(yīng)器裝有40m3顆粒顆粒(2 5mm)沉淀鐵沉淀鐵催化劑，其組成為催化劑，其組成為Fe Cu:K2O:SiO2=100:5:5:25。反應(yīng)管外通過沸騰水產(chǎn)生水蒸氣帶走反應(yīng)熱。開反應(yīng)管外通過沸騰水產(chǎn)生水蒸氣帶走反應(yīng)熱。開始反應(yīng)溫度為始反應(yīng)溫度為220 235，在操作周期末允許最高，在操作周期末允許最高溫度為溫度為245。 圖圖 9.23圖圖 9.24圖圖 9.25H2/CO烷烷烴烴總總烴烴催化劑運(yùn)行時(shí)間催化

32、劑運(yùn)行時(shí)間/dm3/d反應(yīng)器反應(yīng)器蠟蠟冷凝縮物冷凝縮物液化氣液化氣熱凝縮物熱凝縮物Rectisol凝縮物凝縮物項(xiàng)項(xiàng) 目目合成方法合成方法F-T法法MFT法法ArgeSynthol12催化劑催化劑 溫度溫度/壓力壓力/MPa原料氣原料氣H2/CO循環(huán)比循環(huán)比CO轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率/%H2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率/%產(chǎn)品產(chǎn)率產(chǎn)品產(chǎn)率(質(zhì)量質(zhì)量)/%甲烷甲烷乙烯乙烯乙烷乙烷丙烯丙烯丙烷丙烷丁烯丁烯丁烷丁烷汽油汽油(C5 C12)柴油柴油(C13 C18)重油重油(C19 C30)蠟蠟(C31+)注注加堿助劑加堿助劑-Fe催化劑催化劑 沉淀鐵沉淀鐵220 2552.5 2.61.7 2.51.5 2.56080 5.00.22.42.02.83.02.222.515.023.018.0SASOL廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)加堿助劑加堿助劑-Fe催化劑催化劑 熔鐵熔鐵320 3402.3 2.42.4 2.82.0 3.07985 4.06.012.02.08.01.039.05.04.02.0 SASOL廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)沉淀鐵沉淀鐵/ZSM-5