煤气化原理1

第二章煤气化原理煤气化生产技术12煤气化原理2煤的性质对气化的影响3煤气化方法1第二章煤气化原理3第二章煤气化原理煤的气化过程是一热化学过程，是煤或煤焦与气化剂（空气、氧气、水蒸气、氢等）在高温下发生化学反应将煤或煤焦中有机物转变为煤气的过程。该过程是在高温、高压下进行的一个复杂的多相物理及物理化学过程。煤的气化过程是一个热化学过程，在特定的设备（气化炉）内它以煤为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气为气化剂（又称气化介质），在一定的压力、温度下，通过部分氧化反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料（即气化煤气，或简称煤气）的过程。4煤气化的定义和实质气化条件（煤炭气化时必须具备三个条件）气化炉、气化剂、供给热量。三者缺一不可。气化产品：CO、H2、CH4O2、H2O、H2、根据产热方式和煤气用途选择性供入（H2很少用）5煤气是气化剂与煤在一定条件下反应得到的混合气体，即气化剂将煤中的碳转化成为可燃性气体。煤气的有效成分为一氧化碳、氢气和甲烷。煤气组成随气化剂所用的煤或煤焦的性质、气化剂的种类、气化过程条件以及煤气炉的结构不同而有差异。因此，在生产工业煤气时，必须根据煤气用途来选择气化剂和气化过程操作条件，才能满足生产的需要。6气化与燃烧的区别？第一个问题请大家思考？气化与干馏的区别？第二个问题7从化学反应的角度，煤的气化和燃烧都属于氧化过程。当煤点燃时，它潜在化学能就会以热的形式释放出来，即空气中的氧气和煤中的碳、氢反应生成CO2和H2O，并释放热量；如果希望使气体产物中的化学能更大的话，从逻辑上讲就是继续减少供氧量。但实际上得有个限度，因为随着供氧量的减少，更多的煤将不能转化为气体而成为未反应碳，气化效率将大打折扣。所以控制供氧量至关重要。在氧气充足的情况下，煤将发生完全氧化反应，其所有的化学能都将转化成热能，这个过程就是燃烧如果此时减少氧气量，那么煤将不能发生完全氧化反应，释放的热量也会减少，煤中剩余的潜在的化学能就会转移到生成的气体产物中，如H2、CO、CH4等。气化与燃烧的区别8干馏是煤在隔绝空气的条件下，在一定的温度范围内发生热解，生成固定焦炭、液体焦油和少量煤气的过程。而气化不仅是高温热解过程，同时还通过与气化剂的部分氧化过程将煤中碳转化为气体产物。从转化的角度看，干馏是将煤本身不到10%的碳转化为可燃气体混合物，而气化则可将碳完全转化。气化与干馏的区别煤加热燃烧+H2O或H2+部分O2气化密闭干馏+o2完全氧化9第二章煤气化原理煤气化主要包括以下四个过程：1．煤的干燥2．煤的干馏3．煤的热解4．氧化和还原反应干燥过程也是煤炭脱水过程，它是一个物理过程，原料煤加入气化炉后，由于煤与热气流或炽热的半焦之间发生热交换，使煤中的水分蒸发变成蒸汽进入气相。干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度进一步提高，挥发物从煤中逸出。脱除挥发分一般也称作煤的热分解反应，它是所有气化工艺共同的基本反应之一。10第一节煤气化方法12气化技术地面气化技术的分类1112一、气化技术1.地面气化(目前常用的)将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得、煤气的方法称地面气化。2.地下气化煤炭地下气化是将未开采的煤炭有控制地燃烧，通过对煤的热化学作用生产煤气的一种气化方法。一、气化技术煤炭地下气化原理与地面气化相同，是煤与气化剂发生热化学作用转化为煤气的过程。13二、地面气化技术的分类1.按给热方式分类（1）自热式（内热式）气化煤气化过程不须外界供热，而是利用煤与氧气反应放出的热量来达到反应所需温度，即燃烧一部分气化所用燃料，将热量积累到燃料层中，再与水蒸气发生化学反应制取煤气空气14二、地面气化技术的分类反应式为：自热式气化是目前各种工业气化炉常用的供热方式，气化过程可采用间歇蓄热气化，也可连续自热汽化15二、地面气化技术的分类（2）外热式气化利用外部给气化炉提供热量的过程。外热可以是电加热或核反应热加热外部炉壁来加热燃料，炉壁需用耐火度高且导热性好的材料，同时也可用过热水蒸汽加热。外热式多用于流化床气化或气流床气化。16二、地面气化技术的分类2.按气化介质分类（1）由氧气、水蒸气作气化剂①空气煤气：空气为气化剂②混合煤气：空气和适量水蒸气为气化剂③水煤气：水蒸气为气化剂④半水煤气：水蒸气和适量空气或富氧空气为气化剂（2）加氢气化17组分H2COCO2N2CH4O2H2S空气煤气混合煤气水煤气半水煤气0.5-0.912-1547-5237-3932-3325-3035-4028-300.5-1.55-95-76-1264-6652-562-620-231.5-30.3-0.60.3-0.50.1-0.30.1-0.20.20.20.2四种工业煤气的组成空气煤气的热值最低，主要作为化学工业原料、煤发动机燃料混合煤气一般作为燃料。水煤气用作化工原料半水煤气作为合成氨的原料气18二、地面气化技术的分类3.按气化炉型分类（1）移动床气化（2）沸腾床气化（3）气流床气化（4）熔融床气化在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。19第二节煤气化原理12气化过程主要化学反应气化过程的物理化学基础3煤气平衡组成的计算20煤炭气化发展简史18世纪后半叶煤化工发展始于18世纪后半叶，用煤生产民用煤气；在欧洲当时用煤干馏方法，生产的干馏煤气用于城市街道照明；1840年由焦炭制发生炉煤气来炼铁，1875年使用增热水煤气作为城市煤气二次世界大战时期二次世界大战时期，煤炭气化工业在德国得到迅速发展。1932年采用一氧化碳与氢通过费-托(FlscherTropsch)合成法生产液体燃料获得成功，1934年德国鲁尔化学公司应用此研究成果创建了第一个F-T合成油厂，1936年投产。1935~1945年期间德国共建立了9个合成油厂，总产量达570kt。二次世界大战后二次世界大战后，煤炭气化工业因石油、天然气的迅速发展减慢了步伐，进人低迷时期，煤气主要作为城市煤气等，直到20世纪70年代成功开发由合成气制甲醇技术，由于甲醇的广泛用途，使煤炭气化工业又重新引起人们重视。70年代后1975年，美国Eastaman(依斯曼)公司开始了合成醋酐的实验室研究，重点是开发适用的催化剂，以便在工业化生产时能达到需要的条件下，减少副产物生成。他们采用醋酸甲酯与一氧化碳为原料羰基合成制取醋酐，并于1977年中试成功。到20世纪80年代末，由煤炭气化制合成气，羰基合成生产醋酸、醋酐开始大型化生产，这是煤制化学品的一个非常重要的突破。现在现在，随着气化生产技术的进一步发展，以生产含氧燃料为主的煤炭气化合成甲醇、二甲醚，有广阔的市场前景。其中二甲醚不仅是从合成气经甲醇制汽油、低碳烯烃的重要中间体·而且也是多种化工产品的重要原料。甲醇从近年供需情况来看，除作基本有机化工原料、精细化工原料外，作为替代燃料应用，预计需求量将达800～1000万吨／年，到2020年t甲醇需求预计达5000万吨／年。南非南非开发煤炭间接液化历史悠久，早在1927年南非当局注意到依赖进口液体燃料的严重性，基于本国有丰富的煤炭资源，开始寻找煤基合成液体燃料的新途径，1939年首先购买了德国F—T合成技术在南非的使用权，在20世纪50年代初，成立了SASOL公司，1955年建立了SASOL-I厂，1980年和1982年叉相继建成了SASOL-Ⅱ厂和SASOL-Ⅲ厂。21基本概念煤气化：用气化剂对煤或焦炭等固体燃料进行热加工，使其转变成可燃性气体的过程，简称造气。气化剂：用来与固体燃料进行气化反应的气体。常用的气化剂有：空气、富氧空气、氧和水蒸气。煤气：固体燃料气化后得到的可燃性气体。进行气化反应的设备称煤气发生炉。22一、气化过程主要化学反应煤炭气化过程的反应可分成两种类型。1）非均相气体－固体反应，气相可以是最初的气化剂，也可能是气化过程的产物，固相是指煤中的碳。虽然煤具有很复杂的分子结构，和碳原子相连接着的还有氢、氧等其它元素，但因为气化反应往往发生在煤裂解之后，故只考虑煤中主要元素碳是合理的。2)均相的气相反应，反应物可能是气化剂，也可能是反应产物。23一、气化过程的主要化学反应一次反应C+O2→CO2-394.1kJ/molC+H2O≒CO＋H2+135.0kJ/molC+1/2O2→CO-110.4kJ/molC+2H2O→CO2+2H2+96.6kJ/molC+2H2≒CH4-84.3kJ/molH2+1/2O2→H2O-245.31kJ/mol二次反应C+CO2≒2CO+173.3kJ/mol2CO+O2≒2CO2-566.6kJ/molCO+H2O≒H2+CO2-38.4kJ/molCO+3H2≒CH4+H2O-219.3kJ/mol3C+2H2O→CH4+2CO+185.6kJ/mol2C+2H2O→CH4+CO2+12.2kJ/mol气化主反应24煤气化原理一、基本化学反应氧化反应：C+O2→CO2+Q2C+O2→2CO+QH2+O2→H2O+QCO+H2O→CO2+H2+Q水煤气反应:C+H2O→CO+H2-Q副水煤气反应：C+2H2O→CO2+2H2-Q气化反应：C+CO2→2CO-Q甲烷化反应：C+2H2→CH4+QCO+3H2→CH4+H2O+Q水煤气主要成分为CO和H2这些反应中:C+H2O→CO+H2-Q即水蒸气和碳反应的意义最大，此反应为强吸热反应。供热的：C+O2→CO2+Q和2C+O2→2CO+Q与吸热的：C+H2O→CO+H2-Q和C+CO2→2CO-Q组合在一起，对自热式气化过程起重要的作用。25一、气化过程主要化学反应根据以上反应产物,煤气化过程可用下式表示:在气化过程中,如果温度、压力不同，则煤气产物中碳的氧化物即一氧化碳与二氧化碳的比率也不相同。在气化时，氧与燃料中的碳在煤的表面形成中间碳氧络合物CXOY，然后在不同条件下发生热解，生成CO和CO2。即：26煤中的少量元素氮和硫在气化过程中产生了含氮的和含硫的产物，主要的硫化物是H2S、COS、CS2等，主要的含氮化合物是NH3，HCN、NO等。煤气化时发生的硫（S）和氮（N）的基本反应元素反应S：S+O2＝SO2SO2+3H2＝H2S+2H2OSO2+2CO＝S+2CO22H2S+SO2＝3S+2H2OC+2S＝CS2CO+S＝COSN：N2+3H2＝2NH3N2+H2O+2CO＝2HCN+1.5O2N2+xO2＝2NOx27一、气化过程主要化学反应表2-1工业煤气组成种类气体组成/﹪（体积分数）H2COCO2N2CH4O2H2S空气煤气0.933.40.664.60.5水煤气50.037.36.55.50.30.20.2混合煤气11.027.56.0550.30.2半水煤气37.033.36.622.40.30.20.228工业煤气分类定义：以空气为气化剂生成的煤气。主要成分：N2，CO，CO2，H2。特点：热值低，主要作为化学工业原料，煤气发动机燃料等。空气煤气混合煤气半水煤气水煤气工业煤气定义：以空气和适量水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分：N2，CO，H2，CO2。特点：工业上一般用作燃料。定义：以水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分：H2，CO，CO2，N2。特点：H