煤炭气化原理newPPT学习教案

1、会计学1煤炭煤炭(mitn)气化原理气化原理new第一页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第1页/共109页第二页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第2页/共109页第三页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第3页/共109页第四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第4页/共109页第五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第5页/共109页第六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第6页/共109页第七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺COCO

2、2在12之间。第7页/共109页第八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第8页/共109页第九页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺 2、煤炭气化反应的类型(lixng) 煤炭气化过程的反应可分成两种类型(lixng)。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。第9页/共109页第十页，共109页。 2022-5-

3、7煤炭气化(q hu)工艺二、气化(q hu)过程热力学 1.研究气化过程热力学的目的是什么? 气化过程热力学主要研究气化过程反应进行的方向(fngxing)和限度，以解决在某一条件下气化反应的可能性问题。它只研究反应过程的始态和终态，不考虑由始态到达终态的途径，也不涉及气化反应的机理和反应速度。第10页/共109页第十一页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺二、气化(q hu)过程热力学 第11页/共109页第十二页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺二、气化(q hu)过程热力学 上式表明，反应焓在恒压下对温度T的导数在数值上等于产物与反应物恒压热容

4、之差。若知道(zh do)CP随T的变化关系，就可以通过积分求解121第12页/共109页第十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺二、气化(q hu)过程热力学 A，图解法B，第13页/共109页第十四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺二、气化(q hu)过程热力学 利用式(1-22 )，只要知道一个温度下的反应焓，就可求得其他任何温度下的反应焓。在应用克希霍夫公式积分时，要注意在积分的温度范围(fnwi)内不能有相变化。有相变怎么办？第14页/共109页第十五页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺二、气化(q hu)过程热力

5、学 3.气化反应平衡常数的概念及表达方式是什么? 严格地讲，许多气化反应都不是不可逆反应，而是可逆反应。在这些可逆反应中，反应不可能全部达到完全平衡。 在一般工业气化操作条件下，除了水煤气变换反应外，其它的气化反应很难达到平衡状态，有的甚至离平衡状态还相当远。但是，研究其平衡状态，可掌握反应进行的方向和限度，并且(bngqi)通过对反应条件的控制，使反应朝着需要的方向进行，并从理论上预示产物所能达到的最大限度和反应物所必需的消耗量。第15页/共109页第十六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺二、气化(q hu)过程热力学 第16页/共109页第十七页，共109页。 20

6、22-5-7煤炭(mitn)气化工艺二、气化(q hu)过程热力学 第17页/共109页第十八页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺二、气化(q hu)过程热力学 第18页/共109页第十九页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺二、气化二、气化(q hu)过程热过程热力学力学第19页/共109页第二十页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺温度(wnd)对化学平衡的影响4第20页/共109页第二十一页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺温度对化学平衡(huxupnghng)的影响第21页/共109页第二十二页，共10

7、9页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺4、温度对化学平衡(huxupnghng)的影响第22页/共109页第二十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺4、温度(wnd)对化学平衡的影响 在文献中一般只能查到各种化合物在298K时的标准生成(shn chn)自由焓、标准生成(shn chn)焓和标准熵，因此只能根据这些数据算出在298K时的化学平衡常数的值。但在实际问题中化学反应往往都不是在这个温度下发生的，所以需要讨论温度对平衡常数的影响。温度对平衡常数影响的公式为范特霍夫微分式第23页/共109页第二十四页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工

8、艺4、温度对化学平衡(huxupnghng)的影响按照(nzho)式122（P16）进行积分，可得：第24页/共109页第二十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺举例(j l)molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .17322第25页/共109页第二十六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺举例(j l)可以看到,随着温度变化，其还原产物CO 的组成随着温度升高而增加；温度越高，一氧化碳平衡浓度越高。当温度升高到1000时，CO 的平衡组成为99.1%。在前面提到的其它可逆反应(fnyng)中，有很多是放热反应(fnyng

9、)，温度过高对反应(fnyng)不利。第26页/共109页第二十七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺举例(j l)在此反应中，如有1%CO 转化为甲烷，则气体的绝热温升为6070。在合成气中CO 的组成大约为30%左右，因此，反应过程(guchng)中必须将反应热及时移走，使得反应在一定的温度范围内进行，以确保不发生由于温度过高而引起催化剂烧结的现象发生。第27页/共109页第二十八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺npbBaAdDcCxpKxxxxK1第28页/共109页第二十九页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺在下列(

10、xili)反应中：反应后气体体积或分子数增加，如增大压力，则使平衡向左移动，因此上述反应适宜在减压下进行。第29页/共109页第三十页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺在气化炉内，在H2 气氛中，CH4 产率随压力提高迅速增加(zngji)，发生反应为：上述反应均为缩小体积的反应，加压有利于CH4 生成，而甲烷生成反应为放热反应，其反应热可作为吸热反应热源，从而减少了碳燃烧中氧的消耗。也就是说，随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少。第30页/共109页第三十一页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第31页/共109页第三十二页，共109页。 202

11、2-5-7煤炭(mitn)气化工艺 若气化炉截面积相同(xin tn)，常压和加压气化炉的煤气产量分别为V1和V2（标准态），则两者在炉内的速度之比在常压气化炉和加压气化炉中，假定带出物的数量相等，则出炉煤气动压头相等，以w表示煤气的实际流速，则气化炉生产能力比较时有如下关系式：211221212112222211ppwwppwwww所以因第32页/共109页第三十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺 对于(duy)常压气化炉，p1通常略高于大气压，当pl=0.1MPa，p2=2.5MPa，常压、加压炉的气化温度之比T1T2=1.1l.25，则由此式可得：V2/Vl=5

12、.56.251221 1 2211212121212PPTTVVppTpVTpVVVww第33页/共109页第三十四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺高压(goy)气化时的平衡常数在高压情况下，实际气体的性质与理想气体有很大的差别(chbi)。因此，适用于低压气体反应的平衡常数KP的表达式就不再适用于高压气体。为此引入逸度第34页/共109页第三十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺高压(goy)气化时的平衡常数在第35页/共109页第三十六页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺高压(goy)气化时的平衡常数气体逸度系数的计算

13、可采用对比(dub)状态法，即不同气体在相同的对比(dub)压力PR及对比(dub)温度TR下有大致相同的逸度系数。因此，可根据气体的对比(dub)压力PR和对比(dub)温度TR，由普遍化逸度系数图查得气体逸度系数。 如何求算高压下的KP值？KKKKRTGpffln第36页/共109页第三十七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺O.Boudouard研究(ynji)结果4 .2121000lnTkP第37页/共109页第三十八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第38页/共109页第三十九页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第

14、39页/共109页第四十页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第40页/共109页第四十一页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺（2）碳与水蒸气的反应(fnyng)第41页/共109页第四十二页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺强吸热反应，平衡常数？温度(wnd)提高对两反应平衡常数的影响程度不同，原因？第42页/共109页第四十三页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第43页/共109页第四十四页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺（3）变换(binhun)反应在煤气炉出口通常可以达到平衡第

15、44页/共109页第四十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺（3）碳的加氢反应(fnyng)提高压力或温度，平衡？生产合成气或燃料气时采用的条件其它甲烷化反应P30催化剂第45页/共109页第四十六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺式连同物料平衡和热量式连同物料平衡和热量(rling)平衡方程式组成联立方程组，平衡方程式组成联立方程组，然后求解。然后求解。第46页/共109页第四十七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第47页/共109页第四十八页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺气固颗粒(kl)发生反

16、应的步骤 第48页/共109页第四十九页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第49页/共109页第五十页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第50页/共109页第五十一页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第51页/共109页第五十二页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺低温区温度很低，反应速度很慢，表面反应过程是控制步骤。此时表观动力学接近(jijn)化学反应的本征动力学，保持原来的反应级数，速率常数和活化能。中温区 总过程的速率由表面反应和内扩散所控制，称内扩散区。气相反应剂在颗粒内部渗人深度远小于颗粒半径R，

17、化学反应在炭粒表面和较浅薄层中进行。实验测得的表观活化能为真实活化能的一半 高温区反应速度由外扩散控制，也即由反应剂或产物通过固体表面的滞流边界层的扩散控制，称外扩散区。因化学反应速率在高温下大大加快，故反应剂物质的量浓度在固体表面已接近为零。表观动力学接近扩散动力学。扩散系数对温度的变化并不敏感。在动力区和内扩散区之间有一过渡区a;在内扩散区和外扩散区之间有一过渡区b。在过渡区要确定总的过程速率必须同时考虑两类过程速率的影响。第52页/共109页第五十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第53页/共109页第五十四页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)

18、工艺第54页/共109页第五十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺根据表面质量作用定律，表面过程的基元反应的反应速度与反应物在表面覆盖分数成正比：表示在等温和达到平衡时同固体表面相接触的气相分压与其吸附量之间的关系式称为吸附平衡方程式，朗缪尔方程是其中常用的理论方程式第55页/共109页第五十六页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺所以第56页/共109页第五十七页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺根据质量作用定律，所以2第57页/共109页第五十八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺没有控制步骤的反应，即

19、在各连串基元反应中每一步的反应速率都差不多，其特点是反应过程中任何一个基元步骤均未达到平衡，且其速率可以代表整个反应的速率。例如在表面反应中，吸附、表面反应、脱附等步骤速率相近，吸附平衡没有建立。不能用等温吸附方程式，需要用定态法求解第58页/共109页第五十九页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺在稳态条件下RO：CO，H2OR：产物(RO)：反应物吸附在炭表面上(R)：产物吸附在炭表面上第59页/共109页第六十页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺根据(gnj)定态条件可以求出第60页/共109页第六十一页，共109页。 2022-5-7煤炭(mi

20、tn)气化工艺nw吸附数群推动力动力学系数第61页/共109页第六十二页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第62页/共109页第六十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第63页/共109页第六十四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第64页/共109页第六十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺Cskwv)(fThiele模数第65页/共109页第六十六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第66页/共109页第六十七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺碳的燃烧反

21、应在所有气化反应中，速率是最大的。在温度高于800时，碳的燃烧反应几乎不可逆地自左向右进行。若提高反应温度或增大煤焦粒度，则反应可趋于外扩散区。若降低反应温度或减小煤焦粒度，则反应可趋于内扩散区，甚至动力区。第67页/共109页第六十八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺史密斯等人的研究表明(biomng)：对于粒径大于100微米的碳粒，在1200K下，燃烧反应为外扩散控制;对于粒径为90微米的碳粒，在75OK下，燃烧反应为表面反应控制;当碳粒粒径小至20微米时，其动力区的温度范围可达1600K第68页/共109页第六十九页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)

22、气化工艺在一般移动床煤气发生炉内，当氧化层温度低于900时，燃烧的速率取决于碳的化学反应速率，此时温度的增加对反应速率影响(yngxing)很大。如在775时，温度每提高10，反应速率可增加一倍。 当氧化层温度大于900时，燃烧反应的速率主要取决于氧从气流主体扩散到碳表面的速率和由产物碳表面向气流主体扩散的速率。例如在9001200范围内，电极碳的燃烧，空气的流速为170m/s，燃烧速率与空气流速的0.47次方成比例。第69页/共109页第七十页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第70页/共109页第七十一页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺研究认为

23、:对于活性高的原料，在1000-1100以上，水蒸气分解反应进入扩散区。相应于一般煤气炉的还原层温度，反应可能处于扩散区或过渡区。此时炉温、蒸汽通过料层的流速、燃料的粒度，均可影响水蒸气分解反应的速率。第71页/共109页第七十二页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺对于活性高的原料，可在保证煤气质量不变的情况下，适当提高蒸汽(zhn q)的入炉速率，从而使发生炉的生产能力提高。对于无烟煤、天然焦等原料，因其反应活性低，在1100时，水蒸气分解反应仍处于动力区。反应速率主要受温度的影响。如果炉温稍有下降，则煤气质量和气化强度将迅速降低。第72页/共109页第七十三页，共10

24、9页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺 该反应在400以上即可发生，在900时与水蒸气分解反应的速率相当，高于1480时，其速率很快。在一般煤气发生炉内，可认为变换反应能达到热力学平衡。但是(dnsh)实际达到平衡的程度与温度、蒸汽分解率以及料层深度有一定的关系，还与燃料的反应性、灰分的催化活性有关。第73页/共109页第七十四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺 甲烷的生成速率是很慢的。在1073K和10kPa压力时，碳和氢的反应(fnyng)速率是二氧化碳还原反应(fnyng)的3*10-3倍。 当压力增高时，反应(fnyng)物浓度增大，反应(fnyng)

25、速率提高。甲烷的生成速率还与燃料的反应(fnyng)活性有关，反应(fnyng)活性大的，甲烷生成速率高。第74页/共109页第七十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺 在10001500的气化温度、常压2.0MPa的气化压力条件下，各煤种的气化反应速率在相同的气化温度下随气化压力的升高而增加;同时，在相同的气化压力下气化反应速率随气化温度的上升(shngshng)而上升(shngshng)。由此可见，在这个气化条件范围内，干煤粉的气化反应过程同时受化学反应控制与扩散控制的影响。第75页/共109页第七十六页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第76

26、页/共109页第七十七页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第77页/共109页第七十八页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第78页/共109页第七十九页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第79页/共109页第八十页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第80页/共109页第八十一页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第81页/共109页第八十二页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第82页/共109页第八十三页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第83

27、页/共109页第八十四页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第84页/共109页第八十五页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺第85页/共109页第八十六页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺碳转化率一般为90%100%，其中干粉进料气流床气化碳转化率最高。第86页/共109页第八十七页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第87页/共109页第八十八页，共109页。 2022-5-7煤炭(mitn)气化工艺第88页/共109页第八十九页，共109页。 2022-5-7煤炭气化(q hu)工艺水蒸气分解率越高，蒸汽消耗越低，气化效率越高。该指标一般用于固定床和流化床气化，水煤浆进料气流床气化无此指标，干粉进料因入炉水蒸气量很少，其分解率90%。第89页/共109页第九十页，共