煤化工工艺学

煤化工工艺学第一章绪论化学工业；（1）石油化工（2）氯碱化工（3）煤化工（4）天然气化工（5）精细化工煤化学工业是以煤为原料经过化学加工实现煤综合利用的工业，简称煤化工；煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体，液体和固体燃料以及化学品的过程煤化工包括；（1）炼焦化学工业｛煤的中高低温干馏｝（2）煤气工业（3）煤制人造石油工业（4）煤制化学品工业（5）煤加工制品工业中国能源现状，多煤，贫油，少气煤的种类，根据煤化作用可以分为，泥煤，褐煤，烟煤，无烟煤从煤加工过程区分，煤化工包括煤的干馏，气化，液化和合成化学品等煤化工分类及产品示意图第二章煤的低温干馏煤在隔绝空气的条件下，受热分解成煤气，焦油，粗苯和焦炭的过程，称为煤干馏（炼焦，焦化）按加热温度的不同分类（1）低温干馏｛500°C-600°C｝（2）高温干馏｛900°C-1100°C｝（3）中温干馏｛700-900C｝低温干馏的特点（1）仅是加热过程（2）常压操作（3）不用加氢，不用氧气煤的性质，物理性质；孔隙率，粒度，机械强度。化学性质；水分；灰分｛完全燃烧后的余物｝；挥发分｛煤在隔绝空气加热后溢出的物质，（煤气，煤焦油）｝固定碳（FC）灰熔点（1000-1700C），反应性煤低温干馏产物的产率和组成取决于原料煤性质，干馏炉结构和加热条件焦油产率（6%-25%）半焦产率（50%-70%）煤气产率（80-200）半焦的用途（1）民用和动力用煤（2）炼铁（3）生产冶金型焦低温干馏煤焦油是黑褐色液体，主要成分；轻酚萘洗蒽沥低温煤焦油用途（1）制取液体燃料（2）提取酚｛制药，塑料，合成纤维｝（3）生产表面活性剂和洗涤剂煤气密度0.9-1.2kg/,用途（1）民用煤气（2）化工原料气（3）发电干馏产品的影响因素（1）原料煤性质；煤化作提高，焦油量下降，煤气减少，半焦产率提高（2）加热条件，低温时焦油多，煤气少，甲烷多，高温时相反3）加热速度；加热速度提高，半焦减少，焦油增加，煤气减少（4）压力压力提高，半焦增多，焦油减少，煤气提高干馏炉的供热方式（1）外热式（2）内热式内热式低温干馏与外热式相比，优点（1）热载体向煤料直接传热，热效率高，低温干馏耗热量低（2）所有装入料在干馏不同阶段加热均匀，消除了部分料块过热现象3）内热式炉没有加热的燃室或火道，简化了干馏炉结构，没有复杂的加热调节设备。缺点（1）只能用块煤（2）降低了煤气质量（3）不适合处理黏结性较高的煤块由于加煤和煤料移动方向不同，低温干馏炉分成（1）立式炉（2）水平炉（3）斜炉（4）转炉沸腾床干馏炉，煤料：粒度小于6mm的粉煤，沸腾目的；加热均匀，强化传热气流内热式炉，煤料；块度为20-80mm的不黏结性煤鲁奇三段炉；（1）干燥段（2）干馏段（3）焦炭冷却段立式炉；原料煤要求；有一定的黏结性，块度固体热载体干馏工艺，优点；外热式干馏炉传热慢，生产能力小。气流内热式炉只能处理块状煤料，粉煤流化床干馏装置的干馏气态产物中混入惰性气体，降低了煤气质量。采用固体热载体进行煤干馏，加热速度快，载体与干馏气态产物分离容易，单位设备生产能力大，焦油产率高，煤气热值高，适合粉煤干馏托考斯工艺，热载体-瓷球，适于非粘结性和弱黏结性煤的低温干馏，黏结性煤需要先氧化破黏ETCH粉煤快速热解工艺，热载体-粉焦，原料煤-褐煤鲁奇鲁尔煤气工艺。热载体-热半焦中国褐煤干馏试验，热载体■半焦，煤种■褐煤，粒度0-5m焦油产率有极值温度，低于极值温度时焦油产率随温度升高而增加，高于极值温度时，随温度升高而降低，干馏煤气产率均随干馏温度提高而增加适于低温干馏加工的煤，褐煤，长焰煤和高挥发分的不粘结煤等低阶煤第三章炼焦煤在焦炉内隔绝空气加热到1000°C左右，可获得焦炭，化学产品和煤气，此过程称为高温干馏，简称炼焦煤气用途，燃烧，发电，合成氨，尿素，肥料焦炭用途，高炉炼铁（供热燃料和还原剂）铸造，气化，电石和有色金属冶炼。化学产品，硫酸铵，毗啶碱，BTX（粗苯）酚萘蒽沥焦炭分类（1）高炉焦（2）铸造焦（3）铁合金焦（4）有色金属冶炼用焦成焦过程；（1）干燥预热阶段（小于350C）（2）胶质体形成阶段（350-480C）软化，膨胀（3）半焦形成阶段（480-C）固化，收缩（4）焦炭形成阶段（650-950C）没有粘结性的煤不能形成胶质体，镜质组结焦性好，丝质组和惰性组不能形成胶质体炉墙和焦饼温度是由火道温度决定的，芳烃最适宜温度为700-800C配煤的意义；降低煤料的膨胀压力，增加收缩，利于推焦，提高化学产品产率炼焦用煤；焦煤，肥煤，气煤，瘦煤以及中间过渡性牌号煤类构成的焦炭质量，可燃性好，发热值高，化学成分稳定，灰分低，硫和磷等杂质少，粒度均匀，机械强度高，耐磨性好及有足够气孔率化学成分（1）灰分Ad，灰分越低越好（2）馏分（3）挥发分-焦炭在一定温度下，隔绝空气加热，溢出物质减去水分的质量（4）水分，2-6%水分不稳定，引起高炉的炉温波动，增加结焦时间按；消耗额外热量；影响粘结率（5）碱性成分焦炭强度，耐磨强度M10C7-8%）粒度小于10mm的焦粉所占总质量分数抗碎强度M40（70-80%）在高炉冶炼中希望焦炭反应性要小，反应强度要高影响焦炭反应性的因素，（1）原谅的性质（2）炼焦工艺的因素（3）高炉冶炼条件焦炉的组成及用途，三大室，四大车炭化室-煤干馏的场所；燃烧室-煤和空气燃烧为炭化室提供热量的地方；蓄热室-回收燃气室废气的热量来预热空气和贫煤气；加煤车-从煤塔取出一定的煤料，起送煤料的作用；导焦车-将焦炭转移到熄焦车；熄焦车-将冷却的焦炭卸至焦台；焦台-储焦，散热现代焦炉的生产目的；练的优良焦炭，获得多的煤气和焦油副产物常用焦炉（1）下喷式焦炉（2）中国JN60-87J焦炉（3）分段燃烧式焦炉（4）大容积焦炉现行焦炉生产的主要缺点；在于用炭化室炼焦，煤料加热速度不均匀，煤料堆密度在炭化室的上下方向有差异，故所得焦炭的块度，强度，气孔率和反应性都不均匀该进方法（1）在煤料中加入炼焦煤｛合理配煤｝目的；增加焦炭的强度（2）煤破碎优化目的；改善炼焦用煤的堆密度19新工艺；（1）捣固煤炼焦（2）成型煤（日本）捣固煤优点，提高煤粉碎细度而不降低焦炉生产能力，捣固与预热联合炼焦与湿煤捣固相比优点，大大改善了焦炭质量，块焦率增加5%，原料煤便宜，生产成本低，焦炉生产能力大。成型煤特点；（1）成本低（2）焦炭灰分少（3）焦炭质量高，增产铁和焦炭4）增加设备，投资增加、煤料的预处理（1）煤的干燥，去除水分，50-70°C（2）煤的预热；提高装煤量，去除馏分150-200C干法熄焦；利用惰性气体将赤热焦炭冷却，得到的热惰性气体加热锅炉发生蒸汽，降了温的惰性气体，再循环使用干法熄焦的优缺点；优点（1）提高热效率（2）回收热能且焦炭质量高（3）无污水及有害气体缺点，装置复杂，技术要求高，基建投资大，操作耗电多湿法熄焦，优点，简便缺点（1）耗用大量熄焦用水，污染环境（2）损失能量焦炭处理干熄焦与煤预热联合的特点是能量综合利用。煤干燥可用立管式流化加热法、沸腾床、转筒加热法。焦炉加热用燃料：焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、脱氢焦炉煤气。燃烧过程三阶段：煤气和空气混合;将混合物加热到着火温度；空气中的氧和煤气中的可燃成分起化学作用。焦炉中传热的三种方式：传导、辐射、对流传热。蓄热室传热：格子砖在加热期从废气吸收热量，在冷却期将热量传给冷气体。格子砖是热量的传递者，实际进行换热的是废气和空气或贫煤气。蓄热室的作用类似换热器。耐火砖：硅砖导热性能好，但耐急冷急热性能差。黏土砖抗急冷急热性能良好。二氧化硅的三种结晶形态：石英、方石英、磷石英。焦炉烘炉的目的：1.去除水分。2.有利于晶形转变。型焦工艺：非黏结性煤通过加压成型，制成具有一定形态、大小和强度的成型煤料，进一步制成型焦。按煤料成型挤压条件为（1）冷压成型｛1，无粘结成型2.加粘结剂成型｝（2）热压成型｛1.气体热载体成型2.固体热载体成型｝热载体为1.热废气，2.高温无烟煤粉，焦粉或矿粉第四章炼焦化学产品的回收与精制炼焦过程析出的挥发性产物，简称为粗煤气。粗煤气由煤气、焦油、粗苯和水构成。影响粗煤气组成和产率的主要因素：炼焦温度、二次热解作用。在低温干馏焦油中含有带长侧链的环烷烃和芳烃，高温炼焦的焦油则多为多环芳烃和杂环化合物的混合物。低温焦油的酚馏分含有复杂的烷基酚混合物，而高温焦油的酚馏分中主要为酚、甲酚和二甲酚。低温干馏煤气中几乎没有氨，而炼焦煤气中氨含量为8~12克每立方米。炼焦化学产品回收的目的和意义：1.除去有害物质，便于输送煤气；2.经济效益，变废为宝；3.环境效益。回收方法：焦油和水：冷凝和冷却；化学产品：吸收法。粗煤气初步冷却的目的：将焦油和氨水进行分离。方法：沉降。氯化铵难水解，加热时不分解，称固定铵。易水解的碳酸氢铵以及氰化铵，加热时可分解，称挥发氨。煤气冷却采用管壳式冷却器，有立管式和横管式。煤气输送的目的：提高压头，减少阻力损失。煤气输送设备：离心式鼓风机和罗茨鼓风机。煤气脱焦油雾的目的：脱除焦油蒸汽。设备：电补焦油器。煤气除萘的目的：防止管道和设备堵塞。方法：冷却冲洗法和油吸收法。氨和毗啶回收的目的和意义：1.氨水解吸，排入大气，形成污染；2.形成腐蚀性较高的物质；3.氨燃烧生成NO，污染环境；4.影响粗苯的吸收，阻碍油水分离。氨和毗啶的回收原理：1.氨和毗啶易溶于水，用水吸收；2.氨和毗啶具有碱性，用酸吸收。饱和器法：吸收剂是硫酸。缺点是生产的硫酸铵颗粒小。饱和器特点是一器兼有两个作用：一是吸收氨和毗啶；二是硫酸铵结晶。饱和器法和无饱和器法的区别是硫酸铵结晶粒度不同。无水氨生产：吸收剂是磷酸铵。脱氨后的焦炉煤气中含有苯系化合物，其中以苯含量为主，称为粗苯。粗苯的吸收方法：洗油吸收法。粗苯回收工段由1.煤气最终冷却2.粗苯吸收3.吸收油脱出粗苯过程构成。煤气终冷和除萘工艺流程：1.煤气终冷和机械除萘2.终冷和焦油洗萘3.终冷和油洗萘。粗苯吸收的吸收剂：焦油洗油、石油的轻柴油馏分。粗苯精馏的原理：沸点不同，挥发度不同。粗苯精制的目的：得到苯，甲苯，二甲苯等纯产品。粗苯精制流程：1.初级精馏：使地沸点化合物，高沸点含硫化合物和不饱和化合物分开化学精制：把粗苯主要组分沸点范围内所含的硫化物和不饱和化合物脱除。3.最终精馏：得到合乎标准的纯产品。粗苯精制中化学精制所涉及的反应：聚合反应、脱硫反应、噻吩与不饱和化合物反应。吹苯的目的：脱除高沸点杂质，得到纯粗苯蒸汽。高温煤焦油的组成：轻酚萘洗一二蒽沥。焦油精制前的准备工作：匀合、脱水、脱盐。匀合的目的：使焦油性质均一。脱水的目的防止突沸冲油。脱盐的目的：降低沥青中的灰分，较少设备腐蚀。脱水的方法：蒸发。脱盐的方法：加入8%~12%的碳酸钠溶液。焦油蒸馏方法：分段蒸发流程和一次蒸发流程。两塔流程与一塔流程相比增加了蒽油塔。、沙巴厂流程采用焦油常减压蒸馏。煤气发生炉炉型机械化常压煤气发生炉包括：1具有凸型炉箅的煤气发生炉2炉箅作用——承煤漏灰3魏尔曼一一格鲁夏煤气发生炉其中，1包括a3M13型：有搅拌装置，目的是破除黏结性，用于弱黏结性烟煤b3M21型：无搅拌装置，用于不黏结性煤（贫煤、无烟煤、焦炭）3包括a有搅拌装置时，用于气化弱黏结性烟煤b无搅拌装置时，用于气化无烟煤、焦炭等不黏结性煤煤气发生站工艺流程：a热煤气工艺流程b无焦油回收的冷煤气工艺流程c有焦油回收的冷煤气工艺流程煤气由发生炉出来，首先进入竖管冷却器，初步除去重质焦油和粉尘，同时根据焦油性质不同冷却至80~90摄氏度左右，经半净煤气管道进入电捕焦油器，除去焦油雾滴后进入洗涤塔，煤气被冷却到35摄氏度以下，进入净煤气管道，经排送机送至用户。水煤气时炽热的碳与水蒸气反应所生成的煤气，燃烧时火焰呈现蓝色，所以又称蓝水煤气。制气原理：维持吸热反应的反应温度方法：a外部加热法b热载体法c用氧和水蒸气为气化剂的连续气化法d用水蒸气和空气为气化剂的间歇气化法间歇法生产水煤气过程有a吹风阶段b吹蒸汽阶段两个过程组成。现代水煤气发生炉采用六个阶段的工作循环：第一阶段为吹风阶段目的：加热燃料层第二阶段水蒸汽吹净阶段目的：避免含有氮气和二氧化碳的吹风气降低水煤气质量，用水蒸气将残余吹风气吹出。第三阶段为一次上吹阶段目的：水蒸气与原料进行水煤气反应第四阶段为下吹制气阶段目的：使气化过程在一个稳定的、温度均匀的区域进行，灰渣层得显热，氧化层保持在炉内下部。第五阶段为二次上吹制气阶段目的：将炉子下部的水煤气吹尽，为下次循环作准备。第六阶段为空气吹尽阶段目的：将残存在炉内和管道中的水煤气吹入水煤气净制系统。间歇式生产水煤气的主要缺点是生产效率低。富氧连续气化制造水煤气和半水煤气的特点：a提高生产能力b气化效率高，煤气中有效气体浓度高。水煤气发生炉夹套锅炉作用一一降低氧化层温度，防止熔渣沾壁并副产蒸汽。科可间歇可连续干法排渣两段式煤气发生炉：a气化段（下）b干馏段（上）加压气化原理与工艺料层：a干燥曾层b干馏层c甲烷层d第二反应层e第一反应层f灰渣层过程原理：加氢反应：甲烷化反应：a压力对煤气组成的影响P增加甲烷增加二氧化碳增加一氧化碳减少氢减少b压力对氧气耗量的影响P增加氧耗减少c压力对蒸汽消耗量的影响P增加氢气消耗量增加d压力对气化炉生产能力的影响P增加生产能力增加e压力对煤气产率的影响P增加煤气产率减少f加压气化对煤气输送动力消耗的影响P增加动力消耗减少液化排渣气化炉的基本原理：仅向气化炉内通入适量的水蒸气，控制炉温在灰熔点以上，使灰渣呈熔融状态，自炉内排出。搅拌器一一破黏作用水夹套一一防止炉体承受高温常压流化床气化:原料：0~10mm粉煤气化剂一一流化介质，仅应介质流化床气化炉内的主要反应：a碳的燃烧反应b二氧化碳的还原反应c水煤气变换反应d水煤气分解反应9流化床分类按操作压力分为：a常压流化床气化一一文温克勒气化B加压流化床气化一一高温温克勒气化特点：操作，温度压力大幅度增加温克勒气化流程：a原料的预处理（破碎，筛分，余热干燥，破黏）b气化c粗煤气的显热回收d煤气的除尘和冷却温克勒气化工艺优点：a单炉生产能力大b气化炉结构较简单c可气化细颗粒煤d出路煤气基本上不含焦油e运行可靠，开停车容易缺点：a气化温度低b气化炉设备庞大c热损失达d带出物损失较多e粗煤气质量较差2在原料煤中添加石灰石，石灰或白云石来提高煤的软化点和熔点。第五章煤的气化煤的气化过程是一个热化学过程，它是以煤或煤焦为原料，以氧气，水蒸汽或氢气等做气化剂，在高温条件下，通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程、发生炉的原料层可以分为（1）灰渣层（2）氧化层（3）还原层（4）干馏层（5）干燥层气化类型；（1）自热式煤的水蒸气气化（2）外热式煤的水蒸气气化（3）煤的加氢气化（4）煤的水蒸气气化和加氢相结合（5）煤的水蒸气气化和甲烷化的结合自热式的特点（1）无外界供热（2）二氧化碳含量较高（3）氮气的引用降低煤气的质量，主要成分，一氧化碳，氢气，气化剂；空气或氧气水蒸气主要反应外热式特点（1）热量由外部提供，节省煤炭（2）气化炉传热差，不经济主要成分，一氧化碳，氢气，气化剂；空气或氧气水蒸气加氢气化的特点（1）煤气主要由甲烷组成（2）煤和氢气反应性低于煤和水蒸气反应性，产生残焦，主要成分，甲烷，气化剂：氢气主要反应；水蒸气和加氢气化相结合特点：煤料首先进行加氢气化，残焦再进行水蒸气化，得到的可燃气体为甲烷。水蒸气和甲烷化相结合特点：水蒸气气化得到合成气，合成气经转化得到甲烷。7氧化反应：还原反应：甲烷化反应：水煤气反应：副水煤气反应：变换反应：8