煤化工课件教学课件

1、第四章 煤 的 气 化 化学化工学院 任永胜,目录,概述,煤气化原理、气化炉原理,气化工艺,气化的影响因素、循环发电,4.1 煤气化概述,一、煤气化的定义和实质 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），在高温的条件下，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。,4.1 煤气化概述,一、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 、CH4,O2、H2O、H2、根据产热方式和煤气用途

2、选择性供入（ H2 很少用）,气化与燃烧的区别？,请大家思考？,气化与干馏的区别？,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

3、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,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,煤气化的化学,煤,加热,煤气化,CO + H2,- 煤转化过程以煤气化为“龙头”， - 煤气化构成了煤化工工艺的主要成本,固体煤,1.作为工业燃气,煤炭气化技术的应用,要求：热值为46205670kJm3,气化

4、技术：常压固定床气化炉和流化床气化炉,应用：主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。,2.作为民用煤气,应用：城市煤气,要求：热值在1260016800kJm3，要求CO含量小于10，H2、CH4及其他烃类可燃气体含量应尽量高。,技术：鲁奇炉,3.作为化工合成和燃料油合成的原料气,要求：化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求,技术：德士古气化炉、Shell气化炉,应用：合成航空燃料油合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等,以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础。,

5、4.作为冶金用还原气,原因：煤气中的CO和H2具有很强的还原作用,应用： 1）在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海绵铁； 2）在有色金属工业中镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原对煤气中的CO含量有要求。,5.煤炭气化联合循环发电 (IGCC) Intergrated Coal Gasification Combined Cycle,是煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。 用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度(如粉尘及硫化物)含量的要求很高。 与IGCC配套的煤炭气化一

6、般采用固定床加压气化(鲁奇炉)、气流床气化(德士古)、加压气流床气化(Shell气化炉)，加压流化床气化工艺等，煤气热值在924010500kJm3左右。,6.作煤炭气化燃料电池,燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料(化学能)通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术,高效煤炭气化技术,发电技术IG-MCFC和IG-SOFC,7.煤炭气化制氢,氢气广泛用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域 目前世界上96的氢气来源于石化燃料转化，同时煤炭气化制氢也起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，再将富氢气体经过低温分离

7、或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。,8.煤炭液化的气源,不论煤炭直接液化和间接液化，都离不开煤炭气化工艺。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括移动床加压鲁奇(Lurgi)气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。,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(Flscher Tropsch)合成法生产液体

8、燃料获得成功，1 934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。19351945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

9、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8001000万吨年，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1 927年南非当局注意到依赖进口液体燃料的严重性，基

10、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FT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-厂和SASOL-厂。,煤炭气化发展方向,气化压力向高压发展,气化压力由常压、低压（1.0MPa）向高压（2.08.5MPa）气化发展，从而提高气化效率、碳转化率和气化炉能力，实现气化装置大型化和能量高效回收利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成（如甲醇低压合成），降低生产成本。如Texaco气化压力可达6.58.5MPa，Shell气化压力为24MPa。,气

11、化炉能力向大型化发展,Texaco和Shell单台气化炉气化煤量已达2000t/d以上。Prenflo气化炉单炉气化煤量已达2600t/d。大型化便于实现自动控制和优化操作，降低能耗和操作费用。,气化温度向高温发展,Texaco气化温度14001500，Shell气化温度高达14001700，流化床气化温度为10001200。气化温度高，煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应性广。尘降到12mg/m3(标)以下。,技术不断进步,不断开发新的气化技术和新型气化炉，提高碳转化率和煤气质量，降低建设投资。目前碳转化率高达98%99%，煤气中含CO+H2达到80%90%。,现代煤气化技术

12、与其他先进技术联合应用,如与燃气轮机发电组合的IGCC发电技术；高压气化（615MPa）与低压合成甲醇、二甲醚技术联合实现等压合成，省去合成气压缩机，使生产过程简化，总能耗降低。,环保效果更好,煤气化技术与先进脱硫、除尘技术相结合，实现环境友好，减少污染。如在气化炉内加入脱硫剂（石灰石），脱硫效率可达80%90%；采用高效除尘器使煤气中含尘降到12mg/m3左右,煤气化技术的发展所追求的目标是：希望能使用劣质固体燃料，提高单炉生产能力，同时连续高强度和高效地生产不同组成的煤气，并要避免环境污染,4.2 煤气化原理,4.2.1 发生炉构成,炉体、 加料装置、 排灰装置,4.2 煤气化原理,4.2

13、.2 煤气化过程,气化剂H2、O2、H2O,煤气H2、CO、CH4,煤,灰渣,4.2.3 气化类型 五种基本类型： 自热式煤的水蒸气气化 外热式煤的水蒸气气化 煤的加氢气化 煤的水蒸气气化和加氢气化相结合制造代用天然气 煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气,4.2 煤气化原理,4.2.3 气化类型,一 、自热式煤的水蒸气气化原理 气化剂：空气或O2；H2O(气) 主要反应：C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2-Q,4.2.3 气化类型,一 、自热式煤的水蒸气气化原理 煤气主要可燃成分：CO、H2 特点： 无外界供热（煤与水蒸气反应进行吸热反应所耗热量是由煤与氧气

14、进行的放热反应所提供的）； 所需工业氧价格较贵，煤气中CO2含量高。,二、外热式煤的水蒸气气化原理 气化剂：H2O(气) 主要反应： C+H2OCO+H2-Q 煤气主要可燃成分： CO、H2 特点： 气化炉外部供热（煤仅与水蒸气反应）； 气化炉传热差，不经济。,4.2.3 气化类型,三、煤的加氢气化原理 气化剂：H2 主要反应： C+H2CH4+Q 煤气主要可燃成分：CH4 特点： 煤气主要由CH4组成（代用天然气）； 产生残焦（含碳残渣）,煤与H2加压生成CH4的反应性比煤与水蒸汽的反应性小.,4.2.3 气化类型,四、煤的水蒸气气化和加氢气化相结合制造代用天然气原理,4.2.3 气化类型,

15、气化剂： O2；H2O(气) 主要反应： 加氢阶段： C+H2CH4+Q 水蒸气气化阶段： C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2-Q 煤气主要可燃成分： CH4 特点： 首先进行加氢气化， 产生残焦再与水蒸气反应，产生加氢阶段用氢气。,4.2.3 气化类型,五、煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气原理,4.2.3 气化类型,气化剂：O2；H2O(气) 主要反应： 水蒸气气化阶段： C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2-Q 甲烷化反应：CO+3H2 CH4+H2O +Q 煤气主要可燃成分：CH4 特点： 首先由煤的水蒸气气化反应产生以CO

16、和H2为主的合成气， 然后合成气在催化剂的作用下“甲烷化”生成甲烷。,4.2.3 气化类型,基本化学反应 氧化反应： C+O2CO2+Q 2C+O22CO +Q H2+ O2 H2O +Q CO+H2OCO2+H2+Q 水煤气反应:C+H2OCO+H2 -Q 副水煤气反应：C+2H2OCO2+2H2-Q 气化反应：C+CO22CO -Q 甲烷化反应：C+2H2CH4+Q CO+3H2 CH4+H2O +Q,水煤气主要成分为CO和H2,这些反应中: C+H2OCO+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+O2CO2+Q和2C+O22CO +Q 与吸热的：C+H2O

17、CO+H2 -Q和C+CO22CO -Q组合在一起，对自热式气化过程起重要的作用。,4.2.4 基本化学反应,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,4.2.4 基本化学反应,S ： S+O2SO2 SO2+3H2 H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 2H2S+SO2 3S+2H2O C+2SCS2 CO+SCOS,N ： N2+3H22NH3 N2+H2O+2CO2HCN+1.5O2 N2+xO22NOx,煤炭气化过程可用下式表示：,4.2.4 基本化学反应,反应特点 一次反应和二次反应 均相反应和非均相反应 吸热反应和放热反应,4.2.4 基本化学反应,反应特点-气化反应动力学 非均相反应，以下几个阶段： 气体反应物向固体表面转移或扩散； 气体反应物被吸附在固体表面上； 被吸附的气体反应物在固体表面起反应而形成中间配合物； 中间配合物的分解或与气相中到达固体表面的气体分子发生反应； 反应产物从固体表面解吸并扩散到气体空间,4.2.4 基本化学反应,反应特点-气化反应机理 碳的氧化反应机理 碳与二氧化碳反应的机理 碳与水蒸气反应的机理 碳与氢气反应的机理 气化反应的化学平衡,4.2.4 基本化学反应,煤气分