煤炭氣化課件2

1、4第二章第二章 煤炭氣化原理煤炭氣化原理第一節(jié)第一節(jié) 煤炭氣化方法煤炭氣化方法第二節(jié)第二節(jié) 煤炭氣化原理煤炭氣化原理4掌握煤炭氣化掌握煤炭氣化方法、煤炭氣方法、煤炭氣化原理化原理熟悉與理解氣熟悉與理解氣化過(guò)程的理論化過(guò)程的理論基礎(chǔ)與煤氣平基礎(chǔ)與煤氣平衡組成的計(jì)算衡組成的計(jì)算了解地下氣化了解地下氣化知識(shí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)4能掌握煤能掌握煤炭氣化反炭氣化反應(yīng)應(yīng)會(huì)判斷實(shí)際會(huì)判斷實(shí)際用煤氣化時(shí)用煤氣化時(shí)的主要影響的主要影響因素因素會(huì)解釋會(huì)解釋T T、P P對(duì)氣化的影對(duì)氣化的影響響能力目標(biāo)能力目標(biāo)4是獲得基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)原料的重要途徑 是煤或煤焦與是煤或煤焦與氣化劑氣化劑(空氣、空氣、氧氣、水蒸氣、氧氣、水蒸

2、氣、氫等氫等)在高溫下發(fā)生在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將煤化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中有機(jī)或煤焦中有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹馕镛D(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^(guò)程的過(guò)程 一一個(gè)復(fù)雜的多相個(gè)復(fù)雜的多相物理及物理及化學(xué)過(guò)程化學(xué)過(guò)程 4煤氣煤氣4煤炭氣化設(shè)備煤炭氣化設(shè)備4將煤從地下挖掘出來(lái)后再經(jīng)過(guò)各種氣化技將煤從地下挖掘出來(lái)后再經(jīng)過(guò)各種氣化技術(shù)獲得煤氣的方法稱地面氣化。術(shù)獲得煤氣的方法稱地面氣化。煤炭地下氣化，就是將埋藏在地下的煤煤炭地下氣化，就是將埋藏在地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。及化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。其過(guò)程集建井、采煤、氣化工藝合二為其過(guò)程集建井、

3、采煤、氣化工藝合二為一，將傳統(tǒng)的物理采煤方法轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人無(wú)一，將傳統(tǒng)的物理采煤方法轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人無(wú)設(shè)備的化學(xué)采煤方法，省去了傳統(tǒng)的采煤設(shè)備的化學(xué)采煤方法，省去了傳統(tǒng)的采煤機(jī)械設(shè)備和地面氣化爐笨重復(fù)雜設(shè)施。機(jī)械設(shè)備和地面氣化爐笨重復(fù)雜設(shè)施。其生產(chǎn)煤氣具有安全性好、投資少、見(jiàn)其生產(chǎn)煤氣具有安全性好、投資少、見(jiàn)效快、污染少、效益高等顯著優(yōu)點(diǎn)，深受效快、污染少、效益高等顯著優(yōu)點(diǎn)，深受世界各國(guó)的重視，被譽(yù)為第二代采煤方法世界各國(guó)的重視，被譽(yù)為第二代采煤方法4在正開(kāi)采或廢棄的煤礦井中可啟建地下氣化爐，由人工在正開(kāi)采或廢棄的煤礦井中可啟建地下氣化爐，由人工掘進(jìn)的方式在煤層中建立起氣化巷道，并在進(jìn)氣孔底部掘進(jìn)的方式

4、在煤層中建立起氣化巷道，并在進(jìn)氣孔底部巷道壁筑起一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），便可將巷道壁筑起一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），便可將密閉墻前面的煤炭點(diǎn)燃。單套爐由氣化通道進(jìn)氣孔、輔密閉墻前面的煤炭點(diǎn)燃。單套爐由氣化通道進(jìn)氣孔、輔助孔和出氣孔組成，氣化通道于同一煤層內(nèi)連通各孔。助孔和出氣孔組成，氣化通道于同一煤層內(nèi)連通各孔。但該技術(shù)人工豎井深度受限，因受煤層的地應(yīng)力和煤層但該技術(shù)人工豎井深度受限，因受煤層的地應(yīng)力和煤層溫度制約。溫度制約。4 （ （ （ （ （地下氣化的概況地下氣化的概況44煤在氣化過(guò)程中不需外界供熱，而是利用煤與氧反應(yīng)放出煤在氣化過(guò)程中不需外界供熱，而是利用煤與氧反應(yīng)放出熱量

5、來(lái)達(dá)到反應(yīng)所需溫度，即燃燒一部分氣化所用燃料，熱量來(lái)達(dá)到反應(yīng)所需溫度，即燃燒一部分氣化所用燃料，將熱量積累到燃料層里，再通入水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制取將熱量積累到燃料層里，再通入水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制取煤氣。煤氣。是指利用外部給氣化爐提供熱量的過(guò)程。是指利用外部給氣化爐提供熱量的過(guò)程。其熱源可由加熱外部爐壁來(lái)加熱燃料，爐壁需選用耐火度其熱源可由加熱外部爐壁來(lái)加熱燃料，爐壁需選用耐火度高且導(dǎo)熱性好的材料；高且導(dǎo)熱性好的材料；同時(shí)也可用高度過(guò)熱水蒸氣同時(shí)也可用高度過(guò)熱水蒸氣(1100 )(1100 )；另外也可用加熱水蒸氣和粉末燃料的混合物到另外也可用加熱水蒸氣和粉末燃料的混合物到11001100達(dá)達(dá)到

6、水煤氣反應(yīng)溫度。到水煤氣反應(yīng)溫度。其原理如圖所示其原理如圖所示4氣化劑是富氧空氣氣化劑是富氧空氣氣化劑是純氧氣體氣化劑是純氧氣體氣化劑是氫氣。氣化劑是氫氣。 氣化劑是水蒸氣氣化劑是水蒸氣4煤氣分類煤氣分類2 2 444一次反應(yīng)二次反應(yīng)總反應(yīng)molKJCHHCmolKJHCOOHCmolKJCOHOHcmolKJCOOcmolKJCOOC/4.842/6.9622/0.135/4.110221/1.394422222222molKJCOCHOHCmolKJCOCHOHCmolKJOHCHHCOmolKJCOHOHCOmolKJCOOCOmolKJCOCOC/2.1222/6.185223/3.2

7、193/4.38/6.56622/3.173224242242222222OHHCOCOCHC2224高溫、高壓、氣化劑煤4S+02 S02S02+3H2 H2S+2H20S02+2CO S+2CO22H2S十S02 3S+2H20C+2S CS2C0+S COSN2十3H2 2NH3N2+H20+2C0 2HCN+02N2+X02 2NOx4各種煤氣組成各種煤氣組成4煤的反應(yīng)性煤的反應(yīng)性是指煤的化學(xué)活性，是煤與氣化劑中的氧是指煤的化學(xué)活性，是煤與氣化劑中的氧、水蒸氣、二氧化碳等的反應(yīng)能力。水蒸氣、二氧化碳等的反應(yīng)能力。煤的反應(yīng)性是決定煤的反應(yīng)性是決定氣化方法的一個(gè)重要因素。氣化方法的一個(gè)重要

8、因素。煤炭氣化的總過(guò)程有兩種類型的反應(yīng)，即非均相反應(yīng)煤炭氣化的總過(guò)程有兩種類型的反應(yīng)，即非均相反應(yīng)和均相反應(yīng)。前者是氣化劑或氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物與固體煤和均相反應(yīng)。前者是氣化劑或氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物與固體煤或煤焦的反應(yīng)；后者是氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互作用或煤焦的反應(yīng)；后者是氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互作用或與氣化劑的反應(yīng)?；蚺c氣化劑的反應(yīng)。煤的氣化過(guò)程是熱化學(xué)過(guò)程，影響其化學(xué)過(guò)程的因素煤的氣化過(guò)程是熱化學(xué)過(guò)程，影響其化學(xué)過(guò)程的因素很多（氣化介質(zhì)、燃料接觸方式、工藝條件很多（氣化介質(zhì)、燃料接觸方式、工藝條件)。為了清。為了清楚地分析、選擇工藝條件，現(xiàn)首先分析煤炭氣化過(guò)程楚地分析、選擇工藝條件，現(xiàn)首先分析煤炭氣化過(guò)程中的

9、化學(xué)平衡及反應(yīng)速度。中的化學(xué)平衡及反應(yīng)速度。4qDpCnBmAnBmAPPkV正正qDPCPPkV逆逆qDPCnBmAPPkPPk逆正bBaAqDpCPPPPkkkp逆正化學(xué)平衡時(shí)化學(xué)平衡時(shí)4 從上式可以看出，若從上式可以看出，若H為負(fù)值時(shí)，為放熱反為負(fù)值時(shí)，為放熱反應(yīng)，溫度升高，應(yīng)，溫度升高，b值減小，對(duì)于這類反應(yīng)，一般來(lái)值減小，對(duì)于這類反應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)說(shuō)降低反應(yīng)溫度有利于降低反應(yīng)溫度有利于放熱放熱反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)的進(jìn)行。反之，。反之，若若H為正值時(shí)，即吸熱反應(yīng)，溫度升高，為正值時(shí)，即吸熱反應(yīng)，溫度升高，kp值增值增大，此時(shí)大，此時(shí)升高溫度有利于升高溫度有利于吸熱吸熱反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)的進(jìn)行。1 1

10、、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響當(dāng)化學(xué)平衡時(shí)，化學(xué)平衡常數(shù)為當(dāng)化學(xué)平衡時(shí)，化學(xué)平衡常數(shù)為bBaAqDpCPPPPkkkp逆正41 1、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .173224P P4壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響分析壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響分析如果如果n0n0，增大壓力，增大壓力KpKp后，后，P Pv v減小。減小。K KP P不變，不變，K KN N保持不變保持不變, ,就就不能維持平衡，所以當(dāng)壓力增高時(shí)不能維持平衡，所以當(dāng)壓力增高時(shí),KN,KN必然增加因此加壓有利。必然增加因此加壓有利。既加壓平衡向體積減少或

11、分子數(shù)減小的方向移動(dòng)。既加壓平衡向體積減少或分子數(shù)減小的方向移動(dòng)。bBaAqDpCPPPPkkkp逆正PkkpN4由上述可知，在煤炭氣化中，可根據(jù)由上述可知，在煤炭氣化中，可根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的要求確定氣化壓力，當(dāng)氣生產(chǎn)產(chǎn)品的要求確定氣化壓力，當(dāng)氣化爐煤氣主要用作化工原料時(shí)，可在化爐煤氣主要用作化工原料時(shí)，可在低壓下生產(chǎn)；當(dāng)所生產(chǎn)氣化煤氣需要低壓下生產(chǎn)；當(dāng)所生產(chǎn)氣化煤氣需要較高熱值時(shí)，可采用加壓氣較高熱值時(shí)，可采用加壓氣 化。這是化。這是因?yàn)閴毫μ岣吆?，在氣化爐內(nèi)，在因?yàn)閴毫μ岣吆?，在氣化爐內(nèi)，在HH2 2氣氛中，氣氛中，CHCH4 4產(chǎn)率隨壓力提高迅速增產(chǎn)率隨壓力提高迅速增加加. .而甲烷生成反應(yīng)

12、為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)而甲烷生成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱可作為水蒸氣分解、二氧化碳等吸熱可作為水蒸氣分解、二氧化碳等吸熱反應(yīng)熱源，從而減少了碳燃燒中氧熱反應(yīng)熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。的消耗。 也就是說(shuō)，隨著壓力的增加，也就是說(shuō)，隨著壓力的增加，氣化反應(yīng)中氧氣消耗量減少；同時(shí)，氣化反應(yīng)中氧氣消耗量減少；同時(shí)，加壓可阻止氣化時(shí)上升氣體中所帶出加壓可阻止氣化時(shí)上升氣體中所帶出物料的量，有效提高鼓風(fēng)速度，增大物料的量，有效提高鼓風(fēng)速度，增大其生產(chǎn)能力。其生產(chǎn)能力。4 對(duì)于常壓氣化爐，p1通常略高于大氣壓，當(dāng)pl=0.1078MPa左右時(shí)，常壓、加壓爐的氣化溫度之比T1T2=1.1l.25，則由此式

13、可得：V2/Vl=3.193.41在常壓氣化爐和加壓氣化爐中，假定帶出物的數(shù)量相等，則出爐煤氣動(dòng)壓頭相等，可近似得出，加壓氣化爐與常壓氣化爐生產(chǎn)能力之比如下式所示：122112PTPTVV44分析分析- - cocoC02C02COCOCOCO2 2nCOmCOOCyxCyx22nsaPkV4碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重要的二次反應(yīng)，該反碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重要的二次反應(yīng)，該反應(yīng)很大程度上確定了所獲得的煤氣的質(zhì)量。應(yīng)很大程度上確定了所獲得的煤氣的質(zhì)量。在這一還原反應(yīng)中，溫度對(duì)反應(yīng)的影響很大，在較低溫在這一還原反應(yīng)中，溫度對(duì)反應(yīng)的影響很大，在較低溫度下還原速度較小，當(dāng)溫度大于度下還原速

14、度較小，當(dāng)溫度大于300300時(shí)，還原反應(yīng)以時(shí)，還原反應(yīng)以顯著速度進(jìn)行，其還原過(guò)程是復(fù)雜的多項(xiàng)反應(yīng)形成固體顯著速度進(jìn)行，其還原過(guò)程是復(fù)雜的多項(xiàng)反應(yīng)形成固體表面配合物及其分解產(chǎn)物。表面配合物及其分解產(chǎn)物。其中，化學(xué)吸收過(guò)程分為三步，第一步是其中，化學(xué)吸收過(guò)程分為三步，第一步是CO2CO2和燃料中和燃料中的碳在碳表面形成六環(huán)形的碳氧初次配合物，第二步是六的碳在碳表面形成六環(huán)形的碳氧初次配合物，第二步是六環(huán)形的碳氧配合物分解形成放射性的環(huán)形的碳氧配合物分解形成放射性的coco和非活性二次碳氧和非活性二次碳氧配合物；第三步是非活性碳氧配合物分解形成非活性的配合物；第三步是非活性碳氧配合物分解形成非活性

15、的coco分子和分子和C C的游離原子。的游離原子。反應(yīng)速度公式如下：反應(yīng)速度公式如下：223211COCOCOaPkPkPkV4一次反應(yīng)一次反應(yīng) 二次反應(yīng)二次反應(yīng) 化學(xué)速度化學(xué)速度表達(dá)式表達(dá)式22HCOOHC2222HCOOHCCOCOC22 222HCOOHCOOHHOHaPkPkPkV22232114( (一一) )以空氣為氣化劑時(shí)煤氣組成的計(jì)算以空氣為氣化劑時(shí)煤氣組成的計(jì)算1 1、碳與氧平衡組成的計(jì)算、碳與氧平衡組成的計(jì)算molKJCOOCOmolKJCOCOCmolKJCOOC/6 .56622/3 .1732/8 .220222222molKJCOOC/1 .39422222222

16、22423221OCOCOpCOCOpOCOpOCOpPPPkPPkPPkPPk4由上表可見(jiàn)，反應(yīng)式在溫度為由上表可見(jiàn)，反應(yīng)式在溫度為70070017001700C C范圍內(nèi)時(shí)，可見(jiàn)，范圍內(nèi)時(shí)，可見(jiàn)，三個(gè)方程中反應(yīng)物幾乎完全反應(yīng)，即以上三個(gè)反應(yīng)是不可逆的。三個(gè)方程中反應(yīng)物幾乎完全反應(yīng)，即以上三個(gè)反應(yīng)是不可逆的。而式卻不同而式卻不同從從kp3kp3可見(jiàn)，在煤氣發(fā)生爐中可能的溫度變化范圍內(nèi)，其平衡可見(jiàn)，在煤氣發(fā)生爐中可能的溫度變化范圍內(nèi)，其平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)值，在正、負(fù)值之間變動(dòng)，即其平衡組成中的常數(shù)的對(duì)數(shù)值，在正、負(fù)值之間變動(dòng)，即其平衡組成中的COCO和和C02C02的相對(duì)含量，隨平衡時(shí)溫度的不同變

17、化很大。的相對(duì)含量，隨平衡時(shí)溫度的不同變化很大。molKJCOCOC/3 .173224平衡常數(shù)與溫平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系度的關(guān)系cocoCO2CO22 2coco平衡常數(shù)與壓平衡常數(shù)與壓力的關(guān)系力的關(guān)系由此可計(jì)算出不同壓力、不同溫度下的X值，即可求出平衡時(shí)CO、CO2的組成。平衡時(shí)平衡時(shí)CO、CO2的組成的計(jì)算4.2121000ln3TkPxpxppkCOCOP122234CO2CO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算CO2CO2平衡轉(zhuǎn)化率平衡轉(zhuǎn)化率)1)(76.4(42232aaaPppkCOCOP333232816.7618.3376.3PPPPkppkkka4在生產(chǎn)過(guò)程中，碳與氧的反應(yīng)難以

18、達(dá)到平衡，一氧化碳、二氧化碳和沒(méi)有消耗盡的在生產(chǎn)過(guò)程中，碳與氧的反應(yīng)難以達(dá)到平衡，一氧化碳、二氧化碳和沒(méi)有消耗盡的氧氣同時(shí)存在。如以空氣為氣化劑，空氣用量為氧氣同時(shí)存在。如以空氣為氣化劑，空氣用量為v v空，發(fā)生一次反應(yīng)產(chǎn)生煤氣為空，發(fā)生一次反應(yīng)產(chǎn)生煤氣為V V，煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)馀c過(guò)剩的氧氣分別用煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)馀c過(guò)剩的氧氣分別用V VCOCO:V:VCO2=CO2=1:21:2表示，則產(chǎn)物組成表示，則產(chǎn)物組成和用量可計(jì)算如下。和用量可計(jì)算如下。 一次反應(yīng)一次反應(yīng)( (空氣吹風(fēng)空氣吹風(fēng)) )：取取V V空等于空等于lmlm3 3為計(jì)算基準(zhǔn)，由上述反應(yīng)可知，當(dāng)生成二氧

19、化碳時(shí)反應(yīng)前后無(wú)體積變?yōu)橛?jì)算基準(zhǔn)，由上述反應(yīng)可知，當(dāng)生成二氧化碳時(shí)反應(yīng)前后無(wú)體積變化，而當(dāng)生成一氧化碳時(shí)，因化，而當(dāng)生成一氧化碳時(shí)，因V(02)V(02)：V(CO)=1V(CO)=1：2 2，即，即0.5mol0.5mol氧氣反應(yīng)，生成氧氣反應(yīng)，生成lmollmol一一氧化碳，氣體體積則增加了一氧化碳的氧化碳，氣體體積則增加了一氧化碳的0 .50 .5倍。倍。COyVVV*21空COOCCOOC22221COVVV21空COyVV211 空)21(21. 022OCOCOyyyVV空21.02112122COOCOCOyyyyCOCOyVV*4【例2-l】已知吹風(fēng)氣中C02的含量為16、02

20、的含量為0 5(如不考慮吹風(fēng)氣中氫、甲烷的含量及煤中含氧量)，試求吹風(fēng)氣中一氧化碳組成及通入每1m3(標(biāo)準(zhǔn)狀況)空氣,所得吹風(fēng)氣的量。舉例舉例21.02112122COOCOCOyyyy21. 05 . 01005. 05 . 016. 0COCOyy%4.7074.0COyCOCO2 2304.1074.0*5 .011211myVVCO空4空氣煤氣是以空氣作氣化劑反應(yīng)產(chǎn)生的煤氣。在理想狀態(tài)下的氣化空氣煤氣是以空氣作氣化劑反應(yīng)產(chǎn)生的煤氣。在理想狀態(tài)下的氣化過(guò)程中，碳全部轉(zhuǎn)化為一氧化碳。此時(shí)煤氣生成的總過(guò)程可用下式表過(guò)程中，碳全部轉(zhuǎn)化為一氧化碳。此時(shí)煤氣生成的總過(guò)程可用下式表示：示：組成計(jì)算組成計(jì)算: :22276.3276.32NCONOC%3.65%100*76.3276.3)(2N7.34%100*76.322)(CO產(chǎn)率計(jì)算產(chǎn)率計(jì)算: :V=224X (2+3.76)/212=5.38M3/Kg氣化效率氣化效率: :molKJQ.4.439412*38.51000*1.283%4.69%100*6.3406938.5*4.4394%100*6.34069QV4 碳與水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)平衡碳與水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)平衡高溫下的碳與水蒸氣反應(yīng)，可生成含有氫氣、一氧化碳和二氧高溫下的碳與水蒸氣反應(yīng)，可生成含有氫