煤炭氣化原理newPPT學習教案

1、會計學1煤炭煤炭(mitn)氣化原理氣化原理new第一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第1頁/共109頁第二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第2頁/共109頁第三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第3頁/共109頁第四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第4頁/共109頁第五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第5頁/共109頁第六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第6頁/共109頁第七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝COCO

2、2在12之間。第7頁/共109頁第八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第8頁/共109頁第九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝 2、煤炭氣化反應的類型(lixng) 煤炭氣化過程的反應可分成兩種類型(lixng)。1）非均相氣體固體反應，氣相可以是最初的氣化劑，也可能是氣化過程的產物，固相是指煤中的碳。雖然煤具有很復雜的分子結構，和碳原子相連接著的還有氫、氧等其它元素，但因為氣化反應往往發(fā)生在煤裂解之后，故只考慮煤中主要元素碳是合理的。2)均相的氣相反應，反應物可能是氣化劑，也可能是反應產物。第9頁/共109頁第十頁，共109頁。 2022-5-

3、7煤炭氣化(q hu)工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 1.研究氣化過程熱力學的目的是什么? 氣化過程熱力學主要研究氣化過程反應進行的方向(fngxing)和限度，以解決在某一條件下氣化反應的可能性問題。它只研究反應過程的始態(tài)和終態(tài)，不考慮由始態(tài)到達終態(tài)的途徑，也不涉及氣化反應的機理和反應速度。第10頁/共109頁第十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 第11頁/共109頁第十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 上式表明，反應焓在恒壓下對溫度T的導數在數值上等于產物與反應物恒壓熱容

4、之差。若知道(zh do)CP隨T的變化關系，就可以通過積分求解121第12頁/共109頁第十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 A，圖解法B，第13頁/共109頁第十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 利用式(1-22 )，只要知道一個溫度下的反應焓，就可求得其他任何溫度下的反應焓。在應用克希霍夫公式積分時，要注意在積分的溫度范圍(fnwi)內不能有相變化。有相變怎么辦？第14頁/共109頁第十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝二、氣化(q hu)過程熱力

5、學 3.氣化反應平衡常數的概念及表達方式是什么? 嚴格地講，許多氣化反應都不是不可逆反應，而是可逆反應。在這些可逆反應中，反應不可能全部達到完全平衡。 在一般工業(yè)氣化操作條件下，除了水煤氣變換反應外，其它的氣化反應很難達到平衡狀態(tài)，有的甚至離平衡狀態(tài)還相當遠。但是，研究其平衡狀態(tài)，可掌握反應進行的方向和限度，并且(bngqi)通過對反應條件的控制，使反應朝著需要的方向進行，并從理論上預示產物所能達到的最大限度和反應物所必需的消耗量。第15頁/共109頁第十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 第16頁/共109頁第十七頁，共109頁。 20

6、22-5-7煤炭(mitn)氣化工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 第17頁/共109頁第十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝二、氣化(q hu)過程熱力學 第18頁/共109頁第十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝二、氣化二、氣化(q hu)過程熱過程熱力學力學第19頁/共109頁第二十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝溫度(wnd)對化學平衡的影響4第20頁/共109頁第二十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝溫度對化學平衡(huxupnghng)的影響第21頁/共109頁第二十二頁，共10

7、9頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝4、溫度對化學平衡(huxupnghng)的影響第22頁/共109頁第二十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝4、溫度(wnd)對化學平衡的影響 在文獻中一般只能查到各種化合物在298K時的標準生成(shn chn)自由焓、標準生成(shn chn)焓和標準熵，因此只能根據這些數據算出在298K時的化學平衡常數的值。但在實際問題中化學反應往往都不是在這個溫度下發(fā)生的，所以需要討論溫度對平衡常數的影響。溫度對平衡常數影響的公式為范特霍夫微分式第23頁/共109頁第二十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工

8、藝4、溫度對化學平衡(huxupnghng)的影響按照(nzho)式122（P16）進行積分，可得：第24頁/共109頁第二十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝舉例(j l)molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .17322第25頁/共109頁第二十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝舉例(j l)可以看到,隨著溫度變化，其還原產物CO 的組成隨著溫度升高而增加；溫度越高，一氧化碳平衡濃度越高。當溫度升高到1000時，CO 的平衡組成為99.1%。在前面提到的其它可逆反應(fnyng)中，有很多是放熱反應(fnyng

9、)，溫度過高對反應(fnyng)不利。第26頁/共109頁第二十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝舉例(j l)在此反應中，如有1%CO 轉化為甲烷，則氣體的絕熱溫升為6070。在合成氣中CO 的組成大約為30%左右，因此，反應過程(guchng)中必須將反應熱及時移走，使得反應在一定的溫度范圍內進行，以確保不發(fā)生由于溫度過高而引起催化劑燒結的現(xiàn)象發(fā)生。第27頁/共109頁第二十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝npbBaAdDcCxpKxxxxK1第28頁/共109頁第二十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝在下列(

10、xili)反應中：反應后氣體體積或分子數增加，如增大壓力，則使平衡向左移動，因此上述反應適宜在減壓下進行。第29頁/共109頁第三十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝在氣化爐內，在H2 氣氛中，CH4 產率隨壓力提高迅速增加(zngji)，發(fā)生反應為：上述反應均為縮小體積的反應，加壓有利于CH4 生成，而甲烷生成反應為放熱反應，其反應熱可作為吸熱反應熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。也就是說，隨著壓力的增加，氣化反應中氧氣消耗量減少。第30頁/共109頁第三十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第31頁/共109頁第三十二頁，共109頁。 202

11、2-5-7煤炭(mitn)氣化工藝 若氣化爐截面積相同(xin tn)，常壓和加壓氣化爐的煤氣產量分別為V1和V2（標準態(tài)），則兩者在爐內的速度之比在常壓氣化爐和加壓氣化爐中，假定帶出物的數量相等，則出爐煤氣動壓頭相等，以w表示煤氣的實際流速，則氣化爐生產能力比較時有如下關系式：211221212112222211ppwwppwwww所以因第32頁/共109頁第三十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝 對于(duy)常壓氣化爐，p1通常略高于大氣壓，當pl=0.1MPa，p2=2.5MPa，常壓、加壓爐的氣化溫度之比T1T2=1.1l.25，則由此式可得：V2/Vl=5

12、.56.251221 1 2211212121212PPTTVVppTpVTpVVVww第33頁/共109頁第三十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝高壓(goy)氣化時的平衡常數在高壓情況下，實際氣體的性質與理想氣體有很大的差別(chbi)。因此，適用于低壓氣體反應的平衡常數KP的表達式就不再適用于高壓氣體。為此引入逸度第34頁/共109頁第三十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝高壓(goy)氣化時的平衡常數在第35頁/共109頁第三十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝高壓(goy)氣化時的平衡常數氣體逸度系數的計算

13、可采用對比(dub)狀態(tài)法，即不同氣體在相同的對比(dub)壓力PR及對比(dub)溫度TR下有大致相同的逸度系數。因此，可根據氣體的對比(dub)壓力PR和對比(dub)溫度TR，由普遍化逸度系數圖查得氣體逸度系數。 如何求算高壓下的KP值？KKKKRTGpffln第36頁/共109頁第三十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝O.Boudouard研究(ynji)結果4 .2121000lnTkP第37頁/共109頁第三十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第38頁/共109頁第三十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第

14、39頁/共109頁第四十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第40頁/共109頁第四十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝（2）碳與水蒸氣的反應(fnyng)第41頁/共109頁第四十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝強吸熱反應，平衡常數？溫度(wnd)提高對兩反應平衡常數的影響程度不同，原因？第42頁/共109頁第四十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第43頁/共109頁第四十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝（3）變換(binhun)反應在煤氣爐出口通?？梢赃_到平衡第

15、44頁/共109頁第四十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝（3）碳的加氫反應(fnyng)提高壓力或溫度，平衡？生產合成氣或燃料氣時采用的條件其它甲烷化反應P30催化劑第45頁/共109頁第四十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝式連同物料平衡和熱量式連同物料平衡和熱量(rling)平衡方程式組成聯(lián)立方程組，平衡方程式組成聯(lián)立方程組，然后求解。然后求解。第46頁/共109頁第四十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第47頁/共109頁第四十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝氣固顆粒(kl)發(fā)生反

16、應的步驟 第48頁/共109頁第四十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第49頁/共109頁第五十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第50頁/共109頁第五十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第51頁/共109頁第五十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝低溫區(qū)溫度很低，反應速度很慢，表面反應過程是控制步驟。此時表觀動力學接近(jijn)化學反應的本征動力學，保持原來的反應級數，速率常數和活化能。中溫區(qū) 總過程的速率由表面反應和內擴散所控制，稱內擴散區(qū)。氣相反應劑在顆粒內部滲人深度遠小于顆粒半徑R，

17、化學反應在炭粒表面和較淺薄層中進行。實驗測得的表觀活化能為真實活化能的一半 高溫區(qū)反應速度由外擴散控制，也即由反應劑或產物通過固體表面的滯流邊界層的擴散控制，稱外擴散區(qū)。因化學反應速率在高溫下大大加快，故反應劑物質的量濃度在固體表面已接近為零。表觀動力學接近擴散動力學。擴散系數對溫度的變化并不敏感。在動力區(qū)和內擴散區(qū)之間有一過渡區(qū)a;在內擴散區(qū)和外擴散區(qū)之間有一過渡區(qū)b。在過渡區(qū)要確定總的過程速率必須同時考慮兩類過程速率的影響。第52頁/共109頁第五十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第53頁/共109頁第五十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)

18、工藝第54頁/共109頁第五十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝根據表面質量作用定律，表面過程的基元反應的反應速度與反應物在表面覆蓋分數成正比：表示在等溫和達到平衡時同固體表面相接觸的氣相分壓與其吸附量之間的關系式稱為吸附平衡方程式，朗繆爾方程是其中常用的理論方程式第55頁/共109頁第五十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝所以第56頁/共109頁第五十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝根據質量作用定律，所以2第57頁/共109頁第五十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝沒有控制步驟的反應，即

19、在各連串基元反應中每一步的反應速率都差不多，其特點是反應過程中任何一個基元步驟均未達到平衡，且其速率可以代表整個反應的速率。例如在表面反應中，吸附、表面反應、脫附等步驟速率相近，吸附平衡沒有建立。不能用等溫吸附方程式，需要用定態(tài)法求解第58頁/共109頁第五十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝在穩(wěn)態(tài)條件下RO：CO，H2OR：產物(RO)：反應物吸附在炭表面上(R)：產物吸附在炭表面上第59頁/共109頁第六十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝根據(gnj)定態(tài)條件可以求出第60頁/共109頁第六十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mi

20、tn)氣化工藝nw吸附數群推動力動力學系數第61頁/共109頁第六十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第62頁/共109頁第六十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第63頁/共109頁第六十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第64頁/共109頁第六十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝Cskwv)(fThiele模數第65頁/共109頁第六十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第66頁/共109頁第六十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝碳的燃燒反

21、應在所有氣化反應中，速率是最大的。在溫度高于800時，碳的燃燒反應幾乎不可逆地自左向右進行。若提高反應溫度或增大煤焦粒度，則反應可趨于外擴散區(qū)。若降低反應溫度或減小煤焦粒度，則反應可趨于內擴散區(qū)，甚至動力區(qū)。第67頁/共109頁第六十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝史密斯等人的研究表明(biomng)：對于粒徑大于100微米的碳粒，在1200K下，燃燒反應為外擴散控制;對于粒徑為90微米的碳粒，在75OK下，燃燒反應為表面反應控制;當碳粒粒徑小至20微米時，其動力區(qū)的溫度范圍可達1600K第68頁/共109頁第六十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)

22、氣化工藝在一般移動床煤氣發(fā)生爐內，當氧化層溫度低于900時，燃燒的速率取決于碳的化學反應速率，此時溫度的增加對反應速率影響(yngxing)很大。如在775時，溫度每提高10，反應速率可增加一倍。 當氧化層溫度大于900時，燃燒反應的速率主要取決于氧從氣流主體擴散到碳表面的速率和由產物碳表面向氣流主體擴散的速率。例如在9001200范圍內，電極碳的燃燒，空氣的流速為170m/s，燃燒速率與空氣流速的0.47次方成比例。第69頁/共109頁第七十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第70頁/共109頁第七十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝研究認為

23、:對于活性高的原料，在1000-1100以上，水蒸氣分解反應進入擴散區(qū)。相應于一般煤氣爐的還原層溫度，反應可能處于擴散區(qū)或過渡區(qū)。此時爐溫、蒸汽通過料層的流速、燃料的粒度，均可影響水蒸氣分解反應的速率。第71頁/共109頁第七十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝對于活性高的原料，可在保證煤氣質量不變的情況下，適當提高蒸汽(zhn q)的入爐速率，從而使發(fā)生爐的生產能力提高。對于無煙煤、天然焦等原料，因其反應活性低，在1100時，水蒸氣分解反應仍處于動力區(qū)。反應速率主要受溫度的影響。如果爐溫稍有下降，則煤氣質量和氣化強度將迅速降低。第72頁/共109頁第七十三頁，共10

24、9頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝 該反應在400以上即可發(fā)生，在900時與水蒸氣分解反應的速率相當，高于1480時，其速率很快。在一般煤氣發(fā)生爐內，可認為變換反應能達到熱力學平衡。但是(dnsh)實際達到平衡的程度與溫度、蒸汽分解率以及料層深度有一定的關系，還與燃料的反應性、灰分的催化活性有關。第73頁/共109頁第七十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝 甲烷的生成速率是很慢的。在1073K和10kPa壓力時，碳和氫的反應(fnyng)速率是二氧化碳還原反應(fnyng)的3*10-3倍。 當壓力增高時，反應(fnyng)物濃度增大，反應(fnyng)

25、速率提高。甲烷的生成速率還與燃料的反應(fnyng)活性有關，反應(fnyng)活性大的，甲烷生成速率高。第74頁/共109頁第七十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝 在10001500的氣化溫度、常壓2.0MPa的氣化壓力條件下，各煤種的氣化反應速率在相同的氣化溫度下隨氣化壓力的升高而增加;同時，在相同的氣化壓力下氣化反應速率隨氣化溫度的上升(shngshng)而上升(shngshng)。由此可見，在這個氣化條件范圍內，干煤粉的氣化反應過程同時受化學反應控制與擴散控制的影響。第75頁/共109頁第七十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第76

26、頁/共109頁第七十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第77頁/共109頁第七十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第78頁/共109頁第七十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第79頁/共109頁第八十頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第80頁/共109頁第八十一頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第81頁/共109頁第八十二頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第82頁/共109頁第八十三頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第83

27、頁/共109頁第八十四頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第84頁/共109頁第八十五頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝第85頁/共109頁第八十六頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝碳轉化率一般為90%100%，其中干粉進料氣流床氣化碳轉化率最高。第86頁/共109頁第八十七頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第87頁/共109頁第八十八頁，共109頁。 2022-5-7煤炭(mitn)氣化工藝第88頁/共109頁第八十九頁，共109頁。 2022-5-7煤炭氣化(q hu)工藝水蒸氣分解率越高，蒸汽消耗越低，氣化效率越高。該指標一般用于固定床和流化床氣化，水煤漿進料氣流床氣化無此指標，干粉進料因入爐水蒸氣量很少，其分解率90%。第89頁/共109頁第九十頁，共