煤炭地下氣化原理課件

第二章煤炭氣化原理第一節(jié)煤炭氣化方法第二節(jié)煤炭氣化原理

8/15/2023煤炭氣化工藝》第二章煤炭氣化原理第一節(jié)煤炭氣化方法第二節(jié)煤炭氣化原掌握煤炭氣化方法、煤炭氣化原理熟悉與理解氣化過程的理論基礎(chǔ)與煤氣平衡組成的計(jì)算了解地下氣化知識(shí)目標(biāo)

8/15/2023煤炭氣化工藝》掌握煤炭氣化方法、煤炭氣化原理熟悉與理解氣化過程的理論基礎(chǔ)與能掌握煤炭氣化反應(yīng)會(huì)判斷實(shí)際用煤氣化時(shí)的主要影響因素會(huì)解釋T、P對(duì)氣化的影響能力目標(biāo)

8/15/2023煤炭氣化工藝》能掌握煤炭氣化反應(yīng)會(huì)判斷實(shí)際用煤氣化時(shí)的主要影響因素會(huì)解釋T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氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣、氫等)在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程一個(gè)復(fù)雜的多相物理及化學(xué)過程煤的氣化

8/15/2023煤炭氣化工藝》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氣化劑(空煤氣定義：氣化劑通過熾熱固體燃料層時(shí)，所含游離氧或結(jié)合氧將燃料中的碳轉(zhuǎn)化成的可燃性氣體。煤氣的有效成分：為一氧化碳、氫氣、甲烷等用途：其可作為化工原料、城市煤氣和工業(yè)原料。

8/15/2023煤炭氣化工藝》煤氣定義：氣化劑通過熾熱固體燃料層時(shí)，所含游離氧或結(jié)合氧將燃煤炭氣化設(shè)備

8/15/2023煤炭氣化工藝》煤炭氣化設(shè)備7/312-1煤炭氣化方法（一）氣化技術(shù)氣化技術(shù)地面氣化地下氣化將煤從地下挖掘出來(lái)后再經(jīng)過各種氣化技術(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炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過對(duì)煤的熱作用及化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。其過程集建井、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)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。其生產(chǎn)煤氣具有安全性好、投資少、見效快、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。

8/15/2023煤炭氣化工藝》2-1煤炭氣化方法（一）氣化技術(shù)氣化技術(shù)地面氣化地下氣化將煤建地下氣化爐的兩種技術(shù)途徑鉆井式建地下氣化爐技術(shù)巷道式建地下氣化爐技術(shù)在正開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)力和煤層溫度制約。即采用常規(guī)的油氣井鉆井技術(shù)，鉆一口一般的長(zhǎng)祼眼水平井段，與另外的二口直井于同一煤層內(nèi)以洞穴式相連通。單套地下氣化爐仍由氣化通道、進(jìn)氣孔、輔助孔和出氣孔等組成。將進(jìn)氣孔底部的氣化穴煤炭點(diǎn)燃，鼓入汽化劑促使連續(xù)氣化煤炭，由輔助孔鼓入氫氣，氣化通道內(nèi)仍有氧化帶、還原帶和干餾干燥帶出現(xiàn)。此種建地下氣化爐技術(shù)于國(guó)外多采用，但國(guó)內(nèi)的遼河油田于2005年內(nèi)成功建起了首座鉆井式地下氣化爐，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)建地下氣化爐新階段。但因鉆井井徑受限，制約著單套爐規(guī)?；_采

8/15/2023煤炭氣化工藝》建地下氣化爐的兩種技術(shù)途徑鉆井式建地下氣化爐技術(shù)巷道式建地下煤炭地下氣化開采能有效地利用礦物能源資源，畢竟國(guó)內(nèi)井工可采煤炭含量?jī)H占煤炭資源儲(chǔ)量的11.43%，地下氣化開采就是有效利用資源的途徑。目前山東、山西、內(nèi)蒙古、貴州、河南、四川、遼寧等地區(qū)都在引入煤炭地下氣化技術(shù)，使“報(bào)廢”的煤炭資源得到充分利用。煤氣組成為：φ（C02）：9％～11％；

φ（CO）：15%～19％；

φ（H2）：14%～17％；

φ（CH4）；14％～15%；

φ（O2）：0.2％～0．3％；

φ（N2）：53％～55％。地下氣化的概況

8/15/2023煤炭氣化工藝》煤炭地下氣化開采能有效地利用礦物能源資源，畢竟國(guó)內(nèi)井工可采煤煤炭地下氣化原理

8/15/2023煤炭氣化工藝》煤炭地下氣化原理7/（二）地面氣化技術(shù)的分類其原理如圖此過程的反應(yīng)式如下：煤在氣化過程中不需外界供熱，而是利用煤與氧反應(yīng)放出熱量來(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)制取煤氣。傳熱方式外熱式內(nèi)熱式是指利用外部給氣化爐提供熱量的過程。其熱源可由加熱外部爐壁來(lái)加熱燃料，爐壁需選用耐火度高且導(dǎo)熱性好的材料；同時(shí)也可用高度過熱水蒸氣(1100℃)；另外也可用加熱水蒸氣和粉末燃料的混合物到1100℃．達(dá)到水煤氣反應(yīng)溫度。其原理如圖所示

8/15/2023煤炭氣化工藝》（二）地面氣化技術(shù)的分類其原理如圖此過程的反應(yīng)式如下：煤在氣加氫氣化氣化介質(zhì)富氧氣化純氧氣化水蒸氣氣化（二）地面氣化技術(shù)的分類氣化劑是富氧空氣氣化劑是純氧氣體氣化劑是氫氣。加氫氣化是由煤與氫氣在溫度為800~1000℃

，壓力在1～10MPa下反應(yīng)生成甲烷的過程。煤與氫的反應(yīng)中僅部分碳轉(zhuǎn)變成甲烷。此時(shí)可加水蒸氣、氧氣與未反應(yīng)的碳進(jìn)行氣化生成H2、CO、C02等。氣化劑是水蒸氣

8/15/2023煤炭氣化工藝》加氫氣化氣化介質(zhì)富氧氣化純氧氣化水蒸氣氣化（二）地面氣化技術(shù)煤氣分類水煤氣煤氣空氣煤氣混合煤氣半水煤氣定義:是以空氣為氣化劑生成的煤氣。成分:含有60%的N2和一定量的一氧化碳、少量二氧化碳和氫氣特點(diǎn):熱值最低，主要作為化學(xué)工業(yè)原料，煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料等。定義:以空氣和適量的水蒸氣的混合物為氣化劑所生成的煤氣成分:含有N2，CO，CO2，H2。特點(diǎn):這種煤氣在工業(yè)上一般用作燃料。

定義:是以水蒸氣作為氣化劑生成的煤氣.成分:其中氫氣和一氧化碳的含量共達(dá)85%(體積分?jǐn)?shù))以上，用作化工原料。是以水蒸氣為主，加適量的空氣或富氧空氣同時(shí)作為氣化劑制得的煤氣。合成氨時(shí)較多使用半水煤氣，此時(shí)氫氣與一氧化碳的總質(zhì)量是氮?dú)赓|(zhì)量的3倍。

8/15/2023煤炭氣化工藝》煤氣分類水煤氣煤氣空氣煤氣混合煤氣半水煤氣定義:是以空氣為氣(三)其他分類(1)以入爐煤塊度分類可分為粉煤炭氣化、塊煤炭氣化等。(2)以燃料在爐內(nèi)的狀況分類移動(dòng)床氣化、沸騰床氣化、氣流床氣化、熔融床氣化等。

8/15/2023煤炭氣化工藝》(三)其他分類(1)以入爐煤塊度分類可分為粉煤炭氣化、塊煤炭第二節(jié)煤炭氣化原理煤的氣化是指利用煤或半焦與氣化劑進(jìn)行多相反應(yīng)產(chǎn)生碳的氧化物、氫、甲烷的過程，主要是固體燃料中的碳與氣相中的氧、水蒸氣、二氧化碳、氫之間相互作用。也可以說(shuō)，煤炭氣化過程是將煤中無(wú)用固體脫除。轉(zhuǎn)化為可作為工業(yè)燃料、城市煤氣和化工原料氣的過程。

8/15/2023煤炭氣化工藝》第二節(jié)煤炭氣化原理煤的氣化是指利用煤或半焦與氣化劑進(jìn)行多一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)一次反應(yīng)二次反應(yīng)總反應(yīng)

8/15/2023煤炭氣化工藝》一、氣化過程主要化學(xué)反應(yīng)一次反應(yīng)二次反應(yīng)總反應(yīng)S+02S02S02+3H2H2S+2H20S02+2COS+2CO22H2S十S023S+2H20C+2SCS2C0+SCOSN2十3H22NH3N2+H20+2C02HCN+02N2+X022NOx副反應(yīng)

8/15/2023煤炭氣化工藝》S+02S02副反應(yīng)各種煤氣組成

8/15/2023煤炭氣化工藝》各種煤氣組成7/31二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)煤的反應(yīng)性是指煤的化學(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。煤的反應(yīng)性是決定氣化方法的一個(gè)重要因素。煤炭氣化的總過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)。煤的氣化過程是熱化學(xué)過程，影響其化學(xué)過程的因素很多（氣化介質(zhì)、燃料接觸方式、工藝條件)。為了清楚地分析、選擇工藝條件，現(xiàn)首先分析煤炭氣化過程中的化學(xué)平衡及反應(yīng)速度。

8/15/2023煤炭氣化工藝》二、氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ)煤的反應(yīng)性是指煤的化學(xué)活性，是煤與(一)氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡在煤炭氣化過程中，有相當(dāng)多的反應(yīng)是可逆過程。特別是在煤的二次氣化中，幾乎均為可逆反應(yīng)。在一定條件下，當(dāng)正反應(yīng)速度與逆反應(yīng)速度相等時(shí)，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡?；瘜W(xué)平衡時(shí)

8/15/2023煤炭氣化工藝》(一)氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡在煤炭氣化過程中，有相當(dāng)多的反應(yīng)是可

從上式可以看出，若△H為負(fù)值時(shí)，為放熱反應(yīng)，溫度升高，b值減小，對(duì)于這類反應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)降低反應(yīng)溫度有利于放熱反應(yīng)的進(jìn)行。反之，若△H為正值時(shí)，即吸熱反應(yīng)，溫度升高，kp值增大，此時(shí)升高溫度有利于吸熱反應(yīng)的進(jìn)行。1、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

8/15/2023煤炭氣化工藝》從上式可以看出，若△H為負(fù)值時(shí)，為放熱反應(yīng)，溫1、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響對(duì)于氣化反應(yīng)式兩反應(yīng)過程均為吸熱反應(yīng)。在這兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行過程中，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，即升高溫度對(duì)制氣的主反應(yīng)有利。

8/15/2023煤炭氣化工藝》1、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響對(duì)于氣化反應(yīng)式兩反應(yīng)過程均為吸熱反應(yīng)2.壓力的影響平衡常數(shù)KP不僅是溫度函數(shù)，而且隨壓力變化而變化。壓力對(duì)于液相反應(yīng)影響不大，而對(duì)于氣相或氣液相反應(yīng)平衡的影響是比較顯著的。根據(jù)化學(xué)平衡原理，升高壓力平衡向氣體體積減小的方向進(jìn)行；反之，降低壓力，平衡向氣體體積增加方向進(jìn)行。在煤炭氣化的一次反應(yīng)中，所有反應(yīng)均為增大體積的反應(yīng)，故增加壓力，不利于反應(yīng)進(jìn)行。

8/15/2023煤炭氣化工藝》2.壓力的影響平衡常數(shù)KP不僅是溫度函數(shù)，而且隨壓力變化而變壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響分析如果△n<0，增大壓力Kp后，P△v減小。KP不變，KN保持不變,就不能維持平衡，所以當(dāng)壓力增高時(shí),KN必然增加因此加壓有利。既加壓平衡向體積減少或分子數(shù)減小的方向移動(dòng)。如果△v>0，則正好相反，加壓將使平衡向反應(yīng)物方向移動(dòng)，因此，加壓對(duì)反應(yīng)不利，這類反應(yīng)適宜在常壓甚至減壓下進(jìn)行。如果△v=0，反應(yīng)前后體積或分子數(shù)無(wú)變化，則壓力對(duì)理論產(chǎn)率無(wú)影響。

8/15/2023煤炭氣化工藝》壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響分析如果△n<0，增大壓力Kp后，P△v粗煤氣組成與氣化壓力的關(guān)系由上述可知，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)氣化煤氣需要較高熱值時(shí)，可采用加壓氣化。這是因?yàn)閴毫μ岣吆?，在氣化爐內(nèi)，在H2氣氛中，CH4產(chǎn)率隨壓力提高迅速增加.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、二氧化碳等吸熱反應(yīng)熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。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)，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，增大其生產(chǎn)能力。

8/15/2023煤炭氣化工藝》粗煤氣組成與氣化壓力的關(guān)系由上述可知，在煤炭氣化中，可根據(jù)生對(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T1／T2=1.1～l.25，則由此式可得：V2/Vl=3.19～3.41加壓氣化爐與常壓氣化爐生產(chǎn)能力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：

8/15/2023煤炭氣化工藝》對(duì)于常壓氣化爐，p1通常略高于大氣壓，當(dāng)pl=0.1078(二)氣化反應(yīng)速度的影響因素非均相氣化反應(yīng)機(jī)理

①氣體反應(yīng)物向固體(碳)表面轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散。

②氣體反應(yīng)物被吸附在固體(碳)表面。

③被吸附的氣體反應(yīng)物在固體(碳)表面起反應(yīng)而形成中間配合物。

④中間配合物的分解或與氣相中到達(dá)固體(碳)表面的氣體分子發(fā)生反應(yīng)。

⑤反應(yīng)物從固體(碳)表面解吸并擴(kuò)散到氣流主體氣化反應(yīng)速度除了與第③、④步的化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)外，還取決于第①、②、⑤步的物理擴(kuò)散過程。煤炭氣化時(shí)，包括了碳的氧化、二氧化碳還原、水蒸氣分解三個(gè)主要?dú)庖还滔噙^程．

8/15/2023煤炭氣化工藝》(二)氣化反應(yīng)速度的影響因素非均相氣化反應(yīng)機(jī)理分析-1.碳在氣化過程中的氧化

在T<1200℃時(shí)，一級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物C0與C02的物質(zhì)的量相等．即nco=nC02；而在較高溫度T>1600℃(零級(jí)反應(yīng))時(shí)，nCO=2nCO2，反應(yīng)速度方程如下：

8/15/2023煤炭氣化工藝》分析-1.碳在氣化過程中的氧化在T<1200℃時(shí)，一級(jí)反2.二氧化碳在氣化過程中的還原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。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300℃時(shí)，還原反應(yīng)以顯著速度進(jìn)行，其還原過程是復(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。其中，化學(xué)吸收過程分為三步，第一步是CO2和燃料中的碳在碳表面形成六環(huán)形的碳氧初次配合物，第二步是六環(huán)形的碳氧配合物分解形成放射性的co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co分子和C的游離原子。反應(yīng)速度公式如下：

8/15/2023煤炭氣化工藝》2.二氧化碳在氣化過程中的還原碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重一次反應(yīng)

二次反應(yīng)3.水蒸氣分解過程化學(xué)速度表達(dá)式

8/15/2023煤炭氣化工藝》一次反應(yīng)二次反應(yīng)3.水蒸氣分解過程化學(xué)速度表達(dá)式三、煤氣平衡組成的計(jì)算(一)以空氣為氣化劑時(shí)煤氣組成的計(jì)算1、碳與氧平衡組成的計(jì)算

8/15/2023煤炭氣化工藝》三、煤氣平衡組成的計(jì)算(一)以空氣為氣化劑時(shí)煤氣組成的計(jì)算由上表可見，反應(yīng)式在溫度為700～1700°C范圍內(nèi)時(shí)，可見，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。而式卻不同從kp3可見，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CO和C02的相對(duì)含量，隨平衡時(shí)溫度的不同變化很大。

8/15/2023煤炭氣化工藝》由上表可見，反應(yīng)式在溫度為700～1700°C范圍內(nèi)時(shí)，可見平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如平衡時(shí)氣體總壓為p，各組分的分壓分別為pco和pCO2．設(shè)氣體中只有CO和C02兩種氣體，CO的物質(zhì)的量的分率為x，則pco=px，pco2=(1-x),由此可得kp。：平衡常數(shù)與壓力的關(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)CO、CO2的組成的計(jì)算

8/15/2023煤炭氣化工藝》平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如平衡時(shí)氣體總壓為p，各組分的分壓分別為CO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算工業(yè)生產(chǎn)中如果以空氣為氣化劑，因而與空氣中的氧同時(shí)進(jìn)入煤氣發(fā)生爐的還有氮?dú)狻Ｓ捎诘獨(dú)獾拇嬖?，稀釋了氣體混合物中一氧化碳與二氧化碳的濃度，也就是降低了它們的分壓，因此，平衡向生成一氧化碳的方向移動(dòng)。CO2平衡轉(zhuǎn)化率

8/15/2023煤炭氣化工藝》CO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算工業(yè)生產(chǎn)中如果以空氣為氣化劑，因而與空2.碳與氧反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計(jì)算在生產(chǎn)過程中，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v空，發(fā)生一次反應(yīng)產(chǎn)生煤氣為V，煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)馀c過剩的氧氣分別用VCO:VCO2=1:2表示，則產(chǎn)物組成和用量可計(jì)算如下。一次反應(yīng)(空氣吹風(fēng))：取V空等于lm3為計(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V(02)：V(CO)=1：2，即0.5mol氧氣反應(yīng)，生成lmol一氧化碳，氣體體積則增加了一氧化碳的0.5倍。根據(jù)氣化過程的原子平衡關(guān)系：則

8/15/2023煤炭氣化工藝》2.碳與氧反應(yīng)的產(chǎn)物組成和用氣量計(jì)算在生產(chǎn)過程中，碳與氧的反【例2-l】已知吹風(fēng)氣中C02的含量為16％、02的含量為05％(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。舉例解:巳知yCO=0.16，yO2=0.005