煤化工工艺学课件 第五章 煤的气化.pptx

;;;; 5.1煤气化原理;5.1.1.2 气化过程的基本物理化学反应 （1）干燥过程 （2）热解过程的化学反应 在热解阶段，煤中有机质和矿物质发生一系列复杂的物理和化学变化形成固体、液体和气体产物。热解过程根据温度范围可分为三个阶段： 第一阶段（室温到350-400 °C）为干燥脱气阶段，主要是煤中的气体脱除和羧基的裂解； 第二阶段（400-550 °C）主要以分解和解聚反应为主，生成和释放出大量的挥发物； 第三阶段（550-1000 °C）主要是二次脱气阶段，在这一阶段，半焦变成焦炭，以缩聚反应为主。 从以上三个阶段可以看出，煤的热解过程的化学反应主要可分为裂解和缩聚两大类。;（3）煤气化的化学反应;② 气化反应 这是气化过程中最主要的反应，主要是碳元素与水蒸气和CO2的反应，以及部分甲烷的生成。 ;煤中存在的其他元素如氮和硫等，在气化过程中与气化剂以及氮硫化合物之间也会发生反应如下：产生污染物的反应。;5.1.2.1 温度的影响 煤气化过程中C与CO2及H2O的反应过程均为吸热反应。在这两个反应进行过程中，升高温度，平衡向吸热方向移动，即升高温度对制气的主反应有利。 ;5.1.2.2 压力的影响 压力对液相反应影响不大，而对气相或气液相反应平衡的影响是比较显著的。 在煤炭气化的一次反应中，所有反应均为增大体积的反应，故增加压力，不利于反应进行。 ;在固体（碳）表面进行的气固反应中，通常有以下几个步骤： 气体反应物从气相扩散或转移到到固体内外表面； 气体反应物在固体表面吸附； 被吸附的气体反应物在固体（碳）表面发生表面反应； 反应产物从固体（碳）表面解吸； 反应产物从内表面扩散到固体表面； 反应产物从固体表面扩散到气相。 总反应速率受到具有最大阻力步骤（限速步骤）的限制。 如反应总速率受化学反应速率限制时，称为化学动力学控制，如受物理过程速率限制时，则称为扩散控制。 ;其中温度是判断反应是否处于化学动力学控制的一个重要因素，在较低的温度范围（T1000℃）下，表面反应（步骤3）是气化过程中的限速步骤。随着温度升高，反应物通过孔和边界层（步骤1）的扩散对表观反应速率的影响越来越大。 控制煤气化过程中总反应速率的最慢反应是与碳的非均相反应，主要包括碳与CO2的反应及碳与水蒸气的反应（水煤气变换反应）两类。 ; 5.1.3 煤气化动力学;5.1.3.2 碳与水蒸气的反应机理 碳与水蒸气的反应模型为： ? 式中Cf为碳表面上的活性中心 限速步骤是碳氧表面配合物的解吸附。基于此，部分学者提出如下反应速率方程式： 式中k1—碳表面上水蒸气的吸附速率常数 k2—碳与吸附的水蒸气分子之间的反应速率常数 k3—氢的吸附和解离平衡常数 —氢和水蒸气的分压;5.1.3.3 催化气化的反应机理 使用各种技术对表面C-O复合物进行了测量和表征，表明表面复合物的形成与气化过程中氧的传递过程有关，虽然不同的研究者对碳表面C-O复合物的描述存在差异。 但正是因为碱金属和碱土金属化合物可以与氧形成缔合物，因此气化过程的催化活性组分通常为碱金属和碱土金属化合物。;;煤气化类型-自热式煤的水蒸气气化;煤气化类型-外热式煤的水蒸气气化;煤气化类型-煤的加氢气化;煤气化类型-加氢气化耦合水蒸气气化;煤气化类型-水蒸气气化+甲烷化;按气化反应器类型分类; 5.2.1 煤气化方法的分类;固定床（移动床）气化法 固定床一般以碎煤或煤焦为原料，入炉煤粒度为6–50mm。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入，含有残碳的灰渣自炉底排出，煤和灰渣与气化剂逆向流动。固定床气化具有操作简单易控的特性。同时由于气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，具有较高的热效率等特性。 流化床气化法 又称为沸腾床气化。以粒度为3-5 mm小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自下而上的气化剂作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化具有生产能力大、燃料适应性广、使用小颗粒煤为原料等特点。;气流床气化法 是一种并流式气化，入炉煤粒度70 %通过200目，以并流方式在高温火焰中进行反应，所产生的煤气和熔渣在接近炉温的条件下排出，煤气中不含焦油等物质。气流床气化法从原料形态上可分为水煤浆、干煤粉两类。气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性其清洁、高效代