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煤资源化学论文
煤资源化学论文（设计）
论文（设计）题目：
煤炭气化工艺
学院：
化学与化工学院
专业：
应用化学
班级：
应化111
学号：
1108110258
学生姓名：
戎朝富
2013年11月30日
论文（设计）诚信责任书
本人郑重声明：
本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。
毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日期：
目录
摘要II
AbstractIII
第一章前言1
1.1发展煤化工的重要意义1
1.2煤炭气化技术利用领域1
1.2.1化工合成原料气1
1.2.2工业燃气1
1.2.3民用煤气2
1.2.4煤炭气化制氢2
1.2.5冶金还原气2
1.3煤气化的分类2
第二章煤炭气化原理4
2.1煤炭的气化方法4
2.1.1地面气化4
2.1.2地下气化5
2.2煤的气化原理5
第三章影响煤气化的因素7
3.1煤种对气化的影响8
3.1.1对煤气组成和发热值的影响8
3.1.2对煤气产率和焦油的影响8
3.2煤质对气化的影响8
3.2.1水分对气化的影响8
3.2.2粒度对气化的影响8
第四章煤气化工艺9
4.1煤气化工艺简介9
4.2Texaco煤气化工艺9
4.3Shell煤气化工艺10
4.4GSP煤气化工艺11
第五章总结13
参考文献14
致谢15
煤炭气化工艺
摘要
随着原油价格的不断上涨，开发利用新能源，缓解能源危机越来越受到人们的关注。
而我国原油储量少，煤资源较为丰富。
结合我国的能源利用实际，发展煤化工，解决一次能源短缺矛盾问题，对我国的经济持续发展具有重要意义。
将煤炭气化，利用合成气生产清洁、高效的二次燃料和化工原料，实现资源可持续发展，具有积极作用。
本文综述了煤气化的利用领域、气化原理及其国内外先进的Texaco气化工艺、Shell煤气化工艺和GSP煤气化工艺，并展望了未来煤化工的发展趋势。
关键词：
煤炭气化原理，分类，气化工艺
Coalgasificationprocess
Abstract
Withcrudeoilpricescontinuetorise,developmentandutilizationofnewenergy,alleviatetheenergycrisismoreandmorepeople'sattention.China'scrudeoilreserves,whilethelessabundantcoalresources.CombinedwithChina'sactualuseofenergy,thedevelopmentofcoalchemicalindustry,tosolveaproblemofenergyshortagecontradictiontoChina'ssustainedeconomicdevelopmentisofgreatsignificance.Thecoalgasification,synthesisgasproductionanduseofcleanandefficientsecondaryfuelsandchemicalrawmaterials,toachievesustainabledevelopmentofresources,hasapositiveeffect.ThispaperreviewstheuseofcoalgasificationfieldtheoryandadvancedgasificationTexacogasificationprocess,ShellcoalgasificationprocessandGSPcoalgasificationprocess,andlookstothefuturetrendofdevelopmentofcoalchemicalindustry.
Keywords:
coalgasificationprinciple,classification,gasificationprocess
第1章前言
1.1发展煤化工的重要意义
我国是一个“富煤少油缺气”的国家，在世界已探明的能源储量中，我国的煤炭占世界的15%，石油占2.7%，天然气占0.9%，这种能源结构决定了我国是以煤为主要能源消费的国家。
随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,我国一次能源中石油、天然气的供需矛盾日益突出。
10年前中国进口石油占整体石油需求的比例才6%，现在已经提高到1/3，到2020年预期将有60%的石油都必须来自进口，预计未来十几年，中国天然气需求将呈高速增长，平均增速将达11%～13%,2010年需求缺口在20%左右,到2020年，天然气需求缺口在50%左右。
石油、天然气如此依赖进口势必影响我国经济的持续发展和国家的经济安全,由于石油资源的短缺和石油进口量的增加,以煤为原料发展化学工业,以及由煤制取燃料油工业必须作为重要的课题对待。
因此21世纪的煤炭利用必将以洁净煤技术为先导,充分利用化学这一物质相互交换的手段来建立起既环境友好又综合发展、高效益的新一代煤炭、能源、化工为一体的综合型企业。
（1）发展石油替代品,把煤炭转化为高效、洁净的新型能源；
（2）发展化工产品,推动经济发展；（3）发展煤炭焦化产业,生产高附加值化工产品；（4）开发煤层气,变害为利,实现可持续发展[1]。
1.2煤炭气化技术利用领域
1.2.1化工合成原料气
随着原料气合成化工和碳一化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学产品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要产品有合成氨、尿素、F—T合成燃料、甲醇、二甲醚等。
化工合成气主要对煤气中的C0等成分有要求。
目前国内生产化工合成原料气所采用的煤气化技术。
以国产的常压固定床水煤气发生炉为主，同时引进了部分先进的气化炉，如Lurgi加压固定床气化炉、Texaco加压气流床气化炉、Shell加压气流床气化炉等。
中国合成氮产量的60％以上、甲醇产量的50％以上来自煤炭气化合成工艺。
1.2.2工业燃气
工业燃气。
采用常压固定床气化炉和流化床气化炉。
均可制得热值为4.59～5．64MJ/mol（1lO0～1350kcal/m。
）的煤气，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。
目前．用于生产工业燃料气的煤气化技术主要常压固定床混合煤气发生炉。
全国约有4000台常压固定床气化炉在运行。
1.2.3民用煤气
一般热值在12.54～14.63MJm（3000～3500kcal/m），要求C0小于10％,除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为使用。
与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活。
具有良好的社会效益与环境效益。
出于安全、环抱及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的
、
及其他烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；要求有毒成分C0的含量应尽量低。
1.2.4煤炭气化制氢
氢气广泛用于电子、治金、玻璃生产、化工合成、航空航天及氢能电池等领域。
用氢气作为燃料，热值高，燃烧后的产物是水，污染物排放是零。
从长远来看，氯气是很好的能源载体，可作为分布式热、电、冷联供的燃料，实现污染物和温室气体的近零排放。
目前世界上96％的氢气来源于化石燃料转化。
煤炭气化制氢起着很重要的作用。
煤炭气化制氢一般是将煤炭转化成CO和
，以后通过变换反应将CO转换成H2，将寓氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，可获得氢气。
1.2.5冶金还原气
煤气中的C0和
具有很强的还原作用。
在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海绵铁；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。
冶金还原气对煤气中的C0含量要求，在中国冶金和有色金属行业得到大量应用[2]。
1.3煤气化的分类
1、固定床气化。
在气化过程中，煤由气化炉顶部加入。
气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢。
因此称之为固定床气化，也称为移动床气化。
2、流化床气化。
它是以粒度为0～10nm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中。
煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率[3]。
3、气流床气化又称喷流床气化。
它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100nm以下的煤粉带入气化炉内。
也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。
煤料在较高温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应。
4、熔浴床气化。
它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。
目前此气化工艺已不再发展[4]。
5、多喷嘴对置式水煤浆气化。
华东理工大学与山东兖矿鲁南化肥厂合作开发研究属于国家“863”计划的对置式四喷嘴气化技术已完成中试,且于2005年7月在兖矿国泰化工有限责任公司工业化示范装置得到成功运用,已运行近4年,各项技术经济指标达到了设计要求。
2008年1月该气化装置项目被国家评为“国家科技进步二等奖”,现已申报国家专利。
四喷嘴气化技术已在山东华鲁恒升、陕西榆林、兖矿鲁南化肥厂“双结构改造”项目以及陆续上马的新建项目中得到广泛的推广使用。
该技术先后向江苏索普、神华宁煤集团、宁波万华实施转让,累计对外转让7家,转让金额达13558万元。
该项技术在其他新建项目中亦得到进一步推广使用,这对于发展我国煤气化技术将起到积极的推动作用[5]。
第2章煤炭气化原理
2.1煤炭的气化方法
煤的气化是一个热化学过程，煤炭的气化技术是将煤炭转化为二次清洁能源和化工产品的技术。
是在高温、高压下进行的一系列复杂的物理和物理化学过程。
通过煤的气化可以大量利用煤中所含的有机物，是获得基本化工原料的重要途径。
2.1.1地面气化
将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得煤气的方法称为地面气化。
该法可利用煤炭气化发获得气化煤气，工艺成熟。
按给热方式可分为：
（1）
自热式。
煤在气化时不需要外界提供热，而是利用煤与氧反应放出的热来达到反应所需的温度。
即燃烧一部分燃料，将热量积累到燃料层里，再通入水蒸气反应制取煤气。
原理如下：
煤
空气
煤气
H2O（g）
灰
图2.1内热式煤的水蒸气氧化原理
（2）外热式。
是指利用外部给气化炉提供热量的过程。
原理如图2.2
煤
H2O（g）煤气
热
图2.2外热式煤的气化原理
2.1.2地下气化
煤炭地下气化是将为开采的煤有控地燃烧，通过对煤炭的热化学作用生产煤气的一种气化技术。
该技术把煤炭在地下气化直接转化为清洁能源和化工化工原料，提高了煤资源的利用率，减少了减少了开采过程中对环境的污染，实现了地下无人、无生产设备采煤，与传统工艺相比，具有显著的经济效益。
地下煤气化技术是在地下煤缝点火，通过钻孔向里面泵入空气或氧气和水蒸气，使煤层燃烧几年。
燃烧所产生的高温和压力使煤氧化，分解成二氧化碳和可燃烧的气体，主要是甲烷和氢气的混合物。
这些混合气体可以在地层表面收集起来放进天然气涡轮机燃烧发电。
煤的气化技术早已出现，现在采用的方法是把煤放在高压容器里加热，使它变成像天然气那样的气体。
如果在地下进行这种气化，工程师们认为成本可以降低一半。
他们不需要挖掘煤矿或雇用煤矿工人来采煤，也不需要建造昂贵的设备来进行气化，地下岩层本身就是进行气化的容器。
研究这一技术的澳大利亚人莱恩·沃克说，地下煤气化技术可以把煤成本低的特性和天然气利用率高的特性结合在一起。
沃克说，这项技术还有其它的好处：
不污染环境，燃烧产生的灰和煤渣留在了地下。
而且由于混合气体都得经过一根管子出来，所以像二氧化碳这样不需要的成分可以用很低的代价分离出来，并且也许还可以注回到地下燃烧后留下的洞穴中。
这种说法是令人怀疑的，因为从来没人实际做过。
当然，这一方法还存在一些技术上的困难。
使煤保持燃烧可能不像说起来那么容易。
如果不很好地控制地下的情况和在煤缝上钻的许多洞，地火就可能会窜出来。
或者冒出地面的混合气体的数量和质量都可能会有很大差别。
关键是要尽量多产生甲烷并尽量少产生不需要的气体—诸如氮、硫和碳的氧化物。
如果能做到这一点，那么，工程师们认为，一旦天然气开采完了，地下煤气化技术就可以大显身手了。
2.2煤的气化原理
煤的气化是指利用煤与气化剂进行多相反应，产生碳的氧化物、氢、甲烷等可燃性气体的过程。
煤炭气化一般包括干燥、热解、气化和燃烧四个阶段。
干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。
其他属于化学变化，燃烧也可以认为是气化的一部分。
煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥眭物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。
煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以
、
及
、
、
等为主要成分的气态产物，即粗煤气。
气化反应包括很多的化学反应，主要是
、
、
、
、
相互间的反应，其中
与
的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量[6]。
主要反应如下：
一次反应：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
二次反应：
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
根据上述反应，煤的气化可表示为：
加热、加压、气化剂
煤
煤炭中含有硫杂质，在反应中，还存在硫的各种转化：
第3章影响煤气化的因素
煤的气化过程是一个热化学过程，且煤本身是一种复杂的混合物，影响其气化的因素有很多，主要包括煤本身的性质、煤中的矿物质、压力和温度、燃料的接触方式、工艺条件等。
在选择煤气化工艺时，首先考虑气化所用原料煤的性质，不同的气化工艺对原料煤的要求也有所不同，根据所用原料煤的性质选用合适的气化工艺若原料煤的性质不适合所选择的气化工艺，则将导致气化炉生产指标的下降。
气化用煤的性质主要包括反应活性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及煤的水分、灰分和硫分等。
煤的反应活性是指在一定的条件下煤与不同气化介质（如
、
、
及
等）相互作用的反应能力。
煤的反应活性又称反应性，它和煤的气化与燃烧密切相关．反应性强的煤在气化和燃烧过程中反应速率快、效率高，反应性的强弱直接影响煤气化的有关技术指标。
煤中矿物质在气化和燃烧过程中，由于灰分的软化熔融而转变成炉渣的能力称为煤的结渣性。
对于固定床气化炉，大块的炉渣将会破坏床内均匀的透气性，严重时炉箅不能顺利排渣；此外，由于炉渣会包裹未气化完全的原料煤．使气化炉排出的渣含碳量高。
对于流化床来说，即使少量的结渣．也会破坏炉内正常的流化状况，但对于气流床气化煤灰熔融性温度高于气化温度会造成排渣困难．影响气化炉正常运行。
煤的热稳定性是指煤在高温燃烧和气化过程中对热的稳定程度，即在高温作用下保持原来粒度的性质。
热稳定性好的煤，在气化过程中能以原来的粒度烧尽或气化完全而不碎成小块，而热稳定性差的煤遇热后则迅速碎裂成小块或粉末。
煤的机械强度关系到煤的输送和气化时能否保持其应有的粒度组成．以保证气化过程均匀的进行．减少带出物量。
煤料的水分、灰分和硫分控制，控制原料煤的水分和灰分主要是为了维持正常气化过程．以获得较好的气化效率。
工艺条件也是影响煤气化过程的重要因素．包括气化温度、压力、升温速率、制焦温度等。
温度是影响煤气化反应性的最重要因素之一，利用等温热重法的研究表明，煤焦的碳转化率随反应时间增加而增大，随气化温度的提高，煤焦转化率增加．气化速率增大。
压力也是气化过程中的重要影响因素。
从热力学平衡上分析，增加压力有利于甲烷化反应．但不利于体积增大的气化反应升温速率对煤焦气化反应有明显的影响．升温速率越大．煤焦在相同的温度下停留时间越短．来不及反应就进人更高温度．所以相同反应温度时，煤焦气化转化率越低[7]。
下面主要讨论煤种和煤质对煤气化的影响：
3.1煤种对气化的影响
气化用煤的种类对煤的气化过程有很大的影响，不仅影响气化产品的产率和质量，还影响对气化设备的选择。
选择煤种时应综合考虑，合理利用资源。
根据气化用煤的主要特征，将气化用煤分为四类:
第一类，气化时不黏结也不产生焦油，有无烟煤、焦炭、半焦和贫煤。
第二类，气化时黏结且产生焦油，有弱黏结或不黏结的烟煤。
第三类，气化时不黏结但产生焦油，有褐煤。
第四类，气化时不黏结，能产生大量的甲烷气体，主要有泥炭。
3.1.1对煤气组成和发热值的影响
在相同的操作条件下，不同煤中所产生的煤气的组成和发热值是不同的。
如以褐煤为原料时，产生的甲烷气体多，发热值也较高。
随着煤的变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低。
所以，煤的发热值由低到高的顺序是无烟煤、气煤和褐煤。
3.1.2对煤气产率和焦油的影响
一般来说，煤中的挥发分越高，转变为煤焦油的有机物就越多，煤气的产率下降。
变质程度较深的气煤和长焰煤比变质程度浅的褐煤焦油产率大。
而变质程度更深的烟煤和无烟煤的焦油产率更低。
3.2煤质对气化的影响
3.2.1水分对气化的影响
煤炭中的水有三方式，即外在水、内在水和结晶水。
常压气化时，如果气化用煤的含水量较大，会降低气化段的温度，使甲烷的生成和水蒸气的还原速率降低，降低煤气化的产率。
加压气化时，适量的水对气化时有利的，水分高的煤，挥发分较高，在干馏阶段，半焦形成时气孔率大，进入气化时，气体进入固体，气化速率快，煤气质量好。
3.2.2粒度对气化的影响
煤的粒度影响气化时的传热速度，粒度越大，传热速度越慢。
此外，如果在气化时煤的粒度较小会被蒸汽带出炉外，气化效率降低。
第四章煤气化工艺
4.1煤气化工艺简介
煤气化工艺以煤炭（块煤、焦炭或粉煤）为原料，采用空气、氧气、二氧化碳和水蒸气为气化剂，在气化炉内高温环境下进行热化学反应。
其主要气化反应是煤与气体介质之间的反应，即气、固两相之间的非均相反应，同时也有气体反应物之间的均相反。
这些反应进行的程度决定于气化炉的操作条件，即温度、压力、气化剂与煤炭的接触时间及煤炭的化学反应活性、表面情况等。
其产品可作为燃料气、原料气或合成气，与气化炉炉型有关。
气化炉的分类按煤与气化剂的相对流动方式可分为逆流、并逆流和并流，与其相对应的则是固定床、流化床和气床气化炉。
4.2Texaco煤气化工艺
Texaco煤气化工艺以水煤浆为原料，纯氧为气化剂，液态排渣，其加压气化过程属于气流床并流反应过程。
Texaco气化炉炉体为直立圆筒型钢制耐压容器，炉膛内衬
高质量耐火砖，防止炽热炉渣和粗煤气热侵蚀［8］。
Texaco水煤浆气化过程主要包括磨煤、煤浆的制备和输送、气化和废热回收、灰水处理和公用工程等工序。
原料煤块经碎煤机粉碎成直径小于10nm的碎煤，碎煤经计量后与一定量的水混合并进入磨煤机磨成细颗粒，将煤粉加水制成浓度约为65%～70%的水煤浆（若原料煤灰熔点高，需在进磨煤机前加一定比例的助溶剂、添加剂等）。
通过滚筒筛滤去大颗粒后，流入磨机出口槽，最后经磨机出口槽泵和振动筛送进煤浆储槽中。
煤浆储槽中的煤浆由高压煤浆给料泵输送至气化炉喷嘴，与空分装置来的
一起喷入气化炉。
水煤浆经烧嘴在高速O2流的作用下破碎、雾化喷入气化炉膛。
和水煤浆在1350℃～1400℃高温的炉膛内，迅速预热、水分蒸发、煤干馏、挥发物裂解燃烧以及C的气化等一系列复杂的物理、化学过程。
生成
，
，
和水蒸气为主的粗煤气，经气化炉底部的激冷室激冷后，气体和固渣分开。
粗煤气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔，冷却除尘后，进入
变换工序。
气化炉出口灰水经灰水处理工段四级闪蒸处理后，部分灰水返回碳洗塔作洗涤水，经泵进入气化炉，部分灰水送至废水处理。
熔渣被激冷固化后进入破渣机[9]。
工艺流程如下：
图4.1Texaco煤气化工艺流程
4.3Shell煤气化工艺
Shell煤气化工艺是一种使用干燥煤吹氧气流床气化工艺。
此工艺可将任何种类的煤或石油焦转化为干净（主要含有一氧化碳和氢气）的中热值合成气。
在SCGP中,使用高压氮气或循环的合成气将干燥的粉煤,气力输送沿气化炉径向相对的燃烧喷咀喷入气化炉,在此,煤与氧在大于1371℃的温度下反应。
保持气化的温度以保证煤中的矿物质熔融以及均匀地顺气化炉壁流下,而后通过排渣口排出。
根据煤质采用优化气化条件,以得到最高的煤转气效率,同时使不希望生成的副产品降至最少。
从气化炉出来热的合成气被淬冷至炉渣软化点以下,随后在合成气冷却器中进一步冷却。
使用陶瓷管过滤器,使合成气的飞灰含量降至
以下。
下游的合成处理包括低位热能回收和传统的冷煤气净化,以使逸出的痕量金属降室最少,以及除去氯化物、硫及氮的化合物。
实际上所有的氮最终被转化为氮分子,所有的硫被回收为可出售的元素硫。
灰渣及飞灰被回收为可出售的副产品[10]。
流程如下：
图4.2Shell煤气化工艺流程
4.4GSP煤气化工艺
在干燥器中经过干燥的粉煤接着在球睹机中磨碎到小于0．2mm粒级含量达80％以上的煤粉，并同除尘器中的煤灰一起，经煤仓系统加到气化炉中，在气化炉中，粉煤在2000?
条件下与氧气、蒸汽气化反应，产生的粗煤气和形成的液渣并流向下离开反应器。
急冷器中，煤气与水形成强的涡流，被水急冷至200度左右，接着进行粗煤气的变换、冷却、冷凝和脱硫。
最后将合成气送入后续工序。
气化燃烧室里+产生的高压蒸汽可用作动力。
反应所需的工艺蒸汽由气化系统内的废热锅炉提供[11]。
流程如下：
图4.3GSP工艺流程
第五章总结
我国石油、天然气资源较为贫乏，而煤炭资源相对丰富,蕴藏量居世界第三位，决定了我国的能源结构是以煤为主；但煤炭的利用以直接燃烧为主，不仅浪费煤炭资源，而且造成对大气的污染，因此充分利用煤炭资源，发展煤化工成为科学家和企业家的焦点。
煤炭的综合利用和深加工，不仅提高了煤炭的经济效益，同时减少了污染。
煤化工主要包括煤的低温干馏、高温干馏（炼焦）、煤的气化、煤的直接液化和间接液化等。
近年来,中国在煤化工产业获得了较快发展，取得了可喜可贺的成绩。
现今，我国煤化工产业逐渐升温，形成了煤化工企业发展的热潮，这对于我国实现使用其他资源代替石油资源战略及其工业的产业格局调整具有重要的意义与价值。
当前，我国煤气化稳步发展，国内应抓住煤化工发展的机遇，提高企业的自主创新能力，借鉴国外先进技术，重点应放在设备制造，煤种选择，环境友好，实现零排放等方面。
我国目前煤制天然气、煤制烯烃及煤炭液化等示范工程取得了阶段性成果，今后的重点在工业化，CO2排放，水资源利用等方面。
在我国政策支持和统筹规划下，煤炭化工产业应该朝向大型化、现代化、一体化方向发展，相信煤化工将有更广阔的前景。
结合我国实际，各地应注意从自身的实际情况出发,因地制宜,因煤制宜,科学而合理地选择煤气化技术路线。
此外,发展煤气化新技术应坚持引进吸收与自主开发相结合,在引进国外先进煤气化技术的同时,加强关键技术与设
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