煤化工工艺学教案.docx

1、煤化工工艺学教案煤化工工艺学教案 煤化工工艺学教案 中文名称：煤化工工艺学 英文名称：Chemical Technology of coal 授课专业：化学工艺 学时：32 一、课程的性质和目的：煤化工工艺学是煤化工专业学生的专业课，是为了适应现代化工行业的发展需要，培养具有化工设计基本思想和产品开发能力的专门人才，为毕业生尽快适应就业后工作要求、今后进一步的学习而设立的。可供从事煤化工利用专业设计、生产、科研的技术人员及有关专业师生参考。通过对煤低温干馏、炼焦、炼焦化学产品回收和精制、煤的气化、煤的间接液化、煤的直接液化、煤的碳素制品和煤化工生产的污染和防治等的生产原理、生产方法、工艺计算、

2、操作条件及主要设备等的介绍，使学生具备煤化工工艺学的坚实基础，对煤化学工业的原料选择、工艺路线的选择、典型单元操作及化工工艺的实现等有深刻的理解，具备对工艺过程进行分析、改进、开发新产品等能力，以掌握煤化工工艺的开发思想和思路为重点，增强其独立思考的能力、分析问题、解决问题的能力，为学生就业和进一步的发展奠定良好基础。二、课程的教学内容、各章内容及相应学时数 本课程由下列 7 章组成：1 章 绪论 1 学时 2 章 煤的低温干馏 5 学时 3 章 炼焦 8 学时 4 章 炼焦化学产品的回收及精制 6学时 5 章 煤的气化 6 学时 6 章 煤间接液化 4 学时 7 章 煤直接液化 2 学时 根

3、据本课程的特点，组成为下列内容：1 绪论 11 煤炭资源 12 煤化工发展简史 13 煤化工的范畴 14 本书简介 了解煤化工工业发展历史、煤化工工业在国民经济中的地位，煤化工发展趋势。掌握化学加工工业的基本概况、特点，掌握石油、煤、天然气等能源概况。重点：煤化工的范畴。引言：煤化学工业是以煤为原料经过化学加工实现煤综合利用的工业，简称煤化工。煤化工包括炼焦化学工业、煤气工业、煤制人造石油工业、煤制化学品工业以及其他煤加工制品工业等。、煤化工行业发展现状：1.煤炭逐步由燃料为主向燃料和原料并举过渡;2.近些年来，基于煤炭气化的新型煤化工得到了快速发展;3.十一五期间，在煤炭液化、煤制烯烃、煤制

4、乙二醇、煤制天然气等方面的示范工程取得了阶段性成果。煤化工发展趋势。1.产业结构调整及升级：从长远看，钢铁行业受出口疲软、房地产下行影响，库存增加，利润和开工率下降，焦炭和兰炭行业的需求和利润空间受到影响;合成氨尿素、甲醇等产业产能过剩，因此，传统煤化工行业面临落后产能淘汰、技术升级换代。2.环境保护要求煤化工走清洁生产：更加严格的排放标准;落后技术的淘汰如常压固定床气化技术;水资源消耗的减量化：空冷技术、中水回用;粉尘治理、有机废水处理和脱硫脱硝技术的应用。3.能源效率提高：煤炭分级利用：焦油-固体燃料-化工产品;煤炭多联产：电力、热力、化工产品;工程设计的进一步优化;节能技术的应用。4.煤

5、化工对石油化工替代性增强：煤气化的平台技术继续多样化及成熟化;煤化工产品技术多样化如芳烃、乙醇等;已有技术的继续进步：煤焦油的分离、加氢;乙二醇技术成熟;煤制烯烃、煤制油、煤制天然气等产业快速发展。11 煤炭资源 煤是地球上能得到的最丰富的化石燃料。按探明储量世界煤炭资源的储量、密度，北半球高于南半球，特别是高度集中在亚洲、北美洲和欧洲的中纬度地带，合占世界煤炭资源的 96%，按硬煤经济可采储量计，以中国(占 11%)、美国(占 23.1%)和俄罗斯最为丰富，次为印度、南非、澳大利亚、波兰、乌克兰、德国等 9国共占 90%。中国 1991年末煤炭探明储量为 9667亿吨，其中山西、内蒙古和陕西

6、分别占 27%、21%和 16%。12 煤化工发展简史 18 世纪末，煤用于生产民用煤气。1792 年，苏格兰人 W.默多克用铁甑干馏烟煤，并将所得煤气用于家庭照明。1812年，这种干馏煤气首先用于伦敦街道照明，随后世界一些主要城市也相继采用。1816 年，美国巴尔的摩市建立了煤干馏工厂生产煤气。从此，铁甑干馏煤的工业就逐步得到发展。第一次世界大战期间，钢铁工业高速发展，同时作为火炸药原料的氨、苯及甲苯也很急需，这促使炼焦工业进一步发展，并形成炼焦副产化学品的回收和利用工业。1925年，中国在石家庄建成了第一座焦化厂，满足了汉冶萍炼铁厂对焦炭的需要。19201930年间，煤低温干馏的研究得到重

7、视并较快发展，所得半焦可作民用无烟燃料，低温干馏焦油则进一步加工成液体燃料。1934 年，在中国上海建成拥有直立式干馏炉和增热水煤气炉的煤气厂，生产城市煤气。第二次世界大战后，由于大量廉价石油和天然气的开采，除炼焦工业随钢铁工业的发展而不断发展外，工业上大规模由煤制取液体燃料的生产暂时中止，不少工业化国家用天然气代替了民用煤气。以石油和天然气为原料的石油化工飞速发展，致使以煤为基础的乙炔化学工业的地位大大降低。1973年中东战争以及随之而来的石油大幅度涨价，使由煤生产液体燃料及化学品的方法又重新受到重视。欧美等国对此又进行了开发研究工作，并取得了进展。如在煤直接液化的方法中发展了氢煤法、供氢溶

8、剂法(EDS)和溶剂精炼煤法(SRC)等；在煤间接液化法中发展了 SASOL法，将煤气化制得合成气,再经合成制取发动机燃料；亦可将合成甲醇再转化生产优质汽油，或直接作为燃料甲醇使用。由于石油的消耗量大，而煤的资源极为丰富，煤化工将得到进一步的发展。基于中国油气匮乏、煤炭资源相对丰富，中国煤化学工业将有所发展。特别是新型煤化工，依靠技术革新，可实现石油和天然气资源的补充及部分替代。2009年，煤制油、煤制烯烃、煤制天然气和煤制乙二醇等被国家发改委确定为重点示范发展方向。发电、工业锅炉和民用煤占全部煤炭开采量的 80%左右，多为直接燃烧，大多利用率较低、污染严重。为了有效、经济和合理地利用煤，中国

9、需要发展煤转化技术，实现煤的综合利用。13 煤化工的范畴 从煤加工过程区分，煤化工包括煤的干馏（含炼焦和低温干馏）、气化、液化、和合成化学品等，如图，图 煤化工分类及产品示意图 煤的气化是指煤在氧气不足的条件下进行部分氧化形成 H2、CO 等气体的过程。煤的液化是指将煤及 H2在催化剂作用下转化为液体燃料（直接）或利用煤产生的 H2 和 CO通过化学合成产生液体燃料或其他液体化工产品（间接）的过程。煤低温干馏，煤干馏方法之一，指采用较低的加热终温(500600)，使煤在隔绝空气条件下，受热分解生成半焦、低温煤焦油(见煤焦油)、煤气和热解水过程。14 本书简介 2 煤的低温干馏 21 概述 22

10、 低温干馏产品 23 干馏产品的影响因素 24 低温干馏主要炉型 25 立式炉生产城市煤气 26 固体热载体干馏工艺 理解煤的热解基本规律和特点。掌握低温干馏产品的种类，低温干馏主要炉型，影响干馏产品的因素，固体热载体干馏工艺。重点：低温干馏主要炉型，影响干馏产品的因素，固体热载体干馏工艺流程 难点：固体热载体干馏工艺流程 21 概述 煤在隔绝空气条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程，称为煤干馏(或称炼焦、焦化)。按加热终温分：低温干馏：500600 中温干馏：700900 高温干馏：9001100 特点：常压，不用加氢，不用氧气；工艺过程简单，加工条件温和；投资少，生产成本低。原

11、料：低阶煤 22 低温干馏产品 煤低温干馏产物的产率和组成取决于原料煤性质、干馏炉结构和加热条件。焦油产率为 625%；半焦产率为 5070；煤气产率为 80200m3t(原料干煤)。2.2.1 半焦 低温干馏半焦的空隙率为 30%50%，反应性和比电阻都比高温焦炭高得多。原料煤的煤化程度越低，半焦的反应能力和比电阻越高。半焦的机械强度一般不高，低于高温焦炭。半焦块度及原料煤的块度、强度和热稳定性有关，也及干馏炉的结构、加热速度以及温度梯度有关。半焦和焦炭性质 半焦用途：民用和动力燃料 铁合金生产炭料（高比电阻 0.3520m，块度 36mm）生产冶金型焦 高炉炼铁的喷吹料 粉矿烧结 2.2.

12、2 煤焦油 性质：黑褐色液体、密度 0.951.1g/cm3、酚类 35%、有机碱 12%、烷烃210%、烯烃 35%、环烷烃 10%、中性含氧化合物 2025%、中性含氮化合物23%、沥青 10%低温焦油比高温焦油轻，低温焦油中含有较多脂肪烃和环烷烃以及多烷基酚、二元酚和三元酚等化合物，故平均相对分子质量较低。用途：生产发动机燃料、酚类、烷烃及芳烃，由低温焦油提取的酚可以用于生产塑料、合成纤维、医药等产品。泥炭和褐煤焦油中含有大量的蜡类，是生产表面活性剂和洗涤剂的原料。低温焦油适于深度加工，经催化加氢可获得发动机燃料和其他产品。2.2.3 煤气 密度：0.91.2g/cm3 组成：甲烷、其他

13、烃类 用途：本企业加热燃料和其他用途、民用煤气、化学合成原料 23 干馏产品的影响因素 低温干馏产品的产率和性质及原料煤性质、加热条件、加热速度、加热终温以及压力有关。干馏炉的形式、加热方法和挥发物在高温区的停留时间对产品的产率和性质也有重要影响。煤加热温度场的均匀性以及气态产物二次热解深度对其也有影响。通过实验获得不同种类褐煤低温干馏的焦油产率差别较大，烟煤低温焦油产率及结构有关，由气煤到瘦煤，随着变质程度增高焦油产率下降，腐植煤的低温干馏焦油产率一般较高。原料煤对低温干馏焦油的组成影响显著，因原料煤的性质不同，所产的低温焦油组成有较大差异。低温干馏的温度为 600，所得焦油是煤的一次热解产

14、物，称一次焦油。烟煤一次焦油的组成及泥炭和褐煤焦油的相同，但含量有明显差别。烟煤一次焦油内中性含氧化合物比褐煤焦油少。随着煤的变质程度增高，含氧量降低，焦油中酚类含量明显减少。煤气中氨和硫化氢含量及原料煤中氮和硫的含量及其形态有关。2.3.2 加热终温 煤干馏终温是产品产率和组成的重要影响因素，也是区别干馏类型的标志。随着温度升高，活化能大的热解反应发生有可能进行，生成多环芳烃产物，具有热稳定性。煤化程度高的煤，煤开始热解温度也高，其中东北泥煤 160，褐煤 200290，长焰煤 320，气煤 320，肥煤 350，焦煤 360 焦油形成约于 550结束，故 510-600为低温干馏的适宜温度

15、。温度，焦油产率，酚类，烃类，中性含氧化合物，沥青烯，煤气产率，H2，半焦和焦油产率 块度，焦油产率，煤气产率 2.3.3 加热速度 速度，半焦产率，焦油产率，热解水产率，煤气产率 2.3.4 压力 压力，半焦产率，焦油产率，煤气产率 24 低温干馏主要炉型 特点：受热：均匀，过程：易控，原料：类宽，粒径范围大，挥发物：二次热解作用小 供热方式：外热式，内热式 低温干馏煤料受热方式 内热式低温干馏及外热式相比，有下述优点。2.4.1 沸腾床干馏炉 原料：粉煤，06mm 设备：沸腾炉 内热式；热载体：煤气燃烧所得烟气 流程：粉煤沸腾床干馏法 产物：煤气，中油，焦油，焦粉 2.4.2 气流式内热炉

16、 原料：块煤或型煤，2080mm，非黏结性煤 设备：鲁奇三段炉（干燥、干馏、焦炭冷却）内热式；热载体：煤气燃烧所得烟气 流程：气流内热式干馏流程 产物：煤气，焦油，焦炭 2.4.3 立式炉 原料：块煤，75mm，一定的黏结性 设备：外热式立式炉 外热式；热源：发生炉煤气，回炉煤气 产物：煤气，焦油，焦炭 25 立式炉生产城市煤气 特点：立式炉生产的煤气热值高 原料：大同、抚顺弱黏煤 设备：考伯斯立式炉 外热式；热源：发生炉煤气，回炉煤气 JLW、JLK、JLH-D型立式炉 流程：立式炉生产城市煤气流程 产物：干馏煤气，焦油，焦炭 26 固体热载体干馏工艺 特点：加热速度快 载体及干馏气态产物分

17、离易 生产能力大 焦油产率高 煤气热值高 适合粉煤干馏 2.6.1 托斯考工艺 原料：非黏结性、弱黏结煤，直接使用黏结性煤，氧化破黏后使用12.7mm 流程：非黏结性煤 Toscoal 工艺，430540 产物：煤气，焦油，半焦p=（1-d0/d）*100%2.化学成分 灰分（主要成分是 SiO2 和 Al2O3）不利，灰分越低越好 硫分 不利（硫易使生铁主键脆裂）硫是生铁冶炼的有害杂质之一，它使生铁质量降低。在炼钢生铁中硫含量大于 0.07%即为废品。挥发分 鉴别焦炭成熟度的重要指标。水分（一般为 2%-6%）水分要稳定，否则引起炉温波动。碱性成分（K2O、Na2O）由于其催化和腐蚀作用，能

18、严重降低焦炭强度。机械强度 影响粗煤气组成和产率的因素：不同焦化厂焦炉生产的粗煤气组分没什么差别。焦油中化合物的含量及热解温度有关：低温干馏焦油中含有带长侧链的环烷烃和芳烃；高温干馏焦油中主要为多环芳烃和杂环化合物的混合物。煤的低温热解产品组分主要决定于原料煤性质。羧酸含量：泥炭和褐煤的低温焦油中羧酸含量可达 2.5%；烟煤的低温焦油中几乎不含有羧酸。含氧化合物：褐煤的一次焦油中含 4045%，烟煤则比较少。我国每年炼焦用煤量约 3 108吨，每年应产：煤气量约为 800 108m3 焦油量 900 104 吨（含中温焦油、低温焦油）粗苯量为 170 104 吨 氨量为 50 104吨 较小的

19、焦化厂化产回收不完全，实际年产量小于上述。来源于焦化工业的萘、蒽、吡啶、喹啉、粗苯、多环芳烃等都是重要的化产回收产品。高温焦油含有沥青 50%左右，用于生产沥青焦、电极碳等；低温干馏气体汽油中含有 4060%的不饱和化合物，加工前需要稳定化处理。4 炼焦化学产品的回收及精制 41 炼焦化学产品 42 粗煤气分离 43 氨和吡啶的回收 44 粗苯回收 45 粗苯精制 了解：粗煤气分离的方法以及相关设备，氨和吡啶的回收和粗苯回收的方法以及相关设备，粗苯精制的方法以及相关设备。掌握：，氨和吡啶的回收和粗苯回收的原理和流程、粗苯精制的原理和流程。重点：氨和吡啶的回收和粗苯回收的流程、粗苯精制的流程。难

20、点：氨和吡啶的回收和粗苯回收的流程、粗苯精制的流程。(1)不饱和化合物的聚合反应 不饱和化合物在浓硫酸的作用下很容易发生聚合作用，生成各种复杂的聚合物。聚合反应的第一阶段是生成酸式酯。聚合反应的第二阶段是酸式酯同不饱和化合物反应生成二聚物。(2)脱硫反应 混合馏分中 CS2 及 H2SO4不起反应，其他硫化物的含量又极少，所以酸洗主要是清除噻吩及其同系物。(3)噻吩及不饱和化合物生成共聚物 噻吩及其同系物及不饱和化合物、特别是及高沸点的不饱和化合物的聚合，在少量硫酸的催化作用下，进行得极为迅速而完全。4.5.4.1 化学反应(4)副反应 苯及其同系物也会发生磺化反应。在浓硫酸的催化作用下，苯族

21、烃及不饱和化合物发生共聚反应 4.5.4.2 硫酸含量 酸洗用 H2SO4含量为 93%95%含量低：达不到洗涤效果；含量高：生成中性酯量增加，不饱和化合物聚合程度加深，磺化反应加剧。在实际生产中，应根据轻苯的组成后来确定硫酸的浓度。酸洗温度不超过 4050 温度过高，苯族烃的磺化反应和不饱和化合物的共聚反应加剧；苯族烃的损失增多。酸洗反应时间以 10min 为宜 延长时间可改善洗涤效果，但过长会加剧磺化反应。4.5.6 初馏分加工 初馏分的组成、性质和加工方法 初馏分的组成很复杂，依轻苯原料的组成、初馏塔的操作、贮存时间、气温条件等而定，一般波动范围很大。热聚合法 聚合过程在室温下即开始发生

22、，当温度提高反应显著加快，温度超过 115时发生解聚反应，二聚物变为单体环戊二烯，同时还会形成三聚物和四聚物。聚合温度控制在 60 80，以防因温度过高引起突然解聚而发生爆沸。二聚环戊二烯的沸点为 168，当精馏热聚合后的初馏分时，二聚物呈釜底残液被分离出来。4.5.7 古马隆-茚树脂生产 古马隆茚树脂具有良好的化学稳定性、防水性、热塑性、绝缘性、耐磨性，坚固性和溶解性，能生产附着性很好的坚固薄膜。因此在油漆、橡胶、塑料、电机、造纸等工业中得到广泛应用。4 炼焦化学产品的回收及精制 41 炼焦化学产品 42 粗煤气分离 43 氨和吡啶的回收 44 粗苯回收 45 粗苯精制 了解：粗煤气分离的方

23、法以及相关设备，氨和吡啶的回收和粗苯回收的方法以及相关设备，粗苯精制的方法以及相关设备。掌握：，氨和吡啶的回收和粗苯回收的原理和流程、粗苯精制的原理和流程。重点：氨和吡啶的回收和粗苯回收的流程、粗苯精制的流程。难点：氨和吡啶的回收和粗苯回收的流程、粗苯精制的流程。5 煤的气化 51 煤气化的基本原理 52 气化炉的基本原理 53 固定(移动)床气化法 54 流化床气化法 55 气流床气化法 56 煤的气化联合循环发电 57 煤炭地下气化 58 煤的气化方法的评价及选择 59 煤气的净化 510 煤气的甲烷化 理解：煤气化的基本规律、计算理论和方法。掌握：煤气化的基本原理，实际生产工艺及设备。重

24、点：煤气化的基本原理、气化炉的基本原理、流化床气化法、固定(移动)床气化法、气流床气化法、煤气的净化。难点：煤气化的基本原理、气化炉的基本原理、流化床气化法、固定(移动)床气化法、煤气的净化。6 煤间接液化 61 费托合成 62 合成甲醇 63 甲醇转化成汽油 64 甲醇利用进展 65 煤制乙酐 66 合成气两段直接合成汽油 了解：费托合成反应器类型、合成甲醇反应器、甲醇利用进展 理解：费托合成原理、合成甲醇的工艺流程、甲醇转化成汽油的工艺流程、煤制乙酐、合成气两段直接合成汽油。掌握：合成甲醇原理和工艺流程、甲醇转化成汽油的工艺流程、费托合成原理 重点：合成甲醇的工艺流程、甲醇转化成汽油的工艺

25、流程、费托合成原理 难点：合成甲醇原理和工艺流程、甲醇转化成汽油的工艺流程、7 煤直接液化 71 煤直接液化的意义和发展概况 72 煤加氢液化原理 73 德国煤直接液化工艺的发展 74 美国煤加氢液化的中间试验 75 煤直接液化技术开发中的若干重要问题 76 煤直接液化新技术的开发 77 煤直接液化的发展前景 了解：煤直接液化的意义和发展概况、煤直接液化的发展前景 理解：煤加氢液化原理 掌握：德国煤直接液化工艺、美国煤加氢液化的中间试验、煤直接液化技术开发中的若干重要问题 重点：德国煤直接液化工艺、美国煤加氢液化的中间试验、煤直接液化技术开发中的若干重要问题 难点：德国煤直接液化工艺、美国煤加

26、氢液化的中间试验、煤直接液化技术开发中的若干重要问题 三、课程教学的基本要求 1、课堂教学 课堂教学强化对煤低温干馏、炼焦、炼焦化学产品回收和精制、煤的气化、煤的间接液化、煤的直接液化、煤的碳素制品和煤化工生产的污染和防治等的生产原理、生产方法、工艺计算、操作条件及主要设备等的讲授，重点和难点内容要讲解透彻，深入浅出使学生掌握煤化工工艺学的知识。2、教学手段 采用传统手段，可以结合幻灯片教学，逐步采用多媒体教学手段。3、考试方式 闭卷考试，平时成绩和作业占一定分量。四、建议教材和教学参考书 教材：煤化工工艺学，编者：郭树才，化学工业出版社。参考书：1煤化工基础，编者：李玉林、胡瑞生、白雅琴，化学工业出版社。2炼焦工艺，编者：王小琴，化学工业出版社。3煤化学，编者：朱银惠，化学工业出版社。4贺永德主编，现代煤化工技术手册，北京：化学工业出版社，2004 5拉左林，巴波科夫等，李哲浩译，焦化厂三废处理，北京：化学工业出版社，1984 6白添中，煤炭加工的污染及防治，太原：山西科学教育出版社，1989 五、其他（本课程和其他课程的关系）相关课程：煤化学 化工机械及设备 化工仪表 物理化学 化工原理 有机化学 无机化学 高等数学 六、课堂教学学时安排 理论教学学时分配表（共 56学时）章次 1 2 3 4 5 6 7 学时数 2 8 12 10 10 8 6