煤炭转化

（3）物料分层明显。
第二节 煤炭气化
煤气发生炉内燃料层由下至上大致可分为五层。
1）灰渣层：气化剂吸收灰渣的热量而升温预热。
2）氧化层：主要进行碳的燃烧反应：C+O2→CO2。 3）还原层：主要进行二氧化碳的还原反应和水蒸汽的分解反 应：CO2+C→2CO，C+H2O→H2+CO。 4）干馏干燥层：由还原层来的气体（包括N2）具有很高的温 度，在上升的过程中，将上部原料干馏，干馏析出的挥发分与 气化煤气仍有较高的温度，继续上升将原料煤干燥。 5）气相空间：料层上部的气相空间也有化学反应发生，主要 是CO的变换反应。CO和H2O(g)的含量在减少，CO2和H2的含 量增加，反应进行的程度影响粗煤气的组成和煤气出口温度。
第二节 煤炭气化
四、气流床气化
气流床气化就是将气化剂（氧气和水蒸汽）夹带着200目的 细煤粉，通过特殊喷嘴喷入炉膛内。在高温辐射作用下，氧煤 混合物瞬间着火、迅速燃烧，产生大量热量，火焰中心温度高 达2000℃。几乎同时煤粉立即气化，所有的干馏产物均迅速分 解，转化成含一氧化碳和氢的煤气及熔渣。特点是：
（2）燃烧反应后生成的CO是高炉冶炼过程的还原剂；
（3）高炉内焦炭还起到高温填料的作用。
第一节 煤炭焦化
二、 配煤炼焦的原理
（一）煤在焦炉炭化室内的结焦过程 （焦炉基本结构图）
因为焦炉炭化室的侧向供热，且炉料导热系数低，因此在 整个成焦过程的大部分时间内，炭化室内与炉墙垂直方向上炉 料的温度梯度较大，离炭化室墙面不同距离的各层炉料，所受 到的温度不同而处于热解过程的不同阶段，整个炭化室内炉料 的状态随时间而变化。靠近炉墙附近的煤先结成焦炭，而后焦 炭层逐渐向炭化室中心推移，这就是所谓的“成层结焦”。炭 化室中心面上的炉料温度始终最低，因此以结焦末期炭化室中 心面的温度(焦饼中心温度)作为焦饼成熟度的标志，称为炼焦 最终温度。
第一节 煤炭焦化
二、 配煤炼焦的原理
（三）配煤主要质量要求
（1） 配合煤的灰分和硫分 成焦过程中，煤料中的矿物质以灰分形式全部转入焦炭，而硫 分部分残留在焦炭中，另一部分转化为气态硫化物进入煤气，极少 量进入液体产物。 （2） 配合煤的粘结性指标
煤的粘结性决定了煤的结焦性，煤粘结性指标较多，我国过去 一直采用胶质层最大厚度Y作为粘结性指标，其合适的范围是：Y ＝17～22mm。1975年以后，北京煤化所提出了粘结指数G指标， 推荐采用该指标指导配煤，其合适范围是：G＝58～72 。
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术
4、煤预热炼焦
煤预热炼焦，是指炼焦煤料在炉外预热到200℃左右，然后 装入炭化室内的炼焦。 煤预热炼焦的优点是（1）煤预热炼焦可以增加黏结性较差 的气煤的用量，改善焦炭质量；（2）煤预热炼焦可以缩短结焦 时间，提高焦炉的生产能力，煤料预热到250℃装炉，可以使焦 炉的生产能力增加35%以上；（3）煤料中无水分蒸发吸热，炼 焦耗热量可以约降低10%；（4）煤料预热后不含水分，这样可 大大减少焦化厂剩余氨水量和外排废水处理量。
第一节 煤炭焦化
二、 配煤炼焦的原理 （四）配煤工艺 （1）先配后粉流程
将单种煤，先按配煤比例的要求配合，然后再进行粉碎。 该工艺流程简单、设备少、操作方便，粉碎过程兼作混匀操作， 在焦化厂得到广泛采用。 （2）分组粉碎(先粉后配)流程
该工艺是将单种煤先粉碎，然后按比例配合均匀。该流程可 按单种煤的性质和粉碎细度要求分别控制不同的粉碎程度，有助 于提高焦炭质量。
（1）用纯氧和水蒸汽作气化剂 ，可维持较高的反应温度，有 利于碳粒的完全气化；（2）选用反应活性高的煤种如褐煤等， 有利于气化反应的进行，此外，还应考虑煤灰熔点的影响，灰 溶点低的煤比较理想；（3）采用高压气化；（4）采用液态排 渣。
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术 5、型焦生产 型焦是利用非粘结性煤，通过不同的工艺成型后，再进 一步炭化制成型焦，用以代替普通冶金焦。正在研究开发的 型焦方法有许多种。 型焦成型工艺按成型时煤料状态可分为冷压成型和热压 成型。前者煤料在远低于塑性状态温度下成型，后者煤料在 塑性状态温度下成型。
第一节 煤炭焦化
第二节 煤炭气化
2、间歇式水煤气生产的工作循环
水煤气生产是间歇式的，每隔一定时间后，整个生产过程的 各个阶段必有一次重复，自上一次开始送空气至下一次开始送 空气称为一个工作循环。从理论上讲，一个工作循环由吹风阶 段和制气阶段所组成，但在实际生产过程中，为了节约原料、 保证安全和煤气质量，还必须包括一些辅助阶段。一般说来， 一个工作循环由六阶段组成。即Ⅰ-空气吹风阶段；Ⅱ-蒸汽吹 净阶段；Ⅲ-一次上吹制气阶段；Ⅳ-下吹制气阶段；Ⅴ-二次上 吹制气阶段；Ⅵ-空气吹净阶段。
第一节 煤炭焦化
二、 配煤炼焦的原理
（二）配煤的意义
配煤的目的在于使各种煤之间性质上取长补短，符合焦炉 的生产要求，生产出满足质量要求的优质焦炭，并副产炼焦化 学产品，实现煤炭资源的合理利用。 冶金焦的质量要求是：灰分低、硫分少、强度高、各向异 性程度大。这种要求在常规炼焦方法条件下，用单种煤炼焦是 很难实现的。此外，由于煤种的相对储量、分布和开采能力的 制约，不可能进行大规模的单种煤炼焦生产，特别是优质主焦 煤的资源受限，工业上必须采用配煤炼焦以确保焦炭质量和合 理利用煤炭资源。
口前激烈燃烧，释放出的热量为高炉冶炼过程提供热源。
燃烧反应后生成的CO是高炉冶炼过程的还原剂。
第一节 煤炭焦化
一、焦炭的主要用途——炼铁
燃烧和还原反应生成的高温煤气穿过料层上升，对下降 的炉料进行加热。炉料在下降过程中，矿石中铁的氧化物被 CO还原成金属铁，在炉腹下部的高温区内，铁矿石和熔剂 都将熔化、熔融，只有焦炭还以固态存在。焦炭的存在可为 炉内下部维持良好的透气性，因此在高炉内焦炭还起到高温 填料的作用。 这样，焦炭在高炉炼铁时的作用主要有三个： （1）为高炉冶炼过程提供热源；
第二节 煤炭气化
三、流化床气化
流化床气化又称沸腾床气化，气化剂（蒸汽和富氧空气或氧 气）由炉底进入炉内，使煤颗粒在炉内上下翻滚呈沸腾状态进 行气化反应。流化床气化 的特点。温克勒炉气化示意图。
（1）床层中煤粒均匀分布，并互相撞击，气化反应速度快； （2）床层温度均匀，使挥发分迅速分解，煤气中甲烷和酚类 含量很少，不含焦油，煤气净化简单，但煤气出口温度较高； （3）气化炉中一部分细小颗粒容易随气流带出，损失增大； （4）物料分布均匀，易造成排灰中的碳含量过大，燃料损失 大。
一、煤气化的定义
煤气化是指在气化炉内，煤在高温条件下与H2O、CO2等气 化剂反应，生成CO、H2等气态产物的过程。煤气化过程的基本 条件是：气化炉、气化原料和气化剂。气化炉是煤炭气化的核心 设备；气化剂为氧气（或空气）、水蒸气和二氧化碳等。煤气化 的主要化学反应有：
1）碳的氧化反应 ：C+O2 → CO2 2）二氧化碳还原反应: C+CO2 → 2CO 3）水蒸汽分解反应 :C+H2O → H2+CO 4）一氧化碳变换反应 : CO+H2O → H2+CO2 5）甲烷化反应 ： CO+3H2→ CH4+H2O 6) 碳的加氢反应: C+2H2→ CH4
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术
2、捣固炼焦
捣固炼焦是在炉外将煤粉捣实成饼后推入炭化室的侧装炉炼 焦工艺。捣固炼焦具有以下优点：
1）在使用同样的配煤比之下，捣固炼焦的焦炭质量比常规顶 装煤炼焦有所改善和提高；
2）扩大炼焦煤源，可以多配入高挥发分煤和弱粘结煤，生产 高炉用焦，也可掺入焦粉和石油焦粉生产优质高炉用焦和铸造用 焦，还可全部采用高挥发分煤生产气化焦； 3) 焦炭产量提高，捣固炼焦的装炉煤堆比重增加的倍数大于 结焦时间延长的倍数，故焦炭产量增加。
第二节 煤炭气化
第二节 煤炭气化
（三）移动床加压气化（典型炉型——鲁奇炉）
在加压气化的条件下，气化炉内进行着以下的反应：碳的 氧化反应、二氧化碳的还原反应、水蒸汽的分解反应以及甲烷 的生成反应。与常压气化相比，加压气化过程中甲烷生成反应 增多。一方面是由于较厚干馏层挥发分热解产生甲烷，另一方 面是由于碳的加氢生成甲烷，而且主要以后者为主。在加压条 件下，以上反应亦与常压气化有一定的区别。 加压气化的特点（1）煤气中的甲烷和二氧化碳含量增加， 一氧化碳和氢气含量下降 ；（2）气化压力的升高，对生成甲 烷的反应越有利，放出的热量越多，氧气的消耗越少；（3） 加压却不利于水蒸汽的分解，即水蒸汽分解率下降 。
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术
3、煤干燥炼焦（煤调湿技术）
煤干燥后炼焦，是将装炉煤干燥至水分4%～5%后，再装炉 炼焦。由于水分降低，降低了煤料间水分表面张力，增加了煤料 颗粒之间的润滑，可以提高装炉煤的堆比重7％～11％ 。由于装炉 煤堆积密度增加使焦炭强度提高或多配弱粘结性煤，相当于配人 10％型煤的效果。又因为水分降低，结焦时间缩短，炼焦速度提 高，改善了煤料的粘结性，提高了焦炭的质量和产量，降低炼焦 耗热量，而且也可以降低火道温度以减少NOx排放量，同时也减 少了焦化厂的剩余氨水量，减少污水处理量。日本已有人家厂采 用了煤调湿技术，逐步代替了型煤技术。我国重钢焦化厂采用煤 调湿技术生产焦炭，效果很好。
3～ 4.5
2～4
0.8 ～ 1.4
0.25 ～ 0.35
0.9 ～ 1.1
第一节 煤炭焦化
净化后焦炉煤气中主要成分如下表所示。
名 称 组 分 H2 CH4
净焦炉煤气组成，体积%
CO
N2
CO2
C n Hm
O2
含 量
54～ 59
24～ 28
5.5～7
3～5
1～3
2～3
0.3～ 0.7
第二节 煤炭气化
四、炼焦化学产品的回收与煤气的净化
煤在炼焦时产生的气体和液体产物全部转入荒煤气。荒煤 气呈褐色或棕黄色，经冷却后，可从焦炉煤气中分离出焦油、 粗苯、硫铵或氨等产品。煤经过高温干馏后主要产品产率如 下表。
产品 焦炭 净焦炉 煤气 焦 油 化合 水 粗苯 氨 其它
产率（占 干煤wt%）
70～ 78
15～19
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术 1) 配型煤炼焦；
2)
3) 4) 5)
捣固炼焦；
煤干燥（煤调湿技术） 预热炼焦； 型焦生产方法
第一节 煤炭焦化
三、炼焦新技术
1、配型煤炼焦
配型煤炼焦是在炼焦装炉煤料中按一定比例配入成型煤进 行炼焦的技术。其基本原理是：配入成型煤块后，提高了装炉 煤料的密度。这样可降低炭化过程中半焦的收缩，从而减少焦 炭的裂纹，提高焦炭的强度；型煤块中配有一定量粘结剂，从 而改善煤料的粘结性能，对提高焦炭质量有利；成型煤中煤粒 相互接触远比粉煤紧密，从而显著地提高了型块煤料的结焦性 能。高密度型块与粉煤配合炼焦时，在软化熔融阶段，型块本 体产生的膨胀，对周围煤料施加压紧作用，促进了煤料颗粒间 的胶结，使焦炭结构更加致密，强度提高。
第二节 煤炭气化
二、移动床气化 （一） 混合发生炉煤气 混合发生炉气化是移动床常压气化技术最成熟的气化方法之 一，原料煤在煤气发生炉内与空气和水蒸汽组成的混合气化剂 发生反应，生成混合发生炉煤气。混合发生炉煤气属于低热值 煤气，一般在4.6~7.5MJ/m3之间，主要用作工业燃料气，不能 单独作民用煤气使用。典型设备见图。 基本特点：（1）物料床层固定，缓慢向下移动； （2）气化剂为水蒸气和空气；
Hale Waihona Puke 第二节 煤炭气化（二）水煤气生产 水煤气是以水蒸汽为气化剂，与炽热的炭层反应而制得的煤 气。水煤气的主要成分是CO和H2 ，主要用作合成氨的原料， 也可用作工业燃料气。
1、水煤气生产的化学原理
C+H2O → H2+CO C+2H2O → 2H2 + CO2
这两个反应都是吸热反应。为确保水蒸汽分解能顺利进行， 外界必须提供足够的热量，可采用氧气和水蒸汽为气化剂进行 连续气化或用空气和水蒸汽为气化剂进行间歇式气化。
煤化工工艺
第一节 煤炭焦化 第二节 煤炭气化 第三节 煤炭液化 第四节 甲醇合成
第五节
第六节
煤制烯烃
煤制炭素材料
第一节 煤炭焦化
一、焦炭的主要用途——炼铁
炼铁主要设备——高炉
高炉是中空的竖炉，由上至下分为炉喉、炉身、炉腰、 炉腹和炉缸五段，高炉的炉身上口小，下口大形成倒锥状。 炉料由铁矿石、熔剂和焦炭组成，生产中炉料从炉顶依次分 批装入炉内，预热的高温空气(热风)由风口鼓入，焦炭在风