天然气与煤化工
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境污染和较低的能源利用效率。 • 天然气目前的最大用途是用作工业加热燃料和家用
燃料。由于天然气的热值高、污染少，是一种清洁 能源，因此在能源结构中的比例逐年提高。
18
炭黑生产装置
各种牌号炭黑
甲烷转化装置 合成气
乙炔装置
乙炔＋合成气
CH4
氧化 HCN和HCHO
氯化 氯代甲烷
硝化 硝基甲烷
硫化 二硫化碳
时期（公元前206年至公元25年）人们已开始地下采煤， 并用于冶铁。
9
• 煤类型划分: 按照成因分类法分为腐殖煤、腐泥煤 和腐殖腐泥煤。按煤化程度可分为褐煤、烟煤和 无烟煤。
10
褐煤
弱黏结煤
瘦煤
长焰煤
气煤
肥煤
焦煤
贫煤
无烟煤 11
4.1.2 煤资源与组成
• 煤（coal）是蕴藏在地下的固态有机可燃矿物， 经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用 和漫长地质年代的天然煤化作用而生成的。
8
4.1.2 煤资源
• 世界煤的资源十分丰富，占世界可燃矿物资源的第一位， 约为15万亿吨。
• 中国煤炭资源主要集中在晋、陕、内蒙及新疆地区。 • 1995年末世界煤炭资源可采储量为10316亿吨，其中中
国为1145亿吨，占世界总储量的11.1%，居世界第三位。 • 中国是世界上最早发现、利用和开采煤炭的国家，在西汉
生物加工 单细胞蛋白
天然气化工的主要领域是天然气制合成氨和甲醇。
19
4.2.1 甲烷经合成气的化学转化与系列产品
• 天然气化工利用中最主要的方法是在催化剂作用下 经高温水蒸气转化或经部分氧化制合成气（指各种 不同比例CO和H2组成的气体混合物），然后进一步 合成甲醇、氨、尿素、汽油、柴油等液体燃料及其 他化工产品。
液体燃料和甲酸、醋酸、甲醛、甲基叔丁基醚等一系列 化工产品。
23
由合成气制甲酸的反应式： • CH3OH+CO → HCOOCH3 • HCOOCH3+H2O→HCOOH+CH3OH（水解）
其总反应为：CO+H2O → HCOOH 由合成气经改良费托合成制汽油、煤油、柴油已建一定规
模的工厂，合成气直接催化转化为低碳烯烃、乙二醇的工 艺正在开发。
20
水蒸气重整制合成气(传统) CH4 + H2O → CO + 3 H2 （ ΔH=227 KJ/mol）强吸热反应
反 应 温 度 900oC ， 在 反 应 炉 处 要 燃 烧 一 定 量 的 天 然 气 ， 同时，反应过程必须使用过量的水以阻止催化剂失活。
21
• 天然气直接部分氧化制合成气:
• 干气和湿气: 一般在天然气中的C5以上重质烃含量低于 0.00135 % 时称为干气，而高于此值则被称为湿气。
4
天然气资源的蕴藏形式
气田：天然气单独蕴藏，主要成分是甲烷，有的甲烷含量 高达99%以上。
油田气或油田伴生气：天然气与石油共生，多为湿气。 其中丙烷、丁烷能以“液化气体”的形式分离出来，称 “液化石油气”（LPG）。油田气中C5以上烷烃能以“气 体汽油”形式分离出来，称为凝析油。
24
4.2.2 甲烷的直接化学转化
• 通过天然气的直接化学转化，如氧化偶联、选择性氧化等 可制成烯烃、甲醇、二甲醚等，进而合成液体燃料。
• 甲烷转化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷电催化氧化、 甲烷芳构化直接合成芳烃等也正在开发中。
• 天然气化学转化的方法不少，但是达到工业化水平并在经 济上有竞争力的化学反应过程并不多。
13
14
15
4.2 天然气化工
16
2006年我国能源生产结构中煤炭、石油和天然气合计 占我国全部一次能源生产221056万吨标准煤的92.1%， 其余水电、核电、风电合计占7.9%。
源自中国经济网 2008年02月21日
17
• 天然气和煤均是重要的能源。 • 由于中国是以煤为主的能源结构，造成较严重的环
7
我国天然气蕴藏量
1996年探明天然气总储量为16697亿m3，居世界第16位； 1996年天然气产量为196.7 亿m3，名列世界第21位； 2011年1-2月，我国天然气产量达到182亿立方米； 中国天然气的勘探和开发正逐步受到重视，2020年产量
将达到1200亿m3，2050年的产量有可能达到1600亿m3 左右。
第5 讲 天然气化工与煤化工
1
本章主要内容
4.1 天然气与煤 4.2 天然气化工 4.3 煤的化工利用 4.4 煤化工发展方向 4.5 温室气体的化学利用
2
中国能源消费结构
《中国新能源与可再生能源1999白皮书》
3
4.1 天然气与煤
4.1.1 天然气资源与组成
• 天然气（natural gas）主要成分: 甲烷，尚含有不同量的乙 烷、丙烷和丁烷以及少量的戊烷以上的重组分，此外还可 能含有硫化氢、二氧化碳、氮、氢气等杂质。
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 （ΔH=－35.5 KJ/mol）放热反应
与传统的水蒸气重整法相比，该过程反应速率快，反应器 体积小、效率高、能耗低，可显著降低设备投资和生产成 本。
22
由合成气生成甲醇的反应式如下：
CO 2H2
CO2 3H2
CH3OH
CH3OH H2O
• 天然气经合成气（ຫໍສະໝຸດ BaiduO+H2）制甲醇。 • 甲醇用途极广，以它为基本原料，可合成汽油、柴油等
• 煤的种类不同，其成分组成与质量不同，发热量 也不相同。单位质量燃料燃烧时放出的热量称为 发热量，人为规定以每kg发热量7000千卡的煤 作为标准煤，并以此标准折算耗煤量。
12
煤的化学组成
•煤一般由有机物质和矿物质所组成，有机质是煤中的主要 成分，它决定煤的性质。 •煤中有机质主要由五种元素组成，以碳、氢、氧为主，总 和占煤中有机质的95%以上，其次是氮和硫 。
5
煤层气: 又称瓦斯气或煤层甲烷，是煤矿中吸附在 煤上的甲烷，是非常规天然气的一种重要类型， 其储量很大。
新疆第一口煤层气井
煤层气液化项目
6
天然气水合物: 存在于地球高纬度的冻土带和深度不到2000m 的海底, 由CH4与H2O组成的具有确定晶体结构的笼形化合物， 估计储量很大，但目前尚未得到利用。
25
甲烷氧化偶联制碳二烃
2CH4+O2 →C2H4+2H2O 2CH4+1/2O2 →C2H6+ H2O • 为获取高收率，人们设计采用了其他多种活化方法， 例如采用等离子体技术，电场技术，激光促进催化， 膜催化，生物方法（酶催化）等，以上这些技术都是 有目的的使甲烷生成CH3·自由基然后再进一步偶联。
燃料。由于天然气的热值高、污染少，是一种清洁 能源，因此在能源结构中的比例逐年提高。
18
炭黑生产装置
各种牌号炭黑
甲烷转化装置 合成气
乙炔装置
乙炔＋合成气
CH4
氧化 HCN和HCHO
氯化 氯代甲烷
硝化 硝基甲烷
硫化 二硫化碳
时期（公元前206年至公元25年）人们已开始地下采煤， 并用于冶铁。
9
• 煤类型划分: 按照成因分类法分为腐殖煤、腐泥煤 和腐殖腐泥煤。按煤化程度可分为褐煤、烟煤和 无烟煤。
10
褐煤
弱黏结煤
瘦煤
长焰煤
气煤
肥煤
焦煤
贫煤
无烟煤 11
4.1.2 煤资源与组成
• 煤（coal）是蕴藏在地下的固态有机可燃矿物， 经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用 和漫长地质年代的天然煤化作用而生成的。
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4.1.2 煤资源
• 世界煤的资源十分丰富，占世界可燃矿物资源的第一位， 约为15万亿吨。
• 中国煤炭资源主要集中在晋、陕、内蒙及新疆地区。 • 1995年末世界煤炭资源可采储量为10316亿吨，其中中
国为1145亿吨，占世界总储量的11.1%，居世界第三位。 • 中国是世界上最早发现、利用和开采煤炭的国家，在西汉
生物加工 单细胞蛋白
天然气化工的主要领域是天然气制合成氨和甲醇。
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4.2.1 甲烷经合成气的化学转化与系列产品
• 天然气化工利用中最主要的方法是在催化剂作用下 经高温水蒸气转化或经部分氧化制合成气（指各种 不同比例CO和H2组成的气体混合物），然后进一步 合成甲醇、氨、尿素、汽油、柴油等液体燃料及其 他化工产品。
液体燃料和甲酸、醋酸、甲醛、甲基叔丁基醚等一系列 化工产品。
23
由合成气制甲酸的反应式： • CH3OH+CO → HCOOCH3 • HCOOCH3+H2O→HCOOH+CH3OH（水解）
其总反应为：CO+H2O → HCOOH 由合成气经改良费托合成制汽油、煤油、柴油已建一定规
模的工厂，合成气直接催化转化为低碳烯烃、乙二醇的工 艺正在开发。
20
水蒸气重整制合成气(传统) CH4 + H2O → CO + 3 H2 （ ΔH=227 KJ/mol）强吸热反应
反 应 温 度 900oC ， 在 反 应 炉 处 要 燃 烧 一 定 量 的 天 然 气 ， 同时，反应过程必须使用过量的水以阻止催化剂失活。
21
• 天然气直接部分氧化制合成气:
• 干气和湿气: 一般在天然气中的C5以上重质烃含量低于 0.00135 % 时称为干气，而高于此值则被称为湿气。
4
天然气资源的蕴藏形式
气田：天然气单独蕴藏，主要成分是甲烷，有的甲烷含量 高达99%以上。
油田气或油田伴生气：天然气与石油共生，多为湿气。 其中丙烷、丁烷能以“液化气体”的形式分离出来，称 “液化石油气”（LPG）。油田气中C5以上烷烃能以“气 体汽油”形式分离出来，称为凝析油。
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4.2.2 甲烷的直接化学转化
• 通过天然气的直接化学转化，如氧化偶联、选择性氧化等 可制成烯烃、甲醇、二甲醚等，进而合成液体燃料。
• 甲烷转化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷电催化氧化、 甲烷芳构化直接合成芳烃等也正在开发中。
• 天然气化学转化的方法不少，但是达到工业化水平并在经 济上有竞争力的化学反应过程并不多。
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4.2 天然气化工
16
2006年我国能源生产结构中煤炭、石油和天然气合计 占我国全部一次能源生产221056万吨标准煤的92.1%， 其余水电、核电、风电合计占7.9%。
源自中国经济网 2008年02月21日
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• 天然气和煤均是重要的能源。 • 由于中国是以煤为主的能源结构，造成较严重的环
7
我国天然气蕴藏量
1996年探明天然气总储量为16697亿m3，居世界第16位； 1996年天然气产量为196.7 亿m3，名列世界第21位； 2011年1-2月，我国天然气产量达到182亿立方米； 中国天然气的勘探和开发正逐步受到重视，2020年产量
将达到1200亿m3，2050年的产量有可能达到1600亿m3 左右。
第5 讲 天然气化工与煤化工
1
本章主要内容
4.1 天然气与煤 4.2 天然气化工 4.3 煤的化工利用 4.4 煤化工发展方向 4.5 温室气体的化学利用
2
中国能源消费结构
《中国新能源与可再生能源1999白皮书》
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4.1 天然气与煤
4.1.1 天然气资源与组成
• 天然气（natural gas）主要成分: 甲烷，尚含有不同量的乙 烷、丙烷和丁烷以及少量的戊烷以上的重组分，此外还可 能含有硫化氢、二氧化碳、氮、氢气等杂质。
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 （ΔH=－35.5 KJ/mol）放热反应
与传统的水蒸气重整法相比，该过程反应速率快，反应器 体积小、效率高、能耗低，可显著降低设备投资和生产成 本。
22
由合成气生成甲醇的反应式如下：
CO 2H2
CO2 3H2
CH3OH
CH3OH H2O
• 天然气经合成气（ຫໍສະໝຸດ BaiduO+H2）制甲醇。 • 甲醇用途极广，以它为基本原料，可合成汽油、柴油等
• 煤的种类不同，其成分组成与质量不同，发热量 也不相同。单位质量燃料燃烧时放出的热量称为 发热量，人为规定以每kg发热量7000千卡的煤 作为标准煤，并以此标准折算耗煤量。
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煤的化学组成
•煤一般由有机物质和矿物质所组成，有机质是煤中的主要 成分，它决定煤的性质。 •煤中有机质主要由五种元素组成，以碳、氢、氧为主，总 和占煤中有机质的95%以上，其次是氮和硫 。
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煤层气: 又称瓦斯气或煤层甲烷，是煤矿中吸附在 煤上的甲烷，是非常规天然气的一种重要类型， 其储量很大。
新疆第一口煤层气井
煤层气液化项目
6
天然气水合物: 存在于地球高纬度的冻土带和深度不到2000m 的海底, 由CH4与H2O组成的具有确定晶体结构的笼形化合物， 估计储量很大，但目前尚未得到利用。
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甲烷氧化偶联制碳二烃
2CH4+O2 →C2H4+2H2O 2CH4+1/2O2 →C2H6+ H2O • 为获取高收率，人们设计采用了其他多种活化方法， 例如采用等离子体技术，电场技术，激光促进催化， 膜催化，生物方法（酶催化）等，以上这些技术都是 有目的的使甲烷生成CH3·自由基然后再进一步偶联。