中国矿业大学北京硕士研究生煤化学工程期末考试真题及答案

1 简述以煤为原料制取基本有机化工原料的方法；针对传统煤化工的缺陷，说明现代煤化工完善的途径。

答:以煤为原料制取基本有机化工原料的方法有以下几种：

1.煤的干馏，受热分解生成煤气、焦油、粗苯、和焦炭的过程，称为煤干馏，煤干

馏分为：低温干馏500-600℃，中温干馏700-900℃，高温干馏900-1100℃。煤的低温干馏，生产低温焦油，经过加氢生产液体燃料，低温焦油分离后可得到有用的化学品，低温半焦可作为无烟燃料，或气化原料、发电燃料以及碳质还原剂，低温煤气可做燃料气。煤的高温干馏即煤在焦炉内隔绝空气加热到1000℃左右，一般简称炼焦，煤焦油经过加工得到萘、蒽、吡啶、酚、沥青和碳素制品，焦炉煤气经过分离得到用于城市煤气的煤气和苯、甲苯、二甲苯，焦炭用于冶金。2.煤气化，即煤在特定的设备内，在一定的温度和压力下使煤中的有机质与气化剂

（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为CO、H2、CH4等可燃性气体。生产的气体经过净化后合成合成气，用于合成氨，甲醇合成，费托合成液体燃料和化学品（煤间接液化），乙酐的合成。

3.煤的直接液化，即煤高压加氢液化，用于生产液体燃料。

4.其他方式：用于生产褐煤蜡，活性炭分子筛。

5.煤与石灰熔融生产电石：工业电石是由生石灰与焦炭或无烟煤在电炉中2200℃反

应而制得。电石是生产乙炔的重要原料，将电石水解即可得到乙炔。

传统的煤化工泛指煤的气化、液化、焦化、及焦油加工、电石乙炔化工等，也包括利用煤的性质通过氧化、溶剂处理制化学品以及煤为原料制取碳素材料和煤的高分子材料等。传统的煤化工产业长期粗放型发展模式积累的矛盾和问题比较突出，低水平重复建设严重，产业结构调整不理想，随着节能减排与环境保护的日益强化，非高炉炼铁的发展，重点是结构调整和技术升级。

当代煤化工完善的途径和方法:

1.煤制天然气，煤制天然气的能量转化效率高，能达到50%-52%，是最有效的煤炭

利用方式。通过煤炭的清洁转化，生产工业和民用天然气，可以补充我国常规天然气产量的不足，对于缓解我国天然气资源短缺，保障国家能源安全，减少温室气体排放，保护地球生态环境都具有重要的现实意义。

2.煤制油，煤制油技术可以解决能源结构多煤少油国家的石油供应相对不足的问题。

包括直接液化和间接液化。直接液化是将煤制成油煤浆，于450℃左右和10-30MPa 压力下催化加氢，获得液化油，并进一步加工成汽油、柴油及其他化工产品。煤的间接液化是将煤气化并制得合成气，然后通过F-T合成，得到发动机燃料油和其他化工产品的过程。

3.煤制甲醇、二甲醚。甲醇在化学、医药、轻工、纺织等行业有着广泛的用途。甲

醇作为一种重要的化工原料，通过羰基化可进一步制取醋酸、醋酸酐、甲酸甲酯、甲酸等重要的化工产品。煤气化后得到的粗煤气（CO2、H2）先经预变换，再经低温甲醇洗、压缩、甲醇合成、甲醇精馏，最后制得液体甲醇。二甲醚可以代替柴油作为发动机燃料，也可以作为民用燃料代替LPG。

4.整体煤气化联合循环技术（IGCC），即将多种煤炭转化技术通过优化耦合集成在

一起，以同时获得多种高附加值的化工产品（包括芳香烃和脂肪烃）和多种洁净的二次能源（气体燃料、液体燃料、电等）为目的的生产系统。该技术不仅在很大程度上解决目前燃煤电站效率低，污染大的问题，而且也克服了天然气供应不足和价格昂贵的问题。

2 简述煤气化的原理。从多相反应的原理出发，分析煤气化过程强化的途径和方法。 答：煤的气化过程是一个热化学过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等做气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程，气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分包括CO 、H 2、CH 4等。气化过程主要包括煤的干燥、热解、主要的化学反应三个过程。

1. 煤的干燥

煤的干燥实质上是水份从微孔中蒸发的过程，理论上接近水的沸点下进行。但实际生产中和具体的气化工艺过程及其操作条件有很大关系。一般增加气体流速，提高温度可以增加干燥速度。干燥过程的主要产物是水蒸气以及被煤吸附的少量的CO 和CO 2等。

2. 煤的热解

煤是复杂的有机物质，其主体是含碳、氢、氧和硫等元素的极其复杂的化合物，并夹杂一部分无机化合物。当煤被加热时，分子键的重排将使煤分解为挥发性的有机物和固定碳。挥发分实质上是由低相对分子量的氢气、甲烷和一氧化碳等化合物至高相对分子质量的焦油和沥青的混合物构成。

一般来讲，热解反应的宏观形式为：

242232CO CO CH H O H NH H S ++

−−−→加热煤煤气（、、、、、、）焦油（液体）焦炭

3. 主要化学反应

煤炭气化过程中存在许多化学反应一般包括以下几个反应

① 碳的氧化燃烧反应。煤中的部分碳和氢经过氧化燃烧放热并生产CO 2和水蒸

气，由于处于缺氧环境下，该反应仅限于提供气化反应所必需的热量。

22C+O CO +394.55kJ/mol −−→

2C+O CO+110.4kJ/mol −−→

222H +0.5O H O+21.8kJ/mol −−→

② 气化反应。气化炉中最重要的还原反应，发生于正在燃烧而未燃烧完的燃料中，

炭与CO 2反应生产CO ，在有水蒸气参与反应的条件下，炭还与水蒸气反应生产H 2和CO 2，这些反应均为吸热反应。

2CO +C 2CO-173.1kJ/mol −−→←−−

22C+H O CO+H -131.0kJ/mol −−→

③ 甲烷生产反应。当炉内反应温度在700-800℃时，还伴有以下的甲烷生产反应，

对煤化程度浅的煤，还有部分甲烷产生自煤的大分子裂解反应。

242C+2H CH +O −−−→催化剂

242CO+3H CH +H O −−−→催化剂

2242CO +4H CH +2H O −−−→催化剂

2422CO+2H CH +CO −−−→催化剂

2422C+2H O CH +CO −−−→催化剂

④ 其他反应。因为煤中有杂质硫存在，气化过程中还可能同时发生以下反应：

22S+O SO −−→←−−

2222SO +3H H S+2H O −−→←−−

22SO +2CO S+2CO −−→←−−

2222H S+SO 3S+2H O −−→←−−

2C+2S CS −−→←−−

CO+S COS −−→←−−

223N +3H 2NH −−→←−−

222N +H O+2CO 2HCN+1.5O −−→←−−

22N +xO 2NOx −−→←−−

气化过程中的反应既有气体反应物与产物或产物之间的均相反应，又有气、固两相之间的非均相反应，而气化反应中很多主要的反应为非均相反应。在固体碳表面进行的非均相反应经历着以下几个阶段：①气体反应物向固体碳表面转移或扩散。②气体反应物被吸附在固体碳表面上。③被吸附的气体反应物在固体碳表面起反应而形成中间配合物。④中间配合物的分解或与气相中到达固体碳表面的气体分子发生反应。⑤反应产物从固体碳表面解吸并扩散到气体空间。碳的氧化反应、碳与二氧化碳的反