煤化工生产技术知识全解

对于气固－相气化反应，其总的气化历程通常必须经过以下7个步骤：
（1）反应气体由气相扩散到固体碳表面（外扩散）； （2）反应气体通过颗粒内部的孔道进入小孔的内表面（内扩散）； （3）反应气体分子吸附在固体碳内孔的表面，形成中间络合物； （4）吸附的中间络合物之间，或吸附的中间络合物和气相分子之间进行反 应； （5）吸附态的产物从固体内孔表面脱附； （6）产物分子通过固体的内部孔道扩散出来（内扩散）； （7）产物分子由颗粒表面扩散到气相中（外扩散）。 可见，在总的反应过程中包括了扩散过程(1)、（2）、（6）、(7)和化 学过程(3) 、 （4） 、（5）。扩散过程中又分为外扩散和内扩散；化学过 程中又包括吸附、表面反应和脱附。上述各步骤的阻力不同，反应过程 的总速率将取决于阻力最大的步骤，即速率最慢的步骤，该步骤称为速 率控制步骤。当总反应受化学反应速率控制时称为“化学动力学控制”； 当总反应受扩散过程的速率控制时称为“扩散控制”。
1，煤气化的四个阶段
1）干燥 气化所用的原料煤通常都含有一定的水分。煤料进入气化炉后，随着温度的逐 渐升高，煤中水分会受热蒸发，而使煤料得到干燥。煤在气化炉内的干燥速率 主要受入炉原料煤粒度、气化炉操作温度及煤料与气化剂的接触方式等因素影 响。 2）热解 煤料在气化炉内经过干燥后，随着温度的进一步升高，煤分子会发生热分解反 应，生成一定数量的挥发性物质（包括干馏煤气、焦油及热解水等）。同时， 煤料中不能挥发的部分形成半焦。煤在热解过程中产生挥发分的数量和质量主 要与原料煤的煤阶、煤料的升温速率以及气化炉内的运动方式等因素有关。 3）气化 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CO、H2、CH4及CO2、N2、H2S、H2O等为主要成分的气态产物，即粗煤 气。影响煤气化反应的主要因素有原料煤的性质、气化温度、气化压力、气化 剂种类、煤料与气化剂的接触方式以及气化炉的结构形式等。 4） 燃烧 由于煤与气化剂之间发生的主要化学反应多为强吸热反应，同时需要保证气化 反应能在较高的气化炉操作温度下快速、连续进行，因此一般通过使煤料中的 部分碳与气化剂中的氧发生燃烧反应的方式来为气化过程提供必要的热量。
煤化工生产技 术简介
煤的应用领域
合成氨 甲醇 气化 联合发电 间接气化 • 煤 直接气化 焦炭 炼焦 焦油 焦炉气 其他利用
第一章 煤气化技术
பைடு நூலகம்
第一节 煤气化基本原理
从基本原理上讲，煤气化是一个 热加工转化过程。煤经加热后会发 生一系列复杂的物理、化学变化， 这些变化主要受原料煤的性质、气 化温度、气化压力、气化剂种类、 煤料与气化剂接触的方式、煤料升 温及气化炉结构等因素的影响。
2，煤气化过程的基本化学反应
煤气化过程中的基本化学反应主要包括煤的热解反应、气化反应 及燃烧反应。煤的热解是从固相变为气、液、固三相产物的过程。 煤的气化和燃烧则包含了两大类型反应：a,非均相气－固反应，气 相可能是最初的气化剂，也可能是热解、气化或燃烧反应生成的产 物，固相主要是煤中以碳为主的有机质；b,均相的气相反应，反应 物包括气化剂和反应产物。 1）主要基本化学反应式 (298K,0.1MPa)/kJ.mol-1 焓值 1，C+O2=CO2 -393.5 2，C+1/2 O2=CO -110.5 3，C+H2O=CO+H2 +131.3 4，C+CO2=2CO +172.5 5，C+2 H2 =CH4 -74.4 6， H2 +1/2 O2 = H2O -241.8 7，CO+1/2 O2 =CO2 -283 8，CO+ H2O =CO2+ H2 -41.2 9，CO+3H2 =CH4 +H2O -205.7 10，CHXOY=(1-y)C+yCO+x/2H2 +17 11， CHXOY=(1-y-x/8)C+yCO+x/4H2+x/8CH4 +8
2）均相气化反应速率
均相气化反应的速率取决于反应物的浓度、温度、压力及其 他条件。均相气化反应速率可用下述通式表示： r=kC mACnB 式中 k－反应速率常数； CA 、CB－反应物浓度； m 、n－反应物浓度的幂次。 由此可知，反应速率常数越大，则反应进行的越快；反应 物的浓度越高，反应进行的也越快。因此，在接近反应末期，反 应物浓度已很低，反应进行比较缓慢。 对于一定的反应，在一定的条件下k为定值。当外界条件改 变特别是温度改变时，将使k值发生变化。
3）几个主要的化学反应
1,C+H2O(气)=CO+H2 –Q1 C+2 H2O (气)=CO2+2H2 –Q2 2,C+ CO2=2CO 3,C+2 H2 =CH4 4,CO+3H2 =CH4+H2O (气) CO2+ 4H2 = CH4+2H2O 2C+ 2 H2O (气)= CH4+CO2 5,CO+ H2O (气)= CO2+ H2
2）次要基本化学反应式
1，S+O2=SO2 2，SO2+3H2=H2S+2H2O 3， SO2+2CO=S+2CO2 4， SO2+ 2H2S=3S+2H2O 5，C+2S=CS2 6，CO+S=COS 7，N2+3H2=2NH3 8，2 N2+2H2O+4CO=4HCN+3 O2 9， N2+x O2=2NOx
3,煤气化反应动力学
1）煤气化反应历程 气化炉重的主要气化反应是煤与气体之间的反应，即气固相之间 的非均相反应，同时也有气体反应物之间的均相反应。 在气化炉中，煤料首先进行脱挥发分和热分解，得到固体残留物 －半焦。热分解之后，将发生半焦与气体间的气－固相反应。这种反 应可以分为两类，即容积反应和表面反应。容积反应主要在内表面进 行；而表面反应时气体反应物刚扩散到固体外表面就反应了，很难扩 散到固体内部。通常当温度较高时容易发生表面反应，如氧化反应、 燃烧反应；而容积反应主要是反应速率较慢情况下的反应。 在容积反应中，反应气体扩散到颗粒的内部并分散渗透到整个 固体，反应的灰层在颗粒的孔腔壁表面逐渐积累起来，使反应区逐渐 收缩。 在表面反应中，反应气体很难渗透到固体的颗粒内部，反应只在 外表面进行。但随着反应的进行，反应表面不断向固体内部移动并在 已反应过的地方产生灰层。未反应的核随时间不断收缩，反应局限于 未反应核的表面。