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【煤化工工艺】专题之四：煤的气化、液化和干馏技术 已有3人参与
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煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体，液体，固体燃料以及化学品的过程，生产出各种化工产品的工业。 煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。煤的气化、液化、焦化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。而煤的气化、液化、焦化（干馏）又是煤化工中非常重要的三种加工方式。
煤的气化、液化和焦化概要流程图 一.煤炭气化 煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。 煤的气化的一般流程图 煤炭气化包含一系列物理、化学变化。而化学变化是煤炭气化的主要方式，主要的化学反应有： 1、水蒸气转化反应 C+H2O=CO+H2 2、水煤气变换反应 CO+ H2O =CO2+H2 3、部分氧化反应 C+0.5 O2=CO 4、完全氧化（燃烧）反应 C+O2=CO2 5、甲烷化反应 CO+2H2=CH4 6、Boudouard反应 C+CO2=2CO 其中1、6为放热反应，2、3、4、5为吸热反应。 煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。 煤炭气化按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有： 1) 固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。 2) 流化床气化：它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。 3) 气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。 4) 熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。 以上均为地面气化，还有地下气化工艺。 根据采用的气化剂和煤气成分的不同，可以把煤气分为四类：1.以空气作为气化剂的空气煤气；2.以空气及蒸汽作为气化剂的混合煤气，也被称为发生炉煤气；3.以水蒸气和氧气作为气化剂的水煤气；4.以蒸汽及空气作为气化剂的半水煤气，也可是空气煤气和水煤气的混合气。 几种重要的煤气化技术及其技术性能比较 1.Lurgi炉固定床加压气化法对煤质要求较高，只能用弱粘结块煤，冷煤气效率最高，气化强度高，粗煤气中甲烷含量较高，但净化系统复杂，焦油、污水等处理困难。 鲁奇煤气化工艺流程图 2.Texaco水煤浆加压气化采用水煤浆 进料、纯氧气化，是国内外经实践考研成熟、先进的气化工艺。气化工艺简单，气化压力较高，生产装置最高达6.5MPa，单台炉最大日处理煤1650t，碳转化率高（≥98%），气体质量好（CH4＜0.1%，不含烯烃及高级烃），氮氧耗高、设备投资高。 该工艺可以用低灰、低灰熔点的烟煤或石油焦作原料，但由于要求煤的灰熔点与气化温度匹配，从而使该工艺适合使用的煤种比较窄。该工艺声场的煤气适合作化工合成原料气，整个生产过程环境污染少，三废处理方便。可实现计算机控制及优化操作。 德士古水煤浆气化工艺流程图 3.Shell煤气化是较为先进的第二代煤气化工艺之一。Shell煤气化属气流床气化，煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解。燃烧及转化等一系列物理和化学过程。该工艺的主要特点是干煤粉进料，气化温度高，氧耗低。 Shell煤气化炉的单炉生产能力大，目前投入运转的单炉气化压力为4.0MPa，日处理煤量1000-2000t。该工艺煤气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备炉。炉子主要由内筒和外筒两部分组成，外筒只承受静压而不承受高温，内件形成气化空间、炉渣收集空间、气体输送空间。气化炉内筒上部为燃烧室，下部为激冷室，煤粉及氧气在燃烧室反应，温度为1600℃左右。Shell粉煤气化在国外仅用于循环发电，未用于化工生产。本世纪初至今，我国连续引进十多台Shell气化炉，主要用于化工生产，投资较大，进展缓慢。目前正逐台投入生产，前景合适可以的。 Shell煤气化工艺流程图 4.GSP粉煤气化工艺技术是20世纪70年代末，有GDR（原民主德国）开发并投入商业化欲行的大中型煤气化技术。与其他同类气化技术相比，该技术因采用气化炉顶干粉加料与反应室周围水冷壁结构，因而在气化炉结构以及工艺流程上有其先进之处，但工业化经验比较少。其核心技术之一组合式的流通道烧嘴，没有运行时间的记录。现在大型企业对引进GSP煤气化工艺技术产生了浓厚的兴趣，这是由于该技术融合了Shell和Texaco气化技术的优点，克服了他们的缺点。GSP炉在国内的推广刚刚开始，在运作上还有一些问题尚待解决。 GSP煤气化工艺流程图 5.Dow水煤浆加压气化是在Texaco气化方法的基础上开发出来的新工艺，最高气化压力为2.9MPa，目前尚无作合成氨原料的实践经验。 二.煤的液化 煤液化是把煤转化为液体产物，包括直接液化和间接液化。 I.煤的直接液化： 煤的直接液化是通过加氢使煤中复杂的有机化学成分直接转化为液体燃料，转化过程是在含煤粉和溶剂的浆液系统中进行加氢，需要较高的压力和温度。 直接液化的优点是热效率高，液体产品收率高；主要缺点是煤浆加氢工艺过程中，各步骤的操作条件相对苛刻，对煤种适应性差。 德国是最早研究和开发直接液化工艺的国家，其最初的工艺被称为IG工艺。气候不断改进，开发出被认为世界上最先进的IGOR工艺。其后美国也在煤液化工艺的开发上做了大量的工作，开发出供氢溶剂（EDS）、氢煤（H-Coal）、催化两段液化工艺（CTSL/HTI）和煤油共炼等代表工艺。此外日本的NEDOL工艺也有相当出色的液化性能。此外，我国在建的神华煤直接液化所采用工艺也是在其他工艺的基础上发展的具有自身特色的液化工艺。 1.德国的IG工艺和IGOR工艺 德国的IG工艺可分为两段加氢过程，第一段加氢是在高压氢气下，煤加氢生成液体油（中质油等），又称煤浆液相加氢。第二段加氢是以第一段加氢的产物为原料，进行催化气相加氢制得成品油，又称中油气相加氢，所以IG法也常称作两段加氢法。 德国的IG工艺流程 20世纪80年代，德国在IG法的基础上开发了更为先进的煤加氢液化和加氢精制一体化联合工艺（IGOR)。其最大的特点是原料煤经该工艺过程液化后，可直接得到加氢裂解及催化重整工艺处理的合格原料油，从而改变了两段加氢的传统IG模式，简化了工艺流程，避免了由于物料进出 装置而造成的能量消耗和大量的工艺设备。 IGOR直接液化法工艺流程 2.美国的H-Coal、CTSL和HTI工艺 H-Coal工艺是美国HRI公司在20世纪60年代，从原有的重油加氢裂化工艺(H-oil)的基础上开发出来的，它的主要特点是采用了高活性的载体催化剂和流化床反应器，属于一段催化液化工艺。 H-Coal工艺流程 CTSL为两段液化工艺。 CTSL工艺流程 美国HRI公司并入HTI公司后，HTI公司在原有的H-Coal和CTSL工艺基础上开发了HTI煤液化工艺。 3.美国的EDS工艺和日本的NEDOL工艺 EDS工艺石油美国的Exxon石油公司于1966你那首先开发的对循环溶剂进行加氢的直接液化工艺，又称供氢溶剂煤液化工艺。即让循环溶剂在进入煤预处理过程之前，先经过固定床加氢反应器对溶剂加氢，以提高溶剂的供氢性能。 美国的EDS工艺流程 NEDOL工艺是20世纪80年代日本在“阳光计划”的研究基础上开发的一项直接液化工艺，在流程上与EDS工艺十分类似，都是先对液化重油进行加氢后再作为循环溶剂。主要不同是其在煤浆加氢液化过程中加入铁系催化剂（合成硫铁矿或天然硫铁矿），并采用更加高效和稳定的真空蒸馏的方法进行固液分离。 日本的NEDOL工艺流程 4.煤油共炼工艺 煤油共炼工艺是将石油加氢裂化和没直接液化相结合的工艺，其实质是用石油渣油作为煤直接液化的溶剂，在反应器内，煤加氢液化为液体油，石油渣油也进一步裂化为较低熔点的液体油。 5.中国神华煤液化项目工艺 神华煤液化项目工艺方案自项目启动到现在，出现多次变化，并在持续建设当中。 神华一期项目工艺流程 II.煤的间接液化： 煤的间接液化是先将煤气化制成合成气(CO+H2),再经过催化合成为液体燃料。属于间接液化的费托（Fischer-Tropsch）合成和甲醇转化制汽油（MTG）的莫比尔（Mobil）工艺，已实现工业化生产。费托合成在南非建成三座萨索尔（SASOL）工厂。甲醇转化制汽油的莫比尔工艺，已在新西兰建成工业化装置，该法由合成气合成甲醇，再转化制成汽油。合成气制醋酐，即所谓伊斯特曼煤制醋酐已在美国实现工业生产。 煤间接液化的优点是煤种适应性宽，操作条件比直接液化相对温和，煤灰等三废问题主要在气化过程中解决，其缺点是涉及到气化合成气过程，总效率低。 三.煤的热解 煤的热解是将煤在惰性气氛中持续加热到较高温度时发生的包括一系列物理变化和化学反应的复杂过程。 煤的热解又称干馏，通过热解可获得固体焦炭，液体焦油和煤气等，所以也可以把煤热解看作是液化和部分气化过程。 煤热解可分为高温焦化和低温热解，高温焦化的加热终温一般高于900摄氏度，低温热解加热终温一般低于700摄氏度。 高温焦化： 煤的高温焦化是伴随着炼铁工业，煤气生产和有机化工等部门生产而发展起来。在炼铁工业和煤气生产，炼焦的目的是制取焦炭和煤气，作为炼铁原料和燃料；有机化学工业的主要目的是制取煤化学产品。 在高温焦化过程中，煤受热后开始热分解，煤中的挥发分首先逸出，最后生成几乎不含煤气和烃类化合物的残留物，即焦炭。 低温热解： 煤低温热解的产品有煤气，焦油以及含有挥发分的半焦，低温热解又分为慢速热解和快速热解。 参考资料： 1.网站：百度百科，互动百科，中国商务网，哈尔滨工业大学燃烧工程研究所， 2.参考书：现代煤炭转化与煤化工新工艺实用全书，煤化工工艺学，煤化工基础，碳一化工新技术概论，碳一化工主要产品生产技术 [ Last edited by ljason on 2011-6-21 at 09:05 ] |
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