煤化工工艺学

§1、绪论§1.1煤炭资源§1.2煤化工发展史§1.3煤化工的范畴§1.4本书简介§1.1煤炭资源1.煤是：地球上能得到的最丰富的化石燃料2.中国：富煤少油缺气能源比例(2000年）：煤炭：66.1%；石油：24.6%；天然气：2.5%；水电：6.8%。3.煤的利用（如下图）：§1.2煤化工发展史1.世界:①18世纪中期:炼焦工艺②18世纪后期:气化工艺③第二次世界大战期间:F-T合成法(间接液化工艺)④1973年:合成气制甲醇⑤20世纪80年代:煤制乙酐2.中国:①1925年:石家庄炼焦②1934年:上海气化③2004年:兖矿集团煤间接液化④2009年:神华集团煤直接液化§1.3煤化工的范畴1.煤化工:以煤为原料经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料和化学品的过程。2.煤化工范畴：包括：干馏、汽化、液化、合成化学品等。3.煤化工分类及产品示意图：图1—1煤化工分类及产品示意图炼焦低温干馏加工电石粗苯煤气分离加工电石炉焦炭加工液化油直接液化沥青、碳素制品冶金焦乙炔化学品燃料气无烟燃料、还原剂、气化原料褐煤腊、活性炭、碳分子筛液体燃料、酚萘、蒽、吡啶、酚苯、甲苯、二甲苯城市煤气液体燃料、化学品焦炉煤气半焦低温煤焦油煤气石灰石煤焦油其他加工煤气化煤气净化合成气乙酐合成费托合成甲醇合成氨合成甲醇毛比尔法汽油甲醇合成氨液体燃料、化学品乙酐、乙酸甲酯§1.4本书简介1、绪论：介绍煤炭资源、煤化工发展简史和煤化工范畴。2、煤的低温干馏：低温干馏主要原理、主要炉型、立式炉生产城市煤气以及固体热载体干馏新工艺。3、炼焦：煤的成焦过程、配煤和焦炭、现代焦炉、炼焦新技术、燃烧和传热以及流体力学。4、炼焦化学产品的回收与精制：粗煤气的分离、氨和粗苯的回收、粗苯精制、焦油蒸馏和沥青加工、粗苯精制生产生产苯类产品、焦油分离精制生产酚类、萘、蒽等。5、煤的气化：气化原理、生产原料气的气化方法、固定床、流化床以及气流床气化炉型、联合循环发电、地下气化、煤气脱硫和甲烷化等。6、煤间接液化：费托合成、合成甲醇、甲醇转化汽油和煤制乙酐等。7、煤的直接液化：直接液化原理、直接液化技术发展和直接液化方法。8、煤的碳素制品：电极炭、活性炭、碳分子筛和碳素纤维的生产。9、煤化工生产的污染和防治：环境保护、煤化工生产的主要污染物、减少污染的对策、污水处理以及烟尘治理。英国布伦特原油价格走势:§2、煤的低温干馏§2．1概述§2．2低温干馏产品§2．3干馏产品的影响因素§2．4低温干馏主要炉型§2．5立式炉生产城市煤气§2．6固体热载体干馏工艺§2．1概述1.煤干馏定义：煤在隔绝空气的条件下,受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程。2.煤干馏分类（按加热终温）：低温干馏：５００～６００℃中温干馏：７００～９００℃高温干馏：９００～１１００℃3.低温干馏过程特点：热加工过程、常压生产、不用加氢和氧、实现煤部分气化（煤气）和液化（焦油）。立式炉生产城市煤气低阶煤炼焦4.适用煤：褐煤、长焰煤和高挥发分的不黏煤等低阶煤。煤炭分类：褐煤（HM）烟煤无烟煤(WY){长焰煤（CY)不黏煤（BN）弱黏煤（RN）气煤（QM）肥煤（FM）焦煤（JM）瘦煤（SM）贫煤（PM）}5.低温干馏产品：半焦、煤气、焦油低阶煤含较多挥发分，可回收相当数量的焦油和煤气§2．2低温干馏产品1.半焦：⑴半焦的性质:孔隙率∕%：30~50反应性（于1050℃，co2）∕[ml∕(g·s)]:比高温焦炭高比电阻／Ω·m：比高温焦炭高（煤的变质程度越低其反应性和比电阻越高）机械强度／%：低于高温焦炭⑵半焦的应用：①做优质的民用和动力燃料无烟、不生成焦油、反应性好、热效率高、有一定块度②铁合金的优良炭料要求比电阻尽可能高③其他冶金型焦中间产品，粉矿烧结，高炉炼铁的喷吹料2.煤焦油：⑴物理性质：黑褐色液体，密度小于１ｇ/ｃm3，比高温焦油轻⑵成分：⑶用途：①发动机燃料，生产酚类和烃类；②提取的酚可用于生产塑料、合成纤维、医药等产品；③褐煤焦油中含有大量蜡类是生产表面活性剂和洗涤剂的原料。酚类：３５％、中性含氧化合物：２０％～２５％、芳烃：１５％～２５％、环烷烃：１０％、沥青：１０％、烷烃：２％～１０％、烯烃：３％～５％、中性含氮化合物：２％～３％、有机碱：１％～２％。3.煤气⑴性质及成分:密度：０.９～１.２Ｋｇ/m3；成分：甲烷、氢气、一氧化碳等。⑵用途：本企业加热燃料，民用，也可做化学合成原料气。§2．3干馏产品的影响因素1.原料煤：⑴产品产率：①焦油﹤一般煤阶↘，焦油↗﹥褐煤焦油产率变动于：4.5%~23%烟煤焦油产率介于：0.5%~20%（从气煤到瘦煤随变质程度↗而焦油产率↘，肥煤例外）腐泥煤低温焦油产率一般较高：可高达40%②煤气﹤一般煤阶↘，煤气↗﹥干泥炭煤气产率：16%~32%馏褐煤煤气产率：6%~22%600烟煤煤气产率：6%~17%℃③半焦﹤一般煤阶↗，半焦↗﹥例表2—3，煤阶↗，含C量↗，半焦↗。⑵产品成分：①焦油成分酚类：煤阶↗，含O量↘，酚↘。热解水：煤阶↗，含O量↘，热解水↘。②煤气成分：氨和硫化氢含量与煤中氨和硫的含量和形态有关。2.加热终温：100~120℃水分脱出﹥300℃析出挥发分、热解510~600℃低温干馏终温，适宜﹥600℃半焦开始向焦炭转化（H2↗，CH4↘，半焦↘，焦油↘，煤气↗，）3.加热速度：快速：低分子产物应当多，焦油产率高。慢速：固体残渣产率高。提高煤的加热速度能（产率）：半焦↘，焦油↗，煤气产率稍有↘。4.压力：一般P↗,焦油↘，半焦和气态产率↗，半焦强度↗。§2．4低温干馏主要炉型1.干馏设备的要求：2.干馏供热方式：⑴外热式(由炉墙外部传入热量)效率高、加热均匀、操作方便可靠、过程易控、原料煤类别宽、粒度尺寸范围大、二次热解作用小、缺点：热导率小，加热不均匀，半焦质量不均、二次热解加深、焦油产率降低(a)外热式供热示意图煤半焦半焦煤⑵内热式(借助热载体传热,载体和煤料直接接触)优点：热效率高、耗能低、加热均匀、简化干炉结构、缺点：煤料要求高（须是块状、粒度范围窄、）、气体载体稀释气态产物、固体热载体（热半焦、热瓷球）；气体热载体（热烟气）半焦煤气体热载体气态干馏产物及热载体(b)内热式供热示意图3.气流内热式炉：⑴沸腾床干馏炉(气流床∕沸腾床)①原料：﹤6mm粉煤加料：不黏结性煤螺旋给料器黏结性煤气流吹入法②供热：燃料气和空气燃烧热烟气③产品：⑵鲁奇三段炉（固定床）：①原料：褐煤块、型煤，20~80mm，非粘结性煤焦粉气体冷却系统旋风分离器粉尘焦油、中油煤气满流管焦粉气体②流程（图2—3）：三段：干燥段、干馏段和冷却段图2--3气流内热式炉干馏流程烟气水余煤气气体燃料水焦油空气煤焦煤槽低温干馏段冷却段干馏炉干燥段燃烧室初冷器电捕焦油器冷却器分离器§2.5立式炉生产城市煤气1.原料煤：弱黏结性、一定块度﹤75mm2.外热式立式炉（图2-5）3.立式炉生产城市煤气流程（图2-6）§2.6固体热载体干馏工艺1.外热式及气流内热式的缺点⑴外热式干馏传热慢，生产能力小⑵气流内热式只能处理块状煤料，干馏气态产物混入气态惰性气体热值低2.托斯考（Toscoal）工艺⑴原料：非黏结性煤和弱黏结性煤（预先破黏）⑵产品：煤气：热值高（符合中热值城市煤气需求）焦油：（加氢可转化为合成原油）半焦：有一定挥发分（可作发电厂燃料或制成无烟燃料）⑶托斯考干馏非黏洁性煤的流程（图2-7）①流程回转筛分离塔半焦冷却器瓷球提升管干馏转炉瓷球加热器预热提升管煤槽旋风器洗尘器图2--7Toscoal法工艺流程热煤热球粗焦油粗煤气瓷球瓷球半焦空气煤气烟气煤气固分离器煤半焦冷却器半焦半焦粗焦油粗煤气分离塔气固分离器半焦煤气热球煤气空气瓷球加热器瓷球提升管瓷球回转筛热煤干馏转炉烟气洗尘器旋风器预热提升管煤槽图2--7Toscoal法工艺流程框图②工艺特点及要求a.原料粒度﹤12.7mm，瓷球粒度略大于此，半焦﹤6.3mmb.干燥预热预热温度﹤解热温度c.干馏温度430～540℃﹤430℃焦油与煤气产率↓﹥540℃二次解热↑焦油产率↓半焦挥发分﹤16%，可满足要求430～540℃T↑焦油产率↑含焦油焦粉酚水焦油水水蒸汽空气循环气水灰渣重油空气粉焦粉焦干煤风机烟气烟气干煤燃烧炉粉煤机给料器混合器粉焦冷却器粉焦加热提升管煤干燥管干馏槽加热器热粉焦旋风器干煤旋风器热烟气煤槽图2--8-175工艺流程3.ETCH粉煤快速热解工艺⑴装置流程⑵工艺特点及要求①煤干燥阶段（110~150℃）和煤预热阶段（300~400℃）之前采用气体热载体②由热解开始到600~650℃阶段采用固体热载体③固体热载体温度为800℃左右④原料：褐煤⑤产品：焦油中含有较多含氧化合物，其性质不稳定。图2--9褐煤干馏流程煤干燥提升管干煤槽给煤机干馏槽半焦加热提升管热半焦集合槽空气加热器旋风器旋风器初冷器电除尘器冷却器去煤干燥烟气干馏煤气中油水半焦空气煤气或油半焦干煤4.鲁奇鲁尔煤气工艺（LR工艺）原料：褐煤或烟煤LR褐煤干馏流程（图2-9）5.中国褐煤干馏试验⑴工艺特点及要求①原料褐煤、粒度0~5mm；②热载体焦粉、温度700~750℃；③热载体提升气燃烧炉的热烟气④干馏温度范围450~670℃；⑤产品半焦：灰分不高，热值高，反应性好，比电阻大图2--10大连理工大学新法干馏实验流程煤气空气褐煤烟气半焦煤气焦油水混合器干馏槽滤尘器燃烧炉提升管集合槽冷却器干燥器冷冻器抽气机半焦槽旋风器⑵实验装置原料煤处理、干馏、流化半焦提升、焦油煤气回收系统⑶实验流程（图2-10）§3、炼焦§3．1概述§3．3配煤和焦炭质量§3．1概述1.炼焦煤在焦炉内隔绝空气、加热到1000℃左右、可获得焦炭和化学产品和煤气的过程（又称高温干馏、炼焦）.2.炼焦产品⑴焦炭90%用于高炉炼铁，其余用于机械工业、铸造、电石生产原料、气化以及有色金属冶炼。⑵化学产品硫酸铵、吡啶碱、苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽、沥青等。用于化学肥料、农药、合成纤维的原料、塑料等。⑶煤气可用来合成氨、生产化学肥料或用做加热燃料。3.炼焦炉的进展⑴煤成堆、窑式土法炼焦将煤置于地上或地下的窑中，依靠干馏时产生的煤气和部分煤的直接燃烧产生的热量来炼制焦炭，称为土法炼焦。土法炼焦成焦率低，焦炭灰分高，结焦时间长，化学产品不能回收，综合利用差。⑵倒焰式将成焦的炭化室和加热的燃烧室分开的焦炉，隔墙上设有通道，炭化室内煤干馏时产生的煤气经此流入燃烧室内，同来自炉顶的通风道内的空气混合，白上而下的边流动边燃烧，故称为倒焰式焦炉。干馏时所需热量从燃烧室经炉墙传给炭化室内的煤料。⑶废热式将炭化室和燃烧室完全隔开，炭化室内生产的荒煤气送到回收车间分离出化学产品后，再送回燃烧室内燃烧或民用。燃烧后产生的高温废气直接从烟囱排出。⑷蓄热式高温烟气先经蓄热室后降温，热量用来预热空气等。3.3配煤和焦炭质量1.配煤的目的和意义⑴配煤：就是将两种以上的单种煤料，按适当比例均匀配合，以求制得各种用途所要求的焦炭质量。⑵焦煤炼焦的缺点（单种煤炼焦）焦煤储量不足推焦困难，容易损坏炉墙焦煤挥发分少，炼焦化学产品产率小⑶合理配煤的优势提高焦炭质量扩大炼焦煤源，合理利用煤炭资源增加炼焦化学产品产率等2.炼焦用煤气煤（QM）、肥煤（FM）、焦煤（JM）、瘦煤（SM）及中间过渡性牌号煤。⑴气煤挥发性最大，黏结性差炼焦产品特点：焦炭碎、强度低、推焦易；可得较多化学产品⑵肥煤挥发份较高，灰分高，黏结性最好但结焦性差。炼焦产品特点：焦炭碎、强度低、推焦难；可提高化学产品产率和煤气产率。⑶焦煤挥发分适中（＜肥煤），黏结性高，灰分高炼焦产品特点：焦炭块大，强度高，推焦困难⑷瘦煤挥发分低，黏结性差炼焦产品特点：焦炭块大，抗碎强度高，耐磨性差（易成焦粉）；化学产品产率和煤气产率低。×⑸贫煤没有黏结性，不结焦，不能单独炼焦；配煤中可起瘦化剂的作用。3.配煤的工艺指标⑴配煤的工业分析①水分（一般＜10%，焦化厂8%~10%）水分高的不利影响：焦炉升温慢，延长结焦时间，影响炉体寿命；影响装炉煤堆密度ρ（图3-7随水分