《煤化工工艺学》教案

《煤化工工艺学》教案中文名称：煤化工工艺学英文名称：ChemicalTechnologyofcoal授课专业：化学工艺学时：32一、课程的性质和目的：煤化工工艺学是煤化工专业学生的专业课，是为了适应现代化工行业的发展需要，培养具有化工设计基本思想和产品开发能力的专门人才，为毕业生尽快适应就业后工作要求、今后进一步的学习而设立的。可供从事煤化工利用专业设计、生产、科研的技术人员及有关专业师生参考。通过对煤低温干馏、炼焦、炼焦化学产品回收和精制、煤的气化、煤的间接液化、煤的直接液化、煤的碳素制品和煤化工生产的污染和防治等的生产原理、生产方法、工艺计算、操作条件及主要设备等的介绍，使学生具备煤化工工艺学的坚实基础，对煤化学工业的原料选择、工艺路线的选择、典型单元操作及化工工艺的实现等有深刻的理解，具备对工艺过程进行分析、改进、开发新产品等能力，以掌握煤化工工艺的开发思想和思路为重点，增强其独立思考的能力、分析问题、解决问题的能力，为学生就业和进一步的发展奠定良好基础。二、课程的教学内容、各章内容及相应学时数本课程由下列7章组成：1章绪论1学时2章煤的低温干馏5学时3章炼焦8学时4章炼焦化学产品的回收与精制6学时5章煤的气化6学时6章煤间接液化4学时7章煤直接液化2学时根据本课程的特点，组成为下列内容：1绪论§1．1煤炭资源§1．2煤化工发展简史§1．3煤化工的范畴§1．4本书简介了解煤化工工业发展历史、煤化工工业在国民经济中的地位，煤化工发展趋势。掌握化学加工工业的基本概况、特点，掌握石油、煤、天然气等能源概况。重点：煤化工的范畴。引言：煤化学工业是以煤为原料经过化学加工实现煤综合利用的工业，简称煤化工。煤化工包括炼焦化学工业、煤气工业、煤制人造石油工业、煤制化学品工业以及其他煤加工制品工业等。、煤化工行业发展现状：1.煤炭逐步由燃料为主向燃料和原料并举过渡;2.近些年来，基于煤炭气化的新型煤化工得到了快速发展;3.十一五期间，在煤炭液化、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气等方面的示范工程取得了阶段性成果。煤化工发展趋势。1.产业结构调整与升级：从长远看，钢铁行业受出口疲软、房地产下行影响，库存增加，利润和开工率下降，焦炭和兰炭行业的需求和利润空间受到影响;合成氨\尿素、甲醇等产业产能过剩，因此，传统煤化工行业面临落后产能淘汰、技术升级换代。2.环境保护要求煤化工走清洁生产：更加严格的排放标准;落后技术的淘汰如常压固定床气化技术;水资源消耗的减量化：空冷技术、中水回用;粉尘治理、有机废水处理和脱硫脱硝技术的应用。3.能源效率提高：煤炭分级利用：焦油--固体燃料--化工产品;煤炭多联产：电力、热力、化工产品;工程设计的进一步优化;节能技术的应用。4.煤化工对石油化工替代性增强：煤气化的平台技术继续多样化与成熟化;煤化工产品技术多样化如芳烃、乙醇等;已有技术的继续进步：煤焦油的分离、加氢;乙二醇技术成熟;煤制烯烃、煤制油、煤制天然气等产业快速发展。§1．1煤炭资源煤是地球上能得到的最丰富的化石燃料。按探明储量世界煤炭资源的储量、密度，北半球高于南半球，特别是高度集中在亚洲、北美洲和欧洲的中纬度地带，合占世界煤炭资源的96%，按硬煤经济可采储量计，以中国(占11%)、美国(占23.1%)和俄罗斯最为丰富，次为印度、南非、澳大利亚、波兰、乌克兰、德国等9国共占90%。中国1991年末煤炭探明储量为9667亿吨，其中山西、内蒙古和陕西分别占27%、21%和16%。§1．2煤化工发展简史18世纪末，煤用于生产民用煤气。1792年，苏格兰人W.默多克用铁甑干馏烟煤，并将所得煤气用于家庭照明。1812年，这种干馏煤气首先用于伦敦街道照明，随后世界一些主要城市也相继采用。1816年，美国巴尔的摩市建立了煤干馏工厂生产煤气。从此，铁甑干馏煤的工业就逐步得到发展。第一次世界大战期间，钢铁工业高速发展，同时作为火炸药原料的氨、苯及甲苯也很急需，这促使炼焦工业进一步发展，并形成炼焦副产化学品的回收和利用工业。1925年，中国在石家庄建成了第一座焦化厂，满足了汉冶萍炼铁厂对焦炭的需要。1920～1930年间，煤低温干馏的研究得到重视并较快发展，所得半焦可作民用无烟燃料，低温干馏焦油则进一步加工成液体燃料。1934年，在中国上海建成拥有直立式干馏炉和增热水煤气炉的煤气厂，生产城市煤气。第二次世界大战后，由于大量廉价石油和天然气的开采，除炼焦工业随钢铁工业的发展而不断发展外，工业上大规模由煤制取液体燃料的生产暂时中止，不少工业化国家用天然气代替了民用煤气。以石油和天然气为原料的石油化工飞速发展，致使以煤为基础的乙炔化学工业的地位大大降低。1973年中东战争以及随之而来的石油大幅度涨价，使由煤生产液体燃料及化学品的方法又重新受到重视。欧美等国对此又进行了开发研究工作，并取得了进展。如在煤直接液化的方法中发展了氢煤法、供氢溶剂法(EDS)和溶剂精炼煤法(SRC)等；在煤间接液化法中发展了SASOL法，将煤气化制得合成气,再经合成制取发动机燃料；亦可将合成甲醇再转化生产优质汽油，或直接作为燃料甲醇使用。由于石油的消耗量大，而煤的资源极为丰富，煤化工将得到进一步的发展。基于中国油气匮乏、煤炭资源相对丰富，中国煤化学工业将有所发展。特别是新型煤化工，依靠技术革新，可实现石油和天然气资源的补充及部分替代。2009年，煤制油、煤制烯烃、煤制天然气和煤制乙二醇等被国家发改委确定为重点示范发展方向。发电、工业锅炉和民用煤占全部煤炭开采量的80%左右，多为直接燃烧，大多利用率较低、污染严重。为了有效、经济和合理地利用煤，中国需要发展煤转化技术，实现煤的综合利用。§1．3煤化工的范畴从煤加工过程区分，煤化工包括煤的干馏（含炼焦和低温干馏）、气化、液化、和合成化学品等，如图，图煤化工分类及产品示意图煤的气化是指煤在氧气不足的条件下进行部分氧化形成H2、CO等气体的过程。煤的液化是指将煤与H2在催化剂作用下转化为液体燃料（直接）或利用煤产生的H2和CO通过化学合成产生液体燃料或其他液体化工产品（间接）的过程。煤低温干馏，煤干馏方法之一，指采用较低的加热终温(500~600℃)，使煤在隔绝空气条件下，受热分解生成半焦、低温煤焦油(见煤焦油)、煤气和热解水过程。§1．4本书简介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理解煤的热解基本规律和特点。掌握低温干馏产品的种类，低温干馏主要炉型，影响干馏产品的因素，固体热载体干馏工艺。重点：低温干馏主要炉型，影响干馏产品的因素，固体热载体干馏工艺流程难点：固体热载体干馏工艺流程§2．1概述煤在隔绝空气条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程，称为煤干馏(或称炼焦、焦化)。按加热终温分：低温干馏：500~600℃中温干馏：700~900℃高温干馏：900~1100℃特点：常压，不用加氢，不用氧气；工艺过程简单，加工条件温和；投资少，生产成本低。原料：低阶煤§2．2低温干馏产品煤低温干馏产物的产率和组成取决于原料煤性质、干馏炉结构和加热条件。焦油产率为6~25%；半焦产率为50~70％；煤气产率为80~200m3／t(原料干煤)。2.2.1半焦低温干馏半焦的空隙率为30%~50%，反应性和比电阻都比高温焦炭高得多。原料煤的煤化程度越低，半焦的反应能力和比电阻越高。半焦的机械强度一般不高，低于高温焦炭。半焦块度与原料煤的块度、强度和热稳定性有关，也与干馏炉的结构、加热速度以及温度梯度有关。半焦和焦炭性质半焦用途：民用和动力燃料铁合金生产炭料（高比电阻0.35~20Ω·m，块度3~6mm）生产冶金型焦高炉炼铁的喷吹料粉矿烧结2.2.2煤焦油性质：黑褐色液体、密度0.95~1.1g/cm3、酚类35%、有机碱1~2%、烷烃2~10%、烯烃3~5%、环烷烃10%、中性含氧化合物20~25%、中性含氮化合物2~3%、沥青10%低温焦油比高温焦油轻，低温焦油中含有较多脂肪烃和环烷烃以及多烷基酚、二元酚和三元酚等化合物，故平均相对分子质量较低。用途：生产发动机燃料、酚类、烷烃及芳烃，由低温焦油提取的酚可以用于生产塑料、合成纤维、医药等产品。泥炭和褐煤焦油中含有大量的蜡类，是生产表面活性剂和洗涤剂的原料。低温焦油适于深度加工，经催化加氢可获得发动机燃料和其他产品。2.2.3煤气密度：0.9~1.2g/cm3组成：甲烷、其他烃类用途：本企业加热燃料和其他用途、民用煤气、化学合成原料§2．3干馏产品的影响因素低温干馏产品的产率和性质与原料煤性质、加热条件、加热速度、加热终温以及压力有关。干馏炉的形式、加热方法和挥发物在高温区的停留时间对产品的产率和性质也有重要影响。煤加热温度场的均匀性以及气态产物二次热解深度对其也有影响。通过实验获得不同种类褐煤低温干馏的焦油产率差别较大，烟煤低温焦油产率与结构有关，由气煤到瘦煤，随着变质程度增高焦油产率下降，腐植煤的低温干馏焦油产率一般较高。原料煤对低温干馏焦油的组成影响显著，因原料煤的性质不同，所产的低温焦油组成有较大差异。低温干馏的温度为600℃，所得焦油是煤的一次热解产物，称一次焦油。烟煤一次焦油的组成与泥炭和褐煤焦油的相同，但含量有明显差别。烟煤一次焦油内中性含氧化合物比褐煤焦油少。随着煤的变质程度增高，含氧量降低，焦油中酚类含量明显减少。煤气中氨和硫化氢含量与原料煤中氮和硫的含量及其形态有关。2.3.2加热终温煤干馏终温是产品产率和组成的重要影响因素，也是区别干馏类型的标志。随着温度升高，活化能大的热解反应发生有可能进行，生成多环芳烃产物，具有热稳定性。煤化程度高的煤，煤开始热解温度也高，其中东北泥煤160℃，褐煤200~290℃，长焰煤320℃，气煤320℃，肥煤350℃，焦煤360℃焦油形成约于550℃结束，故510-600℃为低温干馏的适宜温度。温度↑，焦油产率↓，酚类↓，烃类↓，中性含氧化合物↑，沥青烯↑，煤气产率↑，H2↑，半焦和焦油产率↓块度↑，焦油产率↓，煤气产率↑2.3.3加热速度速度↑，半焦产率↓，焦油产率↑，热解水产率↓，煤气产率↓2.3.4压力压力↑，半焦产率↑，焦油产率↓，煤气产率↑§2．4低温干馏主要炉型特点：受热：均匀，过程：易控，原料：类宽，粒径范围大，挥发物：二次热解作用小供热方式：外热式，内热式低温干馏煤料受热方式内热式低温干馏与外热式相比，有下述优点。2.4.1沸腾床干馏炉原料：粉煤，0~6mm设备：沸腾炉内热式；热载体：煤气燃烧所得烟气流程：粉煤沸腾床干馏法产物：煤气，中油，焦油，焦粉2.4.2气流式内热炉原料：块煤或型煤，20~80mm，非黏结性煤设备：鲁奇三段炉（干燥、干馏、焦炭冷却）内热式；热载体：煤气燃烧所得烟气流程：气流内热式干馏流程产物：煤气，焦油，焦炭2.4.3立式炉原料：块煤，75mm，一定的黏结性设备：外热式立式炉外热式；热源：发生炉煤气，回炉煤气产物：煤气，焦油，焦炭§2．5立式炉生产城市煤气特点：立式炉生产的煤气热值高原料：大同、抚顺弱黏煤设备：考伯斯立式炉外热式；热源：发生炉煤气，回炉煤气JLW、JLK、JLH-D型立式炉流程：立式炉生产城市煤气流程产物：干馏煤气，焦油，焦炭§2．6固体热载体干馏工艺特点：加热速度快载体与干馏气态产物分离易生产能力大焦油产率高煤气热值高适合粉煤干馏2.6.1托斯考工艺原料：非黏结性、弱黏结煤，直接使用黏结性煤，氧化破黏后使用12.7mm设备：干馏转炉内热式；热载体：热瓷球12.7mm流程：非黏结性煤Toscoal工艺，430~540℃产物：煤气，焦油，半焦6.3mm2.6.2ETCH粉煤快速热解工艺原料：粉煤设备：干馏炉；内热式热载体：热烟气或气固联合热载体2.6.2.14~6t/h实验原料：褐煤，1000kg热载体：半焦产物：半焦，328k焦油，42kg煤气，58m3，热值19.4MJ/m32.6.2.2ETCH-175实验原料：褐煤；水28~45%，干燥基灰分6~45%设备：干馏槽；内热式；热载体