煤化工工艺学

河河西西学学院院 HexiUniversity 煤煤 化化 工工 工工 艺艺 学学 学学院院 化学化工学院 专专业业__化学工程与工艺 学学号号 2014210027 姓姓名名 王伟 煤化工现状及其发展趋势煤化工现状及其发展趋势 1 1 引言引言 我国能源结构特点是富煤贫油少气。虽然近年来新能源技术得到发展,但无法改 变缺少油气资源的状况,因此,发展煤化工技术十分重要。 煤化工技术是指通过化学过 程,把煤转化为燃料、化工原料和化学产品的一种技术,主要分为热加工和催化加工, 根据工艺条件的不同,可以生产出固-液-气 3 种形态的产品。 煤不仅仅用作矿物能源, 还可作为制备化工产品的原料,并且冶金用的焦炭、化工原料中的萘、蒽等多环化合 物主要来源于煤化工。 18 世纪后半叶,为生产冶金用焦和煤气,煤化工开始发展。 1792 年,苏格兰默多克 干馏烟煤产生了煤气。 18501860 年,法国及欧洲其他国家相继建立了炼焦厂,19 世纪形成完整的煤化 工体系。中国第一座焦化厂是 1925 年在石家庄建设的。 纳粹德国为了准备第二次世界大战,大规模推广了利用煤获得液态燃料的技术。 1923 年,费歇尔提出费托合成法。1931 年,柏吉斯提出煤直接液化技术。 近代以石油和天然气作为化工基础,减轻了煤化工的作用。而 20 世纪 70 年代, 因为世界范围石油涨价,煤的产出更为丰富,使煤化工得到重视,促进了欧美等国对煤 化工的研究,开发了一些新技术,其中已投入实际生产的大多在中国和南非。 随着经济发展带来的对能源的需求增加,使得现代新型煤化工得到重视和发展。 由于传统炼焦产业产能开始过剩,故煤化工产业结构需要改变,新型煤化工产品,如烯 烃、二甲醚、乙二醇等在化工方面应用广泛。发展新型煤化工产业不仅能更充分利用 煤炭,而且能扩展煤炭的产业链,从而实现煤炭行业更健康的发展。 1 1 发展现状发展现状 按照煤化工目标产品类型的不同,可分为传统型煤化工和新型煤化工。传统型煤 化工的产物主要用于农业、钢铁冶炼等行业。新型煤化工与传统型煤化工的区别在于 产物销售的对象和生产过程的条件不同 ,新型煤化工同时生产化工行业基础原料 ,如 天然气、油、烯烃、甲醇等。当该产品需求量很大时,可以使用价格便宜的褐煤作为 制造原料,以改善煤炭的经济效益,保障资源的供给。在我国的发展建设阶段,新型煤 化工技术作为一种国家的战略技术储备得到了国家政策的支持。 2015 年 4 月 27 日,国家能源局发布煤炭清洁高效利用行动计划20152020 年。该计划中提出的在今后 5 年内需要完成的几个主要目标中就有“现代煤化工 产业化示范取得阶段性成果,形成更加完整的自主技术和装备体系”。按目前,煤化工 技术所得产品可分为炼焦、煤气化和煤液化技术。 1.1 炼焦 炼焦是对于特定煤种的,其中有机质的结构是以芳香族稠环为主体,周围连接 侧链和官能团的大分子,通过高温干馏在隔绝空气条件下加热到 1 000℃左右。 在加热过程中大分子受热分解,支链持续裂解。 按照分子量从大到小,裂解所得的物 质液态向气态转变,熔点高的和剩余未裂解的大分子呈固态,相互渗透组成胶质体。 在温度升高的过程中气态和液态逐渐消失,固体颗粒膨胀后收缩,产生内部有气孔 和裂纹的焦炭。 在加热过程中,炼焦煤发生热分解和结焦反应过程中,通常会得到焦 炭、煤焦油、煤气等。 炼焦生产行业是煤化工产业最为成熟、最为重要的行业之一。2010 年,全国炼焦 精煤统计产量 60 792 万 t。对炼焦煤来说,其主要用途是加工成焦炭提供给钢铁行业 作为生产原料。由市场的供需关系可知,现在炼焦煤的需求量和价格受焦炭和钢铁市 场的影响,因此,钢铁和焦炭产业链的规模和盈亏状况会对炼焦煤的生产起导向作用。 随着近年国家经济增涨速度的放缓,对钢材需求的增长逐渐减少,虽不利于炼焦产业 扩张,但有利于调整产业结构,淘汰落后产能。 1.2 煤气化 煤气化是在一定的温度和压力下,原料煤与氧化剂包括空气、 氧气、 水蒸汽等 发生化学反应,原料煤中含有的有机结构断裂转变为气态的小分子的过程。这里的 煤气是一种混合的可燃性气体,包括一氧化碳、氢气、甲烷和未参与反应的气体。 煤气化过程中发生了复杂的多相物理化学反应,主要原料煤中固体炭与气体中各组 分之间发生相互作用。在此过程中,煤先干燥脱去水分,然后高温干馏、热解得到气 体,固体炭和二氧化碳间进行还原和氧化。 通过煤气化,对原料煤中所有的有机质全 部加以利用,从而可得到丰富的化学工业原料。 从资源利用的角度来看,煤气化是将 煤中无用的固体物质去除,并将煤炭中的有机质转化为气体的过程,其产物可以作 为工业燃料、城市煤气和化工原料。 煤气化炉是煤气化过程的主要设备,包括移动床气化炉、沸腾床气化炉、气流床 气化炉及熔融床气化炉。 1移动床气化炉。气化过程是连续进行的,燃料从气化炉顶部进入、形成的灰渣 从底部排出,燃料床层以缓慢的速度向下移动。 2沸腾床气化炉。 炉内有向上的气流,加大气流速率,颗粒之间的空隙开始增大, 床层膨胀,气流速率增加到一定限度时,颗粒全部处于悬浮状态,颗粒留在床层内一定 范围扰动但不脱离,此时床层的状况叫固体流态化,又称流化床。 3气流床气化炉。与沸腾床气化炉相比,气流床气化炉气流速率更大,粒度较小 的颗粒会被气流带出。 4熔融床气化炉。燃料和气体一起导入炉内,固气混合物与熔融的炉渣、金属或 盐接触,发生气-固-液三相反应,使固体气化,产物气体由炉顶导出,液态灰渣则和熔 融物一起溢流出气化炉。 处于研究阶段的煤气化技术为催化气化,又称温和气化,是一种理想的概念设计。 其目的是在催化剂作用下,降低气化反应所需的温度并提高气体产物中甲烷含量。现 在已经有研究人员对纸浆黑液煤浆CBLS和水煤浆CWS进行气化研究,将纸浆黑液 中的无机组分用作煤气化的催化剂。该催化气化技术存在一些问题需要进一步研究, 如催化剂作用原理、碱金属腐蚀、催化剂回收等。 1.3 煤液化 通过煤液化可以得到液体燃料或者液体化工原料。分为直接液化和间接液化,区 别在于是否有中间产品。 煤的直接液化是指原料煤在一定的温度、压力及催化剂的作用下,有机大分子链 加氢裂化成小分子的液体烃类,并生成少量气体烃的过程。 在此过程中,原料煤中所含 的氮、 氧和硫等被除去。 直接液化对煤质的要求为中等变质程度的煤种,挥发分37, 灰分10,碳氢比越高越好,但要求氧的含量尽可能低,芳香度80。 直 接液化的催化剂分 2 种廉价且一次性使用的,主要为铁系催化剂;价格高、可重复使 用的,如镍、钼、钴等。 间接液化是在一定的温度和压力下,固体的原料煤产生 H2和 CO 气体,该气体在催 化剂、一定温度和压力作用下生成汽油。煤间接液化的一般步骤1煤的气化;2 合成气的转变;3粗合成气的转变;4合成反应;5合成气的加工。 我国的石油储备资源少于煤炭,地区间分布不平衡,石油的需求量随着经济的发 展在增长。我国的资源储藏结构,使我国的能源始终依赖于煤炭。根据预测,我国对进 口石油的依赖度,2020 年将达 50,2030 年将达到