第二章 煤炭氣化原理(new)

1、19第二章第二章 煤炭氣化原理煤炭氣化原理一一 煤氣化的主要化學(xué)反應(yīng)煤氣化的主要化學(xué)反應(yīng)二二 煤炭氣化熱力學(xué)煤炭氣化熱力學(xué)三三 煤炭氣化動(dòng)力學(xué)煤炭氣化動(dòng)力學(xué)五五 煤炭氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)煤炭氣化評(píng)價(jià)指標(biāo)四四 煤炭氣化方法分類煤炭氣化方法分類19 1.氣化護(hù)內(nèi)煤炭經(jīng)歷的過程有哪些氣化護(hù)內(nèi)煤炭經(jīng)歷的過程有哪些?有哪些基本有哪些基本反應(yīng)反應(yīng)? 在氣化爐內(nèi)，煤炭一般先后經(jīng)歷干燥、干餾、在氣化爐內(nèi)，煤炭一般先后經(jīng)歷干燥、干餾、氣化和燃燒幾個(gè)過程，不過因氣化爐類型、操作氣化和燃燒幾個(gè)過程，不過因氣化爐類型、操作溫度和壓力不同，這幾個(gè)過程進(jìn)行的速率和程度溫度和壓力不同，這幾個(gè)過程進(jìn)行的速率和程度不同，有時(shí)交叉進(jìn)行。

2、不同，有時(shí)交叉進(jìn)行。 (l)干燥干燥 干燥過程也是煤炭脫水過程，它是一個(gè)物理過干燥過程也是煤炭脫水過程，它是一個(gè)物理過程，原料煤加入氣化爐后，由于煤與熱氣流或熾程，原料煤加入氣化爐后，由于煤與熱氣流或熾熱的半焦之間發(fā)生熱交換，使煤中的水分蒸發(fā)變熱的半焦之間發(fā)生熱交換，使煤中的水分蒸發(fā)變成蒸汽進(jìn)入氣相。成蒸汽進(jìn)入氣相。19 (2)干餾干餾 干餾是脫除揮發(fā)分過程，當(dāng)干燥煤的溫度干餾是脫除揮發(fā)分過程，當(dāng)干燥煤的溫度進(jìn)一步提高，揮發(fā)物從煤中逸出。脫除揮進(jìn)一步提高，揮發(fā)物從煤中逸出。脫除揮發(fā)分一般也稱作煤的熱分解反應(yīng)，它是所發(fā)分一般也稱作煤的熱分解反應(yīng)，它是所有氣化工藝共同的基本反應(yīng)之一。有氣化工藝共同

3、的基本反應(yīng)之一。19 說明：說明： 在塊狀或大顆粒狀煤存在的固定床氣化過在塊狀或大顆粒狀煤存在的固定床氣化過程中，熱解溫度較低，通常在程中，熱解溫度較低，通常在700以下。以下。 在粉煤氣化在粉煤氣化(沸騰床和氣流床沸騰床和氣流床)工藝中，煤炭工藝中，煤炭中水分的蒸發(fā)、煤熱解以及煤粒與氣化劑中水分的蒸發(fā)、煤熱解以及煤粒與氣化劑之間的化學(xué)反應(yīng)幾乎是同時(shí)并存，且在短之間的化學(xué)反應(yīng)幾乎是同時(shí)并存，且在短暫的時(shí)間內(nèi)完成。暫的時(shí)間內(nèi)完成。19 (3)氣化過程基本反應(yīng)氣化過程基本反應(yīng) 經(jīng)干餾后得到的半焦與氣流中的經(jīng)干餾后得到的半焦與氣流中的H2O,CO2, H2等反等反應(yīng)，生成可燃性氣體等產(chǎn)物，主要反應(yīng)有

4、以下一些應(yīng)，生成可燃性氣體等產(chǎn)物，主要反應(yīng)有以下一些 碳與水蒸氣的反應(yīng)碳與水蒸氣的反應(yīng) 在一定溫度下，碳與水蒸氣在一定溫度下，碳與水蒸氣之間發(fā)生下列非均相反應(yīng)之間發(fā)生下列非均相反應(yīng): 這是制造水煤氣的主要反應(yīng)，有時(shí)也稱水蒸氣分解這是制造水煤氣的主要反應(yīng)，有時(shí)也稱水蒸氣分解反應(yīng)，前一反應(yīng)也稱為水煤氣反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)均反應(yīng)，前一反應(yīng)也稱為水煤氣反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)。是吸熱反應(yīng)。19 (3)氣化過程基本反應(yīng)氣化過程基本反應(yīng) 碳與二氧化碳的反應(yīng)碳與二氧化碳的反應(yīng) 在氣化階段進(jìn)行的第二個(gè)重要非均相反應(yīng)為在氣化階段進(jìn)行的第二個(gè)重要非均相反應(yīng)為發(fā)生爐煤氣反應(yīng)，即碳與二氧化碳的反應(yīng)發(fā)生爐煤氣反應(yīng)，即碳

5、與二氧化碳的反應(yīng): 這是非常強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，必須在高溫條件這是非常強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，必須在高溫條件下才能進(jìn)行。下才能進(jìn)行。19 (3)氣化過程基本反應(yīng)氣化過程基本反應(yīng) 變換反應(yīng)變換反應(yīng) 該反應(yīng)稱為一氧化碳變換反應(yīng)，或稱水煤氣平衡反該反應(yīng)稱為一氧化碳變換反應(yīng)，或稱水煤氣平衡反應(yīng)。它是均相反應(yīng)，由氣化階段生成的應(yīng)。它是均相反應(yīng)，由氣化階段生成的CO與水蒸氣與水蒸氣之間的反應(yīng)。之間的反應(yīng)。 為了制取為了制取H2，需要利用這一反應(yīng)。，需要利用這一反應(yīng)。 由于該反應(yīng)易于達(dá)到平衡，通常在氣化爐煤氣出口由于該反應(yīng)易于達(dá)到平衡，通常在氣化爐煤氣出口溫度條件下，反應(yīng)基本達(dá)到平衡，從而該反應(yīng)決定溫度條件下，反應(yīng)基本

6、達(dá)到平衡，從而該反應(yīng)決定了出口煤氣的組成。了出口煤氣的組成。19 (4)燃燒燃燒 經(jīng)氣化后殘留的半焦與氣化劑中的氧進(jìn)行經(jīng)氣化后殘留的半焦與氣化劑中的氧進(jìn)行燃燒。由于上述碳與水蒸氣、二氧化碳之間燃燒。由于上述碳與水蒸氣、二氧化碳之間的反應(yīng)都是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，因此氣化爐內(nèi)的反應(yīng)都是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，因此氣化爐內(nèi)要保持高溫才能維持吸熱反應(yīng)的進(jìn)行。為了要保持高溫才能維持吸熱反應(yīng)的進(jìn)行。為了提供必要的熱量，通常采用部分煤燃燒的方提供必要的熱量，通常采用部分煤燃燒的方法提供，非均相反應(yīng)如下法提供，非均相反應(yīng)如下: 式中，式中， 是統(tǒng)計(jì)常數(shù)，取決于燃燒產(chǎn)物中是統(tǒng)計(jì)常數(shù)，取決于燃燒產(chǎn)物中CO和和CO2之比例，其

7、范圍在之比例，其范圍在12之間。之間。19 (5)煤中硫、氮的反應(yīng)煤中硫、氮的反應(yīng) 除了以上主要反應(yīng)外，氣化過程同時(shí)還有除了以上主要反應(yīng)外，氣化過程同時(shí)還有S、N等雜原子發(fā)生的反應(yīng)，其產(chǎn)物會(huì)引起腐蝕和等雜原子發(fā)生的反應(yīng)，其產(chǎn)物會(huì)引起腐蝕和污染環(huán)境，因此必須通過凈化工藝將其脫除。污染環(huán)境，因此必須通過凈化工藝將其脫除。主要反應(yīng)如下主要反應(yīng)如下:19 2 2、煤炭氣化反應(yīng)的類型、煤炭氣化反應(yīng)的類型 煤炭氣化過程的反應(yīng)可分成兩種類型。煤炭氣化過程的反應(yīng)可分成兩種類型。1 1）非均相氣體固體反應(yīng)，氣相可以是最初的）非均相氣體固體反應(yīng)，氣相可以是最初的氣化劑，也可能是氣化過程的產(chǎn)物，固相是指煤氣化劑，也

8、可能是氣化過程的產(chǎn)物，固相是指煤中的碳。雖然煤具有很復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，和碳原中的碳。雖然煤具有很復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，和碳原子相連接著的還有氫、氧等其它元素，但因?yàn)闅庾酉噙B接著的還有氫、氧等其它元素，但因?yàn)闅饣磻?yīng)往往發(fā)生在煤裂解之后，故只考慮煤中主化反應(yīng)往往發(fā)生在煤裂解之后，故只考慮煤中主要元素碳是合理的。要元素碳是合理的。2)2)均相的氣相反應(yīng)，反應(yīng)物可能是氣化劑，也均相的氣相反應(yīng)，反應(yīng)物可能是氣化劑，也可能是反應(yīng)產(chǎn)物?？赡苁欠磻?yīng)產(chǎn)物。19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 1.1.研究氣化過程熱力學(xué)的目的是什么研究氣化過程熱力學(xué)的目的是什么? ? 氣化過程熱力學(xué)主要研究氣化過程反氣化過程熱力學(xué)

9、主要研究氣化過程反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，以解決在某一條應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，以解決在某一條件下氣化反應(yīng)的可能性問題。件下氣化反應(yīng)的可能性問題。它只研究反應(yīng)過程的始態(tài)和終態(tài)，不考它只研究反應(yīng)過程的始態(tài)和終態(tài)，不考慮由始態(tài)到達(dá)終態(tài)的途徑，也不涉及氣慮由始態(tài)到達(dá)終態(tài)的途徑，也不涉及氣化反應(yīng)的機(jī)理和反應(yīng)速度?；磻?yīng)的機(jī)理和反應(yīng)速度。19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 上式表明，反應(yīng)焓在恒壓下對(duì)溫度上式表明，反應(yīng)焓在恒壓下對(duì)溫度T T的導(dǎo)數(shù)在數(shù)值上等于的導(dǎo)數(shù)在數(shù)值上等于產(chǎn)物與反應(yīng)物恒壓熱容之差。若知道產(chǎn)物與反應(yīng)物恒壓熱容之差。若知道C CP P隨隨T T的變化

10、關(guān)系，的變化關(guān)系，就可以通過積分求解就可以通過積分求解1 1212119二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) A A，圖解法，圖解法B B，19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 利用式利用式(1-22 )(1-22 )，只要知道一個(gè)溫度下的反應(yīng)焓，就可求，只要知道一個(gè)溫度下的反應(yīng)焓，就可求得其他任何溫度下的反應(yīng)焓。得其他任何溫度下的反應(yīng)焓。在應(yīng)用克希霍夫公式積分時(shí)，要注意在積分的溫度范圍在應(yīng)用克希霍夫公式積分時(shí)，要注意在積分的溫度范圍內(nèi)不能有相變化。有相變?cè)趺崔k？?jī)?nèi)不能有相變化。有相變?cè)趺崔k？19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 3.3.氣化反應(yīng)平衡常數(shù)的概念及表達(dá)方式是什么氣化反應(yīng)平

11、衡常數(shù)的概念及表達(dá)方式是什么? ? 嚴(yán)格地講，許多氣化反應(yīng)都不是不可逆反應(yīng)，嚴(yán)格地講，許多氣化反應(yīng)都不是不可逆反應(yīng)，而是可逆反應(yīng)。在這些可逆反應(yīng)中，反應(yīng)不可能全而是可逆反應(yīng)。在這些可逆反應(yīng)中，反應(yīng)不可能全部達(dá)到完全平衡。部達(dá)到完全平衡。 在一般工業(yè)氣化操作條件下，除了水煤氣變換在一般工業(yè)氣化操作條件下，除了水煤氣變換反應(yīng)外，其它的氣化反應(yīng)很難達(dá)到平衡狀態(tài)，有的反應(yīng)外，其它的氣化反應(yīng)很難達(dá)到平衡狀態(tài)，有的甚至離平衡狀態(tài)還相當(dāng)遠(yuǎn)。甚至離平衡狀態(tài)還相當(dāng)遠(yuǎn)。但是，研究其平衡狀態(tài)，可掌握反應(yīng)進(jìn)行的方向和但是，研究其平衡狀態(tài)，可掌握反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，并且通過對(duì)反應(yīng)條件的控制，使反應(yīng)朝著需限度，并且通過

12、對(duì)反應(yīng)條件的控制，使反應(yīng)朝著需要的方向進(jìn)行，并從理論上預(yù)示產(chǎn)物所能達(dá)到的最要的方向進(jìn)行，并從理論上預(yù)示產(chǎn)物所能達(dá)到的最大限度和反應(yīng)物所必需的消耗量。大限度和反應(yīng)物所必需的消耗量。19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 19二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué) 19 注意：注意： KP的常數(shù)性質(zhì)僅適用于理想氣體的化學(xué)反的常數(shù)性質(zhì)僅適用于理想氣體的化學(xué)反應(yīng)。應(yīng)。KP的大小決定于反應(yīng)的本性和溫度，的大小決定于反應(yīng)的本性和溫度，與總壓以及各物質(zhì)的平衡分壓無(wú)關(guān)。與總壓以及各物質(zhì)的平衡分壓無(wú)關(guān)。 KP的數(shù)值與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)的數(shù)值與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān);P1

13、8 某些情況下某些情況下KP的數(shù)值還與所用壓強(qiáng)的單位的數(shù)值還與所用壓強(qiáng)的單位有關(guān)。有關(guān)。P18二、氣化過程熱力學(xué)二、氣化過程熱力學(xué)19溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響419溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響194 4、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響194 4、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響 在文獻(xiàn)中一般只能查到各種化合物在在文獻(xiàn)中一般只能查到各種化合物在298K298K時(shí)的時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和標(biāo)準(zhǔn)熵，因此只標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和標(biāo)準(zhǔn)熵，因此只能根據(jù)這些數(shù)據(jù)算出在能根據(jù)這些數(shù)據(jù)算出在298K298K時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)的值。的值

14、。但在實(shí)際問題中化學(xué)反應(yīng)往往都不是在這個(gè)溫但在實(shí)際問題中化學(xué)反應(yīng)往往都不是在這個(gè)溫度下發(fā)生的，所以需要討論溫度對(duì)平衡常數(shù)的度下發(fā)生的，所以需要討論溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響。溫度對(duì)平衡常數(shù)影響的公式為影響。溫度對(duì)平衡常數(shù)影響的公式為范特霍夫微分式范特霍夫微分式194 4、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響按照式按照式1 12222（P16P16）進(jìn)行積分，可得：進(jìn)行積分，可得：19舉例舉例molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .1732219舉例舉例可以看到可以看到, ,隨著溫度變化，其還原產(chǎn)物隨著溫度變化，其還原產(chǎn)物CO CO 的組成隨的組成隨著溫度升高而增加；

15、溫度越高，一氧化碳平衡濃度著溫度升高而增加；溫度越高，一氧化碳平衡濃度越高。當(dāng)溫度升高到越高。當(dāng)溫度升高到10001000時(shí)，時(shí)，CO CO 的平衡組成的平衡組成為為99.1%99.1%。在前面提到的其它可逆反應(yīng)中，有很多是放熱反應(yīng)，在前面提到的其它可逆反應(yīng)中，有很多是放熱反應(yīng)，溫度過高對(duì)反應(yīng)不利。溫度過高對(duì)反應(yīng)不利。19舉例舉例在此反應(yīng)中，如有在此反應(yīng)中，如有1%CO 轉(zhuǎn)化為甲烷，則氣體的絕轉(zhuǎn)化為甲烷，則氣體的絕熱溫升為熱溫升為60607070。在合成氣中。在合成氣中CO 的組成大約為的組成大約為3030%左右，因此，反應(yīng)過程中必須將反應(yīng)熱及時(shí)移左右，因此，反應(yīng)過程中必須將反應(yīng)熱及時(shí)移走，使

16、得反應(yīng)在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，以確保不走，使得反應(yīng)在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，以確保不發(fā)生由于溫度過高而引起催化劑燒結(jié)的現(xiàn)象發(fā)生。發(fā)生由于溫度過高而引起催化劑燒結(jié)的現(xiàn)象發(fā)生。19npbBaAdDcCxpKxxxxK119在下列反應(yīng)中：在下列反應(yīng)中：反應(yīng)后氣體體積或分子數(shù)增加，如增大壓力，則使反應(yīng)后氣體體積或分子數(shù)增加，如增大壓力，則使平衡向左移動(dòng)，因此上述反應(yīng)適宜在減壓下進(jìn)行。平衡向左移動(dòng)，因此上述反應(yīng)適宜在減壓下進(jìn)行。19在氣化爐內(nèi)，在H2 氣氛中，CH4 產(chǎn)率隨壓力提高迅速增加，發(fā)生反應(yīng)為：上述反應(yīng)均為縮小體積的反應(yīng)，加壓有利于上述反應(yīng)均為縮小體積的反應(yīng)，加壓有利于CHCH4 4 生成，生成，

17、而甲烷生成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱可作為吸熱反而甲烷生成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱可作為吸熱反應(yīng)熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。也就是說，應(yīng)熱源，從而減少了碳燃燒中氧的消耗。也就是說，隨著壓力的增加，氣化反應(yīng)中氧氣消耗量減少。隨著壓力的增加，氣化反應(yīng)中氧氣消耗量減少。1919 若氣化爐截面積相同，常壓和加壓氣化爐的煤氣產(chǎn)量分別為V1和V2（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），則兩者在爐內(nèi)的速度之比在常壓氣化爐和加壓氣化爐中，假定帶出物的數(shù)量相等，則出爐煤氣動(dòng)壓頭相等，以w表示煤氣的實(shí)際流速，則氣化爐生產(chǎn)能力比較時(shí)有如下關(guān)系式：211221212112222211ppwwppwwww所以因19 對(duì)于常壓氣化爐，p1通常略

18、高于大氣壓，當(dāng)pl=0.1MPa，p2=2.5MPa，常壓、加壓爐的氣化溫度之比T1T2=1.1l.25，則由此式可得：V2/Vl=5.56.251221 1 2211212121212PPTTVVppTpVTpVVVww19高壓氣化時(shí)的平衡常數(shù)高壓氣化時(shí)的平衡常數(shù)在高壓情況下，實(shí)際氣體的性質(zhì)與理想氣體有在高壓情況下，實(shí)際氣體的性質(zhì)與理想氣體有很大的差別。因此，適用于低壓氣體反應(yīng)的平很大的差別。因此，適用于低壓氣體反應(yīng)的平衡常數(shù)衡常數(shù)K KP P的表達(dá)式就不再適用于高壓氣體。的表達(dá)式就不再適用于高壓氣體。為此引入逸度為此引入逸度19高壓氣化時(shí)的平衡常數(shù)高壓氣化時(shí)的平衡常數(shù)在在19高壓氣化時(shí)的平

19、衡常數(shù)高壓氣化時(shí)的平衡常數(shù)氣體逸度系數(shù)的計(jì)算可采用對(duì)比狀態(tài)法，即不同氣體氣體逸度系數(shù)的計(jì)算可采用對(duì)比狀態(tài)法，即不同氣體在相同的對(duì)比壓力在相同的對(duì)比壓力P PR R及對(duì)比溫度及對(duì)比溫度T TR R下有大致相同的逸下有大致相同的逸度系數(shù)。因此，可根據(jù)氣體的對(duì)比壓力度系數(shù)。因此，可根據(jù)氣體的對(duì)比壓力P PR R和對(duì)比溫度和對(duì)比溫度T TR R，由普遍化逸度系數(shù)圖查得氣體逸度系數(shù)。，由普遍化逸度系數(shù)圖查得氣體逸度系數(shù)。 如何求算高壓下的如何求算高壓下的KKP P值？值？KKKKRTGpffln196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡 （1）O.Boudouard研究結(jié)果4 .2121

20、000lnTkP196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡（2 2）碳與水蒸氣的反應(yīng)）碳與水蒸氣的反應(yīng)196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡強(qiáng)吸熱反應(yīng)，平衡常數(shù)？強(qiáng)吸熱反應(yīng)，平衡常數(shù)？溫度提高對(duì)兩反應(yīng)平溫度提高對(duì)兩反應(yīng)平衡常數(shù)的影響程度不衡常數(shù)的影響程度不同，原因？同，原因？196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平

21、衡（3 3）變換反應(yīng)）變換反應(yīng)在煤氣爐出口通常可以達(dá)到平衡在煤氣爐出口通?？梢赃_(dá)到平衡196 6、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡、主要?dú)饣磻?yīng)的化學(xué)平衡（3 3）碳的加氫反應(yīng)）碳的加氫反應(yīng)提高壓力或溫度，平衡？提高壓力或溫度，平衡？生產(chǎn)合成氣或燃料氣時(shí)采用的條件生產(chǎn)合成氣或燃料氣時(shí)采用的條件其它甲烷化反應(yīng)其它甲烷化反應(yīng)P30P30催化劑催化劑197 7、煤氣組成的熱力學(xué)計(jì)算方法、煤氣組成的熱力學(xué)計(jì)算方法 理論煤氣平衡組成的計(jì)算簡(jiǎn)述理論煤氣平衡組成的計(jì)算簡(jiǎn)述進(jìn)行煤氣平衡組成計(jì)算時(shí)，需要建立一方程組，進(jìn)行煤氣平衡組成計(jì)算時(shí)，需要建立一方程組，其中方程個(gè)數(shù)與需要求取的未知數(shù)相等。其中方程個(gè)數(shù)與需要求取的未知

22、數(shù)相等。由于涉及反應(yīng)很多，只能選擇對(duì)生成煤氣組成起由于涉及反應(yīng)很多，只能選擇對(duì)生成煤氣組成起決定性作用的反應(yīng)方程式，當(dāng)然對(duì)于不同的氣化決定性作用的反應(yīng)方程式，當(dāng)然對(duì)于不同的氣化方式其選擇也是不同的。方式其選擇也是不同的。把主要的反應(yīng)方程平衡關(guān)系式連同物料平衡和熱把主要的反應(yīng)方程平衡關(guān)系式連同物料平衡和熱量平衡方程式組成聯(lián)立方程組，然后求解。量平衡方程式組成聯(lián)立方程組，然后求解。1919氣固顆粒發(fā)生反應(yīng)的步驟氣固顆粒發(fā)生反應(yīng)的步驟 19 1919193 3多孔炭反應(yīng)速率隨溫度的變化多孔炭反應(yīng)速率隨溫度的變化低溫區(qū)低溫區(qū)溫度很低，反應(yīng)速度溫度很低，反應(yīng)速度很慢，表面反應(yīng)過程很慢，表面反應(yīng)過程是控制

23、步驟。此時(shí)表是控制步驟。此時(shí)表觀動(dòng)力學(xué)接近化學(xué)反觀動(dòng)力學(xué)接近化學(xué)反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)，保應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)，保持原來的反應(yīng)級(jí)數(shù)，持原來的反應(yīng)級(jí)數(shù)，速率常數(shù)和活化能。速率常數(shù)和活化能。中溫區(qū)中溫區(qū) 總過程的速率由表面反應(yīng)總過程的速率由表面反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散所控制，稱內(nèi)擴(kuò)和內(nèi)擴(kuò)散所控制，稱內(nèi)擴(kuò)散區(qū)。氣相反應(yīng)劑在顆粒散區(qū)。氣相反應(yīng)劑在顆粒內(nèi)部滲人深度遠(yuǎn)小于顆粒內(nèi)部滲人深度遠(yuǎn)小于顆粒半徑半徑R R，化學(xué)反應(yīng)在炭，化學(xué)反應(yīng)在炭粒表面和較淺薄層中進(jìn)行。粒表面和較淺薄層中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表觀活化能為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表觀活化能為真實(shí)活化能的一半真實(shí)活化能的一半 高溫區(qū)高溫區(qū)反應(yīng)速度由外擴(kuò)散控制，也即反應(yīng)速度由外擴(kuò)散控制，也即由反

24、應(yīng)劑或產(chǎn)物通過固體表面由反應(yīng)劑或產(chǎn)物通過固體表面的滯流邊界層的擴(kuò)散控制，稱的滯流邊界層的擴(kuò)散控制，稱外擴(kuò)散區(qū)。因化學(xué)反應(yīng)速率在外擴(kuò)散區(qū)。因化學(xué)反應(yīng)速率在高溫下大大加快，故反應(yīng)劑物高溫下大大加快，故反應(yīng)劑物質(zhì)的量濃度在固體表面已接近質(zhì)的量濃度在固體表面已接近為零。表觀動(dòng)力學(xué)接近擴(kuò)散動(dòng)為零。表觀動(dòng)力學(xué)接近擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溫度的變化力學(xué)。擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溫度的變化并不敏感。并不敏感。在動(dòng)力區(qū)和內(nèi)擴(kuò)散區(qū)之間在動(dòng)力區(qū)和內(nèi)擴(kuò)散區(qū)之間有一過渡區(qū)有一過渡區(qū)a;a;在內(nèi)擴(kuò)散區(qū)在內(nèi)擴(kuò)散區(qū)和外擴(kuò)散區(qū)之間有一過渡和外擴(kuò)散區(qū)之間有一過渡區(qū)區(qū)b b。在過渡區(qū)要確定總的過程在過渡區(qū)要確定總的過程速率必須同時(shí)考慮兩類過速率必

25、須同時(shí)考慮兩類過程速率的影響程速率的影響。194 4各控制區(qū)特征和速度方程各控制區(qū)特征和速度方程 分析表面過程的動(dòng)力學(xué)問題，要涉及每一步驟的分析表面過程的動(dòng)力學(xué)問題，要涉及每一步驟的動(dòng)力學(xué)問題，也就是說要同時(shí)解幾個(gè)動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)問題，也就是說要同時(shí)解幾個(gè)動(dòng)力學(xué)方程才能獲得總的表面過程的動(dòng)力學(xué)方程，這就提出才能獲得總的表面過程的動(dòng)力學(xué)方程，這就提出了一個(gè)如何解這些動(dòng)力學(xué)方程的問題。了一個(gè)如何解這些動(dòng)力學(xué)方程的問題。 在各步驟的反應(yīng)過程中，就各步驟的速度而言，在各步驟的反應(yīng)過程中，就各步驟的速度而言，有兩種情況有兩種情況: 一種是在連續(xù)反應(yīng)中各基元反應(yīng)彼此速率相差很一種是在連續(xù)反應(yīng)中各基元反應(yīng)彼

26、此速率相差很大，最慢的一個(gè)基元反應(yīng)的速率代表整個(gè)反應(yīng)的大，最慢的一個(gè)基元反應(yīng)的速率代表整個(gè)反應(yīng)的速度，這類反應(yīng)稱為有控制步驟的反應(yīng)速度，這類反應(yīng)稱為有控制步驟的反應(yīng); 另一種是各基元反應(yīng)彼此間的速率相差不大，此另一種是各基元反應(yīng)彼此間的速率相差不大，此類反應(yīng)叫無(wú)控制步驟反應(yīng)。但從這類反應(yīng)中每一類反應(yīng)叫無(wú)控制步驟反應(yīng)。但從這類反應(yīng)中每一個(gè)基元反應(yīng)的速率都可以代表整個(gè)反應(yīng)速率這個(gè)個(gè)基元反應(yīng)的速率都可以代表整個(gè)反應(yīng)速率這個(gè)意義上說，亦可稱為全是控制步驟的反應(yīng)。意義上說，亦可稱為全是控制步驟的反應(yīng)。194.14.1動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 1)存在控制步驟的動(dòng)力學(xué)方程存在控制步驟的動(dòng)力學(xué)方程 特點(diǎn)是特點(diǎn)是

27、:控制步驟的速率代表整個(gè)反應(yīng)的速控制步驟的速率代表整個(gè)反應(yīng)的速率，該步驟沒有達(dá)到平衡率，該步驟沒有達(dá)到平衡;其他非控制步驟其他非控制步驟均可認(rèn)為處于平衡態(tài)。均可認(rèn)為處于平衡態(tài)。 速率方程推導(dǎo)舉例：表面反應(yīng)為控制步速率方程推導(dǎo)舉例：表面反應(yīng)為控制步驟的情況驟的情況 這時(shí)吸附和脫附等步驟的速率非常快，在這時(shí)吸附和脫附等步驟的速率非?？欤诜磻?yīng)的每一瞬間，都可認(rèn)為處于平衡態(tài)。反應(yīng)的每一瞬間，都可認(rèn)為處于平衡態(tài)。19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 如：有下面的單分子不可逆反應(yīng)如：有下面的單分子不可逆反應(yīng):根據(jù)表面質(zhì)量作用定律，表面過程的基元反應(yīng)根據(jù)表面質(zhì)量作用定律，表面過程的基元反應(yīng)的反應(yīng)速度與反應(yīng)物在表面覆蓋

28、分?jǐn)?shù)成正比：的反應(yīng)速度與反應(yīng)物在表面覆蓋分?jǐn)?shù)成正比：表示在等溫和達(dá)到平衡時(shí)同固體表面相接觸的氣表示在等溫和達(dá)到平衡時(shí)同固體表面相接觸的氣相分壓與其吸附量之間的關(guān)系式稱為吸附平衡方相分壓與其吸附量之間的關(guān)系式稱為吸附平衡方程式，朗繆爾方程是其中常用的理論方程式程式，朗繆爾方程是其中常用的理論方程式19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 這樣，如果產(chǎn)物這樣，如果產(chǎn)物M的吸附很弱，對(duì)反應(yīng)物的吸附很弱，對(duì)反應(yīng)物A的吸的吸附影響可以忽略，則在附影響可以忽略，則在A的吸附達(dá)到平衡時(shí)：的吸附達(dá)到平衡時(shí)：所以所以19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 再如：兩種反應(yīng)物在表面上進(jìn)行雙分子不可逆反應(yīng)再如：兩種反應(yīng)物在表面上進(jìn)行雙分子不可逆反

29、應(yīng)根據(jù)質(zhì)量作用定律，所以根據(jù)質(zhì)量作用定律，所以2 219動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 1)不存在控制步驟的動(dòng)力學(xué)方程不存在控制步驟的動(dòng)力學(xué)方程沒有控制步驟的反應(yīng)，即在各連串基元反應(yīng)中沒有控制步驟的反應(yīng)，即在各連串基元反應(yīng)中每一步的反應(yīng)速率都差不多，其特點(diǎn)是反應(yīng)過每一步的反應(yīng)速率都差不多，其特點(diǎn)是反應(yīng)過程中任何一個(gè)基元步驟均未達(dá)到平衡，且其速程中任何一個(gè)基元步驟均未達(dá)到平衡，且其速率可以代表整個(gè)反應(yīng)的速率。例如在表面反應(yīng)率可以代表整個(gè)反應(yīng)的速率。例如在表面反應(yīng)中，吸附、表面反應(yīng)、脫附等步驟速率相近，中，吸附、表面反應(yīng)、脫附等步驟速率相近，吸附平衡沒有建立。吸附平衡沒有建立。不能用等溫吸附方程式，需要用定

30、態(tài)法求解不能用等溫吸附方程式，需要用定態(tài)法求解19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 例如，對(duì)于例如，對(duì)于CCO2，CH2O反應(yīng)，已知有反應(yīng)，已知有如下反應(yīng)機(jī)理：如下反應(yīng)機(jī)理：在穩(wěn)態(tài)條件下在穩(wěn)態(tài)條件下RO：CO，H2OR：產(chǎn)物(RO)：反應(yīng)物吸附在炭表面上(R)：產(chǎn)物吸附在炭表面上19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū)根據(jù)定態(tài)條件根據(jù)定態(tài)條件可以求出可以求出19動(dòng)力控制區(qū)動(dòng)力控制區(qū) 可見，當(dāng)反應(yīng)沒有控制步驟時(shí)，借助于定態(tài)法就可見，當(dāng)反應(yīng)沒有控制步驟時(shí)，借助于定態(tài)法就可得到具體形式的動(dòng)力學(xué)方程，而且這些方程在可得到具體形式的動(dòng)力學(xué)方程，而且這些方程在形式上類似于有控制步驟時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程。形式上類似于有控制步驟時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程

31、。 對(duì)于不同類型的反應(yīng)，都可根據(jù)其反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)出對(duì)于不同類型的反應(yīng)，都可根據(jù)其反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)出總的動(dòng)力學(xué)方程式，其一般形式為總的動(dòng)力學(xué)方程式，其一般形式為nw吸附數(shù)群推動(dòng)力動(dòng)力學(xué)系數(shù)194.24.2外擴(kuò)散控制區(qū)外擴(kuò)散控制區(qū) 在氣一碳反應(yīng)中，在氣固兩相之間的界面上有一在氣一碳反應(yīng)中，在氣固兩相之間的界面上有一層滯流邊界層。層滯流邊界層。 氣體反應(yīng)物從氣流主體到邊界層的傳質(zhì)是通過湍氣體反應(yīng)物從氣流主體到邊界層的傳質(zhì)是通過湍流擴(kuò)散方式進(jìn)行的。流擴(kuò)散方式進(jìn)行的。 通過滯流邊界層的傳質(zhì)則要靠在分子運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)通過滯流邊界層的傳質(zhì)則要靠在分子運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的分子擴(kuò)散的方式。上進(jìn)行的分子擴(kuò)散的方式。 湍流擴(kuò)散是一

32、種效率很高的傳質(zhì)方式，速度很快，湍流擴(kuò)散是一種效率很高的傳質(zhì)方式，速度很快，而分子擴(kuò)散的阻力很大，速率很慢，所以外擴(kuò)散而分子擴(kuò)散的阻力很大，速率很慢，所以外擴(kuò)散過程表示的總反應(yīng)速率取決于包圍在顆粒外表面過程表示的總反應(yīng)速率取決于包圍在顆粒外表面的滯流邊界層對(duì)傳質(zhì)的阻力。的滯流邊界層對(duì)傳質(zhì)的阻力。194.24.2外擴(kuò)散控制區(qū)外擴(kuò)散控制區(qū) 在討論外擴(kuò)散問題時(shí)，涉及兩個(gè)獨(dú)立的過程在討論外擴(kuò)散問題時(shí)，涉及兩個(gè)獨(dú)立的過程: 一個(gè)是表面反應(yīng)過程，速率方程可表示為一個(gè)是表面反應(yīng)過程，速率方程可表示為 194.24.2外擴(kuò)散控制區(qū)外擴(kuò)散控制區(qū) 在穩(wěn)定狀態(tài)下兩式相等，則有在穩(wěn)定狀態(tài)下兩式相等，則有194.34.

33、3內(nèi)擴(kuò)散控制區(qū)內(nèi)擴(kuò)散控制區(qū) 有些氣固反應(yīng)，如固體顆粒具有很高的孔隙率有些氣固反應(yīng)，如固體顆粒具有很高的孔隙率時(shí)，顆粒的內(nèi)表面將成為主要反應(yīng)表面。對(duì)于時(shí)，顆粒的內(nèi)表面將成為主要反應(yīng)表面。對(duì)于整個(gè)過程的速率受到表面反應(yīng)和質(zhì)量傳遞兩個(gè)整個(gè)過程的速率受到表面反應(yīng)和質(zhì)量傳遞兩個(gè)過程的影響。過程的影響。Cskwv)(fThiele模數(shù)模數(shù)195 5、主要?dú)饣磻?yīng)的速度控制區(qū)、主要?dú)饣磻?yīng)的速度控制區(qū) 氣化過程中，發(fā)生諸多反應(yīng)，一般歸納為氣化過程中，發(fā)生諸多反應(yīng)，一般歸納為碳的燃燒反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)、水碳的燃燒反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)、水蒸氣分解反應(yīng)、變換反應(yīng)和甲烷生成反應(yīng)蒸氣分解反應(yīng)、變換反應(yīng)和甲烷

34、生成反應(yīng)等五類進(jìn)行研究。等五類進(jìn)行研究。195.15.1炭的燃燒反應(yīng)炭的燃燒反應(yīng) 在高溫下碳和氧發(fā)生如下三個(gè)反應(yīng)在高溫下碳和氧發(fā)生如下三個(gè)反應(yīng):碳的燃燒反應(yīng)在所有氣化反應(yīng)中，速率是最大的。碳的燃燒反應(yīng)在所有氣化反應(yīng)中，速率是最大的。在溫度高于在溫度高于800800時(shí)，碳的燃燒反應(yīng)幾乎不可逆地時(shí)，碳的燃燒反應(yīng)幾乎不可逆地自左向右進(jìn)行。自左向右進(jìn)行。若提高反應(yīng)溫度或增大煤焦粒度，則反應(yīng)可趨于外若提高反應(yīng)溫度或增大煤焦粒度，則反應(yīng)可趨于外擴(kuò)散區(qū)。擴(kuò)散區(qū)。若降低反應(yīng)溫度或減小煤焦粒度，則反應(yīng)可趨于內(nèi)若降低反應(yīng)溫度或減小煤焦粒度，則反應(yīng)可趨于內(nèi)擴(kuò)散區(qū)，甚至動(dòng)力區(qū)。擴(kuò)散區(qū)，甚至動(dòng)力區(qū)。195.15.1炭的

35、燃燒反應(yīng)炭的燃燒反應(yīng)史密斯等人的研究表明：史密斯等人的研究表明：對(duì)于粒徑大于對(duì)于粒徑大于100100微米的碳粒，在微米的碳粒，在1200K1200K下，燃下，燃燒反應(yīng)為外擴(kuò)散控制燒反應(yīng)為外擴(kuò)散控制; ;對(duì)于粒徑為對(duì)于粒徑為9090微米的碳粒，在微米的碳粒，在75OK75OK下，燃燒反下，燃燒反應(yīng)為表面反應(yīng)控制應(yīng)為表面反應(yīng)控制; ;當(dāng)碳粒粒徑小至當(dāng)碳粒粒徑小至2020微米時(shí)，其動(dòng)力區(qū)的溫度范微米時(shí)，其動(dòng)力區(qū)的溫度范圍可達(dá)圍可達(dá)1600K1600K195.15.1炭的燃燒反應(yīng)炭的燃燒反應(yīng)在一般移動(dòng)床煤氣發(fā)生爐內(nèi)，當(dāng)氧化層溫度低于在一般移動(dòng)床煤氣發(fā)生爐內(nèi)，當(dāng)氧化層溫度低于900900時(shí)，燃燒的速率取

36、決于碳的化學(xué)反應(yīng)速率，時(shí)，燃燒的速率取決于碳的化學(xué)反應(yīng)速率，此時(shí)溫度的增加對(duì)反應(yīng)速率影響很大。如在此時(shí)溫度的增加對(duì)反應(yīng)速率影響很大。如在775775時(shí)，溫度每提高時(shí)，溫度每提高1010，反應(yīng)速率可增加一倍。，反應(yīng)速率可增加一倍。 當(dāng)氧化層溫度大于當(dāng)氧化層溫度大于900900時(shí)，燃燒反應(yīng)的速率時(shí)，燃燒反應(yīng)的速率主要取決于氧從氣流主體擴(kuò)散到碳表面的速率和主要取決于氧從氣流主體擴(kuò)散到碳表面的速率和由產(chǎn)物碳表面向氣流主體擴(kuò)散的速率。例如在由產(chǎn)物碳表面向氣流主體擴(kuò)散的速率。例如在90090012001200范圍內(nèi)，電極碳的燃燒，空氣的范圍內(nèi)，電極碳的燃燒，空氣的流速為流速為170m/s170m/s，燃燒

37、速率與空氣流速的，燃燒速率與空氣流速的0.470.47次次方成比例。方成比例。195.25.2 在在1000以上明顯發(fā)生正反應(yīng)，若溫度在以上明顯發(fā)生正反應(yīng)，若溫度在600900范圍內(nèi)，將進(jìn)行逆反應(yīng)。范圍內(nèi)，將進(jìn)行逆反應(yīng)。 研究認(rèn)為，研究認(rèn)為，2000以下二氧化碳還原反應(yīng)處于動(dòng)力區(qū)。以下二氧化碳還原反應(yīng)處于動(dòng)力區(qū)。因此，在一般氣化爐操作條件下，二氧化碳還原反應(yīng)因此，在一般氣化爐操作條件下，二氧化碳還原反應(yīng)進(jìn)行得很慢，不可能達(dá)到平衡。進(jìn)行得很慢，不可能達(dá)到平衡。 二氧化碳還原反應(yīng)的速率主要與操作溫度和原料的活二氧化碳還原反應(yīng)的速率主要與操作溫度和原料的活性有關(guān)。提高操作溫度和采用高活性原料可加快二

38、氧性有關(guān)。提高操作溫度和采用高活性原料可加快二氧化碳的還原速率?；嫉倪€原速率。 在在800，二氧化碳分壓為，二氧化碳分壓為9.8kPa下，該反應(yīng)速率僅下，該反應(yīng)速率僅為碳燃燒速反應(yīng)速率的為碳燃燒速反應(yīng)速率的1/105。在移動(dòng)床發(fā)生爐的操作。在移動(dòng)床發(fā)生爐的操作溫度下，為使二氧化碳還原反應(yīng)充分進(jìn)行，故氣化爐溫度下，為使二氧化碳還原反應(yīng)充分進(jìn)行，故氣化爐內(nèi)還原層的厚度要比氧化層厚得多。內(nèi)還原層的厚度要比氧化層厚得多。195.35.3水蒸氣的分解反應(yīng)水蒸氣的分解反應(yīng) 當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，正向反應(yīng)進(jìn)行得比較完全。在當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，正向反應(yīng)進(jìn)行得比較完全。在1000以上則可視為不可逆反應(yīng)以上則可視為不

39、可逆反應(yīng),生成一氧化碳的反應(yīng)生成一氧化碳的反應(yīng)速率明顯大于生成二氧化碳的反應(yīng)速率，在一般煤氣速率明顯大于生成二氧化碳的反應(yīng)速率，在一般煤氣發(fā)生爐內(nèi)水蒸氣分解反應(yīng)是達(dá)不到平衡的。發(fā)生爐內(nèi)水蒸氣分解反應(yīng)是達(dá)不到平衡的。研究認(rèn)為研究認(rèn)為: :對(duì)于活性高的原料，在對(duì)于活性高的原料，在1000-11001000-1100以以上，水蒸氣分解反應(yīng)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)。相應(yīng)于一般煤氣上，水蒸氣分解反應(yīng)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)。相應(yīng)于一般煤氣爐的還原層溫度，反應(yīng)可能處于擴(kuò)散區(qū)或過渡區(qū)。爐的還原層溫度，反應(yīng)可能處于擴(kuò)散區(qū)或過渡區(qū)。此時(shí)爐溫、蒸汽通過料層的流速、燃料的粒度，均此時(shí)爐溫、蒸汽通過料層的流速、燃料的粒度，均可影響水蒸氣分解反應(yīng)

40、的速率?？捎绊懰魵夥纸夥磻?yīng)的速率。195.35.3水蒸氣的分解反應(yīng)水蒸氣的分解反應(yīng)對(duì)于活性高的原料，可在保證煤氣質(zhì)量不變的情況對(duì)于活性高的原料，可在保證煤氣質(zhì)量不變的情況下，適當(dāng)提高蒸汽的入爐速率，從而使發(fā)生爐的生下，適當(dāng)提高蒸汽的入爐速率，從而使發(fā)生爐的生產(chǎn)能力提高。產(chǎn)能力提高。對(duì)于無(wú)煙煤、天然焦等原料，因其反應(yīng)活性低，在對(duì)于無(wú)煙煤、天然焦等原料，因其反應(yīng)活性低，在11001100時(shí)，水蒸氣分解反應(yīng)仍處于動(dòng)力區(qū)。反應(yīng)時(shí)，水蒸氣分解反應(yīng)仍處于動(dòng)力區(qū)。反應(yīng)速率主要受溫度的影響。如果爐溫稍有下降，則煤速率主要受溫度的影響。如果爐溫稍有下降，則煤氣質(zhì)量和氣化強(qiáng)度將迅速降低。氣質(zhì)量和氣化強(qiáng)度將迅速降

41、低。195.45.4變換反應(yīng)變換反應(yīng) 該反應(yīng)在該反應(yīng)在400400以上即可發(fā)生，在以上即可發(fā)生，在900900時(shí)與水時(shí)與水蒸氣分解反應(yīng)的速率相當(dāng)，高于蒸氣分解反應(yīng)的速率相當(dāng)，高于14801480時(shí)，其速時(shí)，其速率很快。率很快。在一般煤氣發(fā)生爐內(nèi)，可認(rèn)為變換反應(yīng)能達(dá)到熱力在一般煤氣發(fā)生爐內(nèi)，可認(rèn)為變換反應(yīng)能達(dá)到熱力學(xué)平衡。但是實(shí)際達(dá)到平衡的程度與溫度、蒸汽分學(xué)平衡。但是實(shí)際達(dá)到平衡的程度與溫度、蒸汽分解率以及料層深度有一定的關(guān)系，還與燃料的反應(yīng)解率以及料層深度有一定的關(guān)系，還與燃料的反應(yīng)性、灰分的催化活性有關(guān)。性、灰分的催化活性有關(guān)。195.55.5甲烷生成反應(yīng)甲烷生成反應(yīng) 甲烷的生成速率是很慢

42、的。在甲烷的生成速率是很慢的。在1073K1073K和和10kPa10kPa壓壓力時(shí)，碳和氫的反應(yīng)速率是二氧化碳還原反應(yīng)的力時(shí)，碳和氫的反應(yīng)速率是二氧化碳還原反應(yīng)的3 3* *1010-3-3倍。倍。 當(dāng)壓力增高時(shí)，反應(yīng)物濃度增大，反應(yīng)速率提當(dāng)壓力增高時(shí)，反應(yīng)物濃度增大，反應(yīng)速率提高。甲烷的生成速率還與燃料的反應(yīng)活性有關(guān)，反高。甲烷的生成速率還與燃料的反應(yīng)活性有關(guān)，反應(yīng)活性大的，甲烷生成速率高。應(yīng)活性大的，甲烷生成速率高。196 6高溫高壓高升溫速率條件下的氣化反應(yīng)特性高溫高壓高升溫速率條件下的氣化反應(yīng)特性 在在1000100015001500的氣化溫度、常壓的氣化溫度、常壓2.0MPa2.0

43、MPa的氣化壓力條件下，的氣化壓力條件下，各煤種的氣化反應(yīng)速率在相同的氣化溫度下隨氣化各煤種的氣化反應(yīng)速率在相同的氣化溫度下隨氣化壓力的升高而增加壓力的升高而增加; ;同時(shí)，在相同的氣化壓力下氣化反應(yīng)速率隨氣化溫同時(shí)，在相同的氣化壓力下氣化反應(yīng)速率隨氣化溫度的上升而上升。度的上升而上升。由此可見，在這個(gè)氣化條件范圍內(nèi)，干煤粉的氣化由此可見，在這個(gè)氣化條件范圍內(nèi)，干煤粉的氣化反應(yīng)過程同時(shí)受化學(xué)反應(yīng)控制與擴(kuò)散控制的影響。反應(yīng)過程同時(shí)受化學(xué)反應(yīng)控制與擴(kuò)散控制的影響。19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 1.氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有哪些氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有哪些? 氣化過程的

44、主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括煤氣質(zhì)量、氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括煤氣質(zhì)量、氣化強(qiáng)度、煤氣產(chǎn)率、灰渣含碳量、原料氣化強(qiáng)度、煤氣產(chǎn)率、灰渣含碳量、原料損失、冷煤氣效率、氣化熱效率和各項(xiàng)消損失、冷煤氣效率、氣化熱效率和各項(xiàng)消耗指標(biāo)等。耗指標(biāo)等。 影響氣化指標(biāo)的因素很多，主要取決于影響氣化指標(biāo)的因素很多，主要取決于氣化原料的理化性質(zhì)、氣化過程的操作條氣化原料的理化性質(zhì)、氣化過程的操作條件和氣化爐的構(gòu)造。件和氣化爐的構(gòu)造。19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)2.煤氣的質(zhì)量如何描述煤氣的質(zhì)量如何描述? 煤氣的質(zhì)量主要包括熱值和組成。煤氣的質(zhì)量主要包括熱值和組成。 煤氣熱值的高低與煤氣中可燃成分

45、的含量煤氣熱值的高低與煤氣中可燃成分的含量有關(guān)。有關(guān)。 煤氣中可燃組分含量的多少又取決于原料煤氣中可燃組分含量的多少又取決于原料煤、氣化劑組成、氣化爐爐型、操作壓力煤、氣化劑組成、氣化爐爐型、操作壓力等。等。19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)3.什么是氣化強(qiáng)度什么是氣化強(qiáng)度? 是指氣化爐爐體單位截面上的生產(chǎn)強(qiáng)度是指氣化爐爐體單位截面上的生產(chǎn)強(qiáng)度。 通常氣化強(qiáng)通常氣化強(qiáng)度的表示方法有度的表示方法有:1)以消耗的原料煤量表示，單位為以消耗的原料煤量表示，單位為kg/(m2h );2)以生成的煤氣量表示，單位為以生成的煤氣量表示，單位為m3 /(m2h );3)以生產(chǎn)的熱量

46、表示，單位為以生產(chǎn)的熱量表示，單位為kJ /(m2h );19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)氣化爐生產(chǎn)能力：爐體的截面積和氣化強(qiáng)度氣化爐生產(chǎn)能力：爐體的截面積和氣化強(qiáng)度I=FqV19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 氣化強(qiáng)度與氣化方法、氣化原料的特性以及煤氣發(fā)氣化強(qiáng)度與氣化方法、氣化原料的特性以及煤氣發(fā)生爐的構(gòu)造等因素有關(guān)。生爐的構(gòu)造等因素有關(guān)。 一般固定床氣化強(qiáng)度為一般固定床氣化強(qiáng)度為200-300 kg/(m2h )，流化，流化床氣化在同等條件下比固定床高床氣化在同等條件下比固定床高24倍。倍。 對(duì)氣流床氣化，其氣化能力表達(dá)方式往往采用以下

47、對(duì)氣流床氣化，其氣化能力表達(dá)方式往往采用以下幾種幾種: 以單臺(tái)爐每天處理煤量表示，如以單臺(tái)爐每天處理煤量表示，如500 t/d 以以MW表示，尤其用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電表示，尤其用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電IGCC時(shí)時(shí); GE(原原Texaco氣化爐以容積表示能力氣化爐以容積表示能力19第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤種和發(fā)生爐的截面積在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤種和發(fā)生爐的截面積都是固定的，只有適當(dāng)提高氣化強(qiáng)度，才能都是固定的，只有適當(dāng)提高氣化強(qiáng)度，才能提高生產(chǎn)能力，同時(shí)改善煤氣質(zhì)量。提高生產(chǎn)能力，同時(shí)改善煤氣質(zhì)量。 因?yàn)樘岣邭饣瘡?qiáng)度，可以相應(yīng)減少爐體散熱因?yàn)樘岣邭饣瘡?qiáng)度

48、，可以相應(yīng)減少爐體散熱損失，相應(yīng)可以提高料層溫度，有利于水蒸損失，相應(yīng)可以提高料層溫度，有利于水蒸氣的分解，從而提高煤氣的質(zhì)量。氣的分解，從而提高煤氣的質(zhì)量。19 4煤氣產(chǎn)率煤氣產(chǎn)率 概念：煤氣產(chǎn)率是指氣化單位重量的原概念：煤氣產(chǎn)率是指氣化單位重量的原料煤所得到煤氣的體積數(shù)料煤所得到煤氣的體積數(shù)(在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，通常以通常以m3/kg表示。表示。 煤氣產(chǎn)率的影響因素：煤氣產(chǎn)率的影響因素：原料煤爐型操作條件原料煤爐型操作條件第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 4煤氣產(chǎn)率煤氣產(chǎn)率 概念：煤氣產(chǎn)率是指氣化單位重量的原概念：煤氣產(chǎn)率是指氣化單位重量的原料煤所得到煤

49、氣的體積數(shù)料煤所得到煤氣的體積數(shù)(在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，通常以通常以m3/kg表示。表示。 煤氣產(chǎn)率的影響因素：煤氣產(chǎn)率的影響因素：原料煤爐型操作條件原料煤爐型操作條件第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 5消耗指標(biāo)消耗指標(biāo) 氣化過程的消耗指標(biāo)通常指單位質(zhì)量的原料煤氣化過程的消耗指標(biāo)通常指單位質(zhì)量的原料煤或單位體積煤氣消耗的蒸汽或氧氣量或單位體積煤氣消耗的蒸汽或氧氣量(標(biāo)況標(biāo)況)，通，通常表示為常表示為: kg(蒸汽蒸汽)/ kg(原料煤原料煤)、kg(蒸汽蒸汽)/m3(煤氣煤氣)，m3(O2)/kg(原料煤原料煤)、 m3(O2)/kg(煤氣煤氣); 工業(yè)應(yīng)用尤

50、其是用于化工合成原料氣時(shí)，使用單工業(yè)應(yīng)用尤其是用于化工合成原料氣時(shí)，使用單位有效氣消耗原料煤或氧氣量，即位有效氣消耗原料煤或氧氣量，即 kg(原料煤原料煤)或或m3(O2) /1000m3(CO+H2); 國(guó)外有時(shí)也以單位熱量消耗，國(guó)外有時(shí)也以單位熱量消耗， 如如kg(蒸汽蒸汽)或或m3(O2)/ MJ(或或BTU)表示。表示。第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 6.灰渣含碳量灰渣含碳量(原料的損失原料的損失)的含義是什么的含義是什么? 灰渣含碳量包括飛灰含碳量和灰渣含碳灰渣含碳量包括飛灰含碳量和灰渣含碳量，也有的書稱作隨煤氣離開氣化爐的帶量，也有的書稱作隨煤氣離開氣

51、化爐的帶出損失和隨灰渣離開氣化爐的排出損失。出損失和隨灰渣離開氣化爐的排出損失。 （1）飛灰含碳量）飛灰含碳量 （2）灰渣含碳量）灰渣含碳量第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 7，什么是碳轉(zhuǎn)化率，什么是碳轉(zhuǎn)化率? 碳轉(zhuǎn)化率是指在氣化過程中消耗的碳轉(zhuǎn)化率是指在氣化過程中消耗的(參與參與反應(yīng)的反應(yīng)的)總碳量占總碳量占入入爐原料煤中碳量的百分爐原料煤中碳量的百分?jǐn)?shù)數(shù):第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)碳轉(zhuǎn)化率一般為碳轉(zhuǎn)化率一般為90%100%90%100%，其中，其中干粉進(jìn)料氣流床氣化碳轉(zhuǎn)化率最高。干粉進(jìn)料氣流床氣化碳轉(zhuǎn)化率最高。19 8，什么是，什么

52、是氣化效率氣化效率? 氣化效率是指氣化生成物的發(fā)熱量與所氣化效率是指氣化生成物的發(fā)熱量與所使用原料煤發(fā)熱量之比，只利用冷煤氣的使用原料煤發(fā)熱量之比，只利用冷煤氣的潛熱稱冷煤氣效率，同時(shí)利用熱煤氣顯熱潛熱稱冷煤氣效率，同時(shí)利用熱煤氣顯熱時(shí)，稱熱煤氣效率。發(fā)熱量往往使用低位時(shí)，稱熱煤氣效率。發(fā)熱量往往使用低位值，有時(shí)也使用高位。值，有時(shí)也使用高位。 當(dāng)不包括焦油時(shí)當(dāng)不包括焦油時(shí): 當(dāng)包括焦油時(shí)當(dāng)包括焦油時(shí):第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 9，氣化熱效率？，氣化熱效率？ 是指生成物的發(fā)熱量與可回收熱量之和占所是指生成物的發(fā)熱量與可回收熱量之和占所供給總熱量的百分率。表示

53、所有直接加入到供給總熱量的百分率。表示所有直接加入到氣化過程中熱量的利用程度。氣化過程中熱量的利用程度。 不包括焦油不包括焦油 包括焦油包括焦油第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 10，水蒸氣分解率，水蒸氣分解率(或蒸汽分解率或蒸汽分解率) ？ 是指加入氣化爐中水蒸氣中參與反應(yīng)的百分是指加入氣化爐中水蒸氣中參與反應(yīng)的百分?jǐn)?shù)數(shù) 使用下式計(jì)算使用下式計(jì)算:第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)水蒸氣分解率越高，蒸汽消耗越低，氣化效率越高。水蒸氣分解率越高，蒸汽消耗越低，氣化效率越高。該指標(biāo)一般用于固定床和流化床氣化，水煤漿進(jìn)料該指標(biāo)一般用于固定床和流化床

54、氣化，水煤漿進(jìn)料氣流床氣化無(wú)此指標(biāo)，干粉進(jìn)料因入爐水蒸氣量很氣流床氣化無(wú)此指標(biāo)，干粉進(jìn)料因入爐水蒸氣量很少，其分解率少，其分解率90%90%。19 11，什么是汽氧比，什么是汽氧比? 汽氧比是指氣化劑中蒸汽與氧氣之比，單位為汽氧比是指氣化劑中蒸汽與氧氣之比，單位為kg/kg 汽氧比主要用于固定床和流化床氣化，是最主要的汽氧比主要用于固定床和流化床氣化，是最主要的控制指標(biāo)之一，它可控制氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度的高低控制指標(biāo)之一，它可控制氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度的高低 汽氧比主要與煤的灰熔融性溫度有關(guān)，對(duì)固態(tài)排渣汽氧比主要與煤的灰熔融性溫度有關(guān)，對(duì)固態(tài)排渣的氣化過程，如灰渣軟化溫度的氣化過程，如灰渣軟化溫度ST低

55、，則需要采用高低，則需要采用高汽氧比控制爐溫，防止結(jié)渣汽氧比控制爐溫，防止結(jié)渣;對(duì)液態(tài)排清如對(duì)液態(tài)排清如BGL固定固定床氣化，因需要高溫使灰渣熔化，因此采用低汽氧床氣化，因需要高溫使灰渣熔化，因此采用低汽氧比。比。第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)19 12，什么是煤氣爐的可用率，什么是煤氣爐的可用率? 對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)，更關(guān)心氣化爐運(yùn)行的可靠性和可用對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)，更關(guān)心氣化爐運(yùn)行的可靠性和可用率，如連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短，每年累積運(yùn)行時(shí)間等，率，如連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短，每年累積運(yùn)行時(shí)間等，現(xiàn)代煤化工一般要求氣化爐現(xiàn)代煤化工一般要求氣化爐(島島)滿負(fù)荷可用率滿負(fù)荷可用率90%，累積運(yùn)行

56、時(shí)間累積運(yùn)行時(shí)間8000h。 可用率由下式計(jì)算可用率由下式計(jì)算:第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)第四節(jié)氣化過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 從目前氣化爐運(yùn)行情況看，大規(guī)模單臺(tái)氣化爐一般從目前氣化爐運(yùn)行情況看，大規(guī)模單臺(tái)氣化爐一般達(dá)不到達(dá)不到90%90%的可用率，因此需要增設(shè)備用氣化爐。的可用率，因此需要增設(shè)備用氣化爐。19 氣化爐共同的特征氣化爐共同的特征: 煤在氣化爐中，高溫條件下與氣化劑反應(yīng)，使固體煤在氣化爐中，高溫條件下與氣化劑反應(yīng)，使固體燃料轉(zhuǎn)化成氣體燃料，只剩下含灰的殘?jiān)?。通常氣燃料轉(zhuǎn)化成氣體燃料，只剩下含灰的殘?jiān)Ｍǔ饣瘎┯盟魵?、氧化劑用水蒸氣、?空氣空氣)和和CO2。粗煤氣中的產(chǎn)物是。粗煤氣

57、中的產(chǎn)物是CO、H2和和CH4，伴生氣體是，伴生氣體是C為為O2 , H2O等。此外，等。此外，還有硫化物、烴類產(chǎn)物和其他微量成分。還有硫化物、烴類產(chǎn)物和其他微量成分。第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類19 1.氣化方法按煤炭是否需要開采分類有哪些氣化方法按煤炭是否需要開采分類有哪些? (1)地面氣化地面氣化 煤的地面氣化是指原料煤炭預(yù)先開采出來在地面煤的地面氣化是指原料煤炭預(yù)先開采出來在地面氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成煤氣的過程，目前開發(fā)氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成煤氣的過程，目前開發(fā)應(yīng)用的絕大多數(shù)屬于地面氣化。應(yīng)用的絕大多數(shù)屬于地面氣化。 (2)地下氣化地下氣化 地下氣化是指在地下煤

58、層內(nèi)直接進(jìn)行的氣化過程，地下氣化是指在地下煤層內(nèi)直接進(jìn)行的氣化過程，煤炭不需要預(yù)先開采出來，而是通過地面向煤層打煤炭不需要預(yù)先開采出來，而是通過地面向煤層打鉆孔建立一定的通道后，直接將氣化劑通入地下煤鉆孔建立一定的通道后，直接將氣化劑通入地下煤層并發(fā)生氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)通道導(dǎo)出輸送至層并發(fā)生氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)通道導(dǎo)出輸送至地面上。地面上。 地下氣化的主要技術(shù)瓶頸不可視不可控地下氣化的主要技術(shù)瓶頸不可視不可控第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類19 2，按固體燃料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類？，按固體燃料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類？ 氣化方法按固體燃料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為氣化方法按固體燃料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為

59、: 移動(dòng)床移動(dòng)床(固定床固定床)氣化法氣化法; 流化床氣化法流化床氣化法; 氣流床氣化法。氣流床氣化法。第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類19第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類第五節(jié)煤炭氣化工藝及分類19 除上述三類外，還有一種熔融床氣化工藝。熔融床除上述三類外，還有一種熔融床氣化工藝。熔融床氣化也稱熔浴床氣化或熔融流態(tài)床氣化。它的特點(diǎn)氣化也稱熔浴床氣化或熔融流態(tài)床氣化。它的特點(diǎn)是有一溫度較高是有一溫度較高(一般為一般為16001700)，且高度穩(wěn)，且高度穩(wěn)定的熔池，粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入熔池定的熔池，粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入熔池內(nèi)，池內(nèi)熔融物保持高速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，氣、液、固內(nèi)，池內(nèi)熔融物保持高速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，氣、液、固三相密切接觸，在高溫條件下完成氣化反應(yīng)，生成三相密切接觸，在高溫條件下完成氣化反應(yīng)，生成H2