第二章-煤炭气化原理-ppt课件.ppt

1、第二章第二章 煤炭气化原理煤炭气化原理一一 煤气化的主要化学反应煤气化的主要化学反应二二 煤炭气化热力学煤炭气化热力学三三 煤炭气化动力学煤炭气化动力学五五 煤炭气化评价指标煤炭气化评价指标四四 煤炭气化方法分类煤炭气化方法分类 1.气化护内煤炭经历的过程有哪些气化护内煤炭经历的过程有哪些?有哪些基本有哪些基本反应反应? 在气化炉内，煤炭一般先后经历干燥、干馏、在气化炉内，煤炭一般先后经历干燥、干馏、气化和燃烧几个过程，不过因气化炉类型、操作气化和燃烧几个过程，不过因气化炉类型、操作温度和压力不同，这几个过程进行的速率和程度温度和压力不同，这几个过程进行的速率和程度不同，有时交叉进行。不同，有

2、时交叉进行。 (l)干燥干燥 干燥过程也是煤炭脱水过程，它是一个物理过干燥过程也是煤炭脱水过程，它是一个物理过程，原料煤加入气化炉后，由于煤与热气流或炽程，原料煤加入气化炉后，由于煤与热气流或炽热的半焦之间发生热交换，使煤中的水分蒸发变热的半焦之间发生热交换，使煤中的水分蒸发变成蒸汽进入气相。成蒸汽进入气相。 (2)干馏干馏 干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度干馏是脱除挥发分过程，当干燥煤的温度进一步提高，挥发物从煤中逸出。脱除挥进一步提高，挥发物从煤中逸出。脱除挥发分一般也称作煤的热分解反应，它是所发分一般也称作煤的热分解反应，它是所有气化工艺共同的基本反应之一。有气化工艺共同的基本反应之

3、一。 说明：说明： 在块状或大颗粒状煤存在的固定床气化过在块状或大颗粒状煤存在的固定床气化过程中，热解温度较低，通常在程中，热解温度较低，通常在700以下。以下。 在粉煤气化在粉煤气化(沸腾床和气流床沸腾床和气流床)工艺中，煤炭工艺中，煤炭中水分的蒸发、煤热解以及煤粒与气化剂中水分的蒸发、煤热解以及煤粒与气化剂之间的化学反应几乎是同时并存，且在短之间的化学反应几乎是同时并存，且在短暂的时间内完成。暂的时间内完成。 (3)气化过程基本反应气化过程基本反应 经干馏后得到的半焦与气流中的经干馏后得到的半焦与气流中的H2O,CO2, H2等反等反应，生成可燃性气体等产物，主要反应有以下一些应，生成可燃

4、性气体等产物，主要反应有以下一些 碳与水蒸气的反应碳与水蒸气的反应 在一定温度下，碳与水蒸气在一定温度下，碳与水蒸气之间发生下列非均相反应之间发生下列非均相反应: 这是制造水煤气的主要反应，有时也称水蒸气分解这是制造水煤气的主要反应，有时也称水蒸气分解反应，前一反应也称为水煤气反应，这两个反应均反应，前一反应也称为水煤气反应，这两个反应均是吸热反应。是吸热反应。 (3)气化过程基本反应气化过程基本反应 碳与二氧化碳的反应碳与二氧化碳的反应 在气化阶段进行的第二个重要非均相反应为在气化阶段进行的第二个重要非均相反应为发生炉煤气反应，即碳与二氧化碳的反应发生炉煤气反应，即碳与二氧化碳的反应: 这是

5、非常强烈的吸热反应，必须在高温条件这是非常强烈的吸热反应，必须在高温条件下才能进行。下才能进行。 (3)气化过程基本反应气化过程基本反应 变换反应变换反应 该反应称为一氧化碳变换反应，或称水煤气平衡反该反应称为一氧化碳变换反应，或称水煤气平衡反应。它是均相反应，由气化阶段生成的应。它是均相反应，由气化阶段生成的CO与水蒸气与水蒸气之间的反应。之间的反应。 为了制取为了制取H2，需要利用这一反应。，需要利用这一反应。 由于该反应易于达到平衡，通常在气化炉煤气出口由于该反应易于达到平衡，通常在气化炉煤气出口温度条件下，反应基本达到平衡，从而该反应决定温度条件下，反应基本达到平衡，从而该反应决定了出

6、口煤气的组成。了出口煤气的组成。 (4)燃烧燃烧 经气化后残留的半焦与气化剂中的氧进行经气化后残留的半焦与气化剂中的氧进行燃烧。由于上述碳与水蒸气、二氧化碳之间燃烧。由于上述碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应都是强烈的吸热反应，因此气化炉内的反应都是强烈的吸热反应，因此气化炉内要保持高温才能维持吸热反应的进行。为了要保持高温才能维持吸热反应的进行。为了提供必要的热量，通常采用部分煤燃烧的方提供必要的热量，通常采用部分煤燃烧的方法提供，非均相反应如下法提供，非均相反应如下: 式中，式中， 是统计常数，取决于燃烧产物中是统计常数，取决于燃烧产物中CO和和CO2之比例，其范围在之比例，其范围在12之间。

7、之间。 (5)煤中硫、氮的反应煤中硫、氮的反应 除了以上主要反应外，气化过程同时还有除了以上主要反应外，气化过程同时还有S、N等杂原子发生的反应，其产物会引起腐蚀和等杂原子发生的反应，其产物会引起腐蚀和污染环境，因此必须通过净化工艺将其脱除。污染环境，因此必须通过净化工艺将其脱除。主要反应如下主要反应如下: 2 2、煤炭气化反应的类型、煤炭气化反应的类型 煤炭气化过程的反应可分成两种类型。煤炭气化过程的反应可分成两种类型。1 1）非均相气体固体反应，气相可以是最初的）非均相气体固体反应，气相可以是最初的气化剂，也可能是气化过程的产物，固相是指煤气化剂，也可能是气化过程的产物，固相是指煤中的碳。

8、虽然煤具有很复杂的分子结构，和碳原中的碳。虽然煤具有很复杂的分子结构，和碳原子相连接着的还有氢、氧等其它元素，但因为气子相连接着的还有氢、氧等其它元素，但因为气化反应往往发生在煤裂解之后，故只考虑煤中主化反应往往发生在煤裂解之后，故只考虑煤中主要元素碳是合理的。要元素碳是合理的。2)2)均相的气相反应，反应物可能是气化剂，也均相的气相反应，反应物可能是气化剂，也可能是反应产物。可能是反应产物。二、气化过程热力学二、气化过程热力学 1.1.研究气化过程热力学的目的是什么研究气化过程热力学的目的是什么? ? 气化过程热力学主要研究气化过程反气化过程热力学主要研究气化过程反应进行的方向和限度，以解决

9、在某一条应进行的方向和限度，以解决在某一条件下气化反应的可能性问题。件下气化反应的可能性问题。它只研究反应过程的始态和终态，不考它只研究反应过程的始态和终态，不考虑由始态到达终态的途径，也不涉及气虑由始态到达终态的途径，也不涉及气化反应的机理和反应速度。化反应的机理和反应速度。二、气化过程热力学二、气化过程热力学 二、气化过程热力学二、气化过程热力学 上式表明，反应焓在恒压下对温度上式表明，反应焓在恒压下对温度T T的导数在数值上等于的导数在数值上等于产物与反应物恒压热容之差。若知道产物与反应物恒压热容之差。若知道C CP P随随T T的变化关系，的变化关系，就可以通过积分求解就可以通过积分求

10、解1 12121二、气化过程热力学二、气化过程热力学 A A，图解法，图解法B B，二、气化过程热力学二、气化过程热力学 利用式利用式(1-22 )(1-22 )，只要知道一个温度下的反应焓，就可求，只要知道一个温度下的反应焓，就可求得其他任何温度下的反应焓。得其他任何温度下的反应焓。在应用克希霍夫公式积分时，要注意在积分的温度范围在应用克希霍夫公式积分时，要注意在积分的温度范围内不能有相变化。有相变怎么办？内不能有相变化。有相变怎么办？二、气化过程热力学二、气化过程热力学 3.3.气化反应平衡常数的概念及表达方式是什么气化反应平衡常数的概念及表达方式是什么? ? 严格地讲，许多气化反应都不是

11、不可逆反应，严格地讲，许多气化反应都不是不可逆反应，而是可逆反应。在这些可逆反应中，反应不可能全而是可逆反应。在这些可逆反应中，反应不可能全部达到完全平衡。部达到完全平衡。 在一般工业气化操作条件下，除了水煤气变换在一般工业气化操作条件下，除了水煤气变换反应外，其它的气化反应很难达到平衡状态，有的反应外，其它的气化反应很难达到平衡状态，有的甚至离平衡状态还相当远。甚至离平衡状态还相当远。但是，研究其平衡状态，可掌握反应进行的方向和但是，研究其平衡状态，可掌握反应进行的方向和限度，并且通过对反应条件的控制，使反应朝着需限度，并且通过对反应条件的控制，使反应朝着需要的方向进行，并从理论上预示产物所

12、能达到的最要的方向进行，并从理论上预示产物所能达到的最大限度和反应物所必需的消耗量。大限度和反应物所必需的消耗量。二、气化过程热力学二、气化过程热力学 二、气化过程热力学二、气化过程热力学 二、气化过程热力学二、气化过程热力学 注意：注意： KP的常数性质仅适用于理想气体的化学反的常数性质仅适用于理想气体的化学反应。应。KP的大小决定于反应的本性和温度，的大小决定于反应的本性和温度，与总压以及各物质的平衡分压无关。与总压以及各物质的平衡分压无关。 KP的数值与反应方程式的写法有关的数值与反应方程式的写法有关;P18 某些情况下某些情况下KP的数值还与所用压强的单位的数值还与所用压强的单位有关。

13、有关。P18二、气化过程热力学二、气化过程热力学温度对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响4温度对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响4 4、温度对化学平衡的影响、温度对化学平衡的影响4 4、温度对化学平衡的影响、温度对化学平衡的影响 在文献中一般只能查到各种化合物在在文献中一般只能查到各种化合物在298K298K时的时的标准生成自由焓、标准生成焓和标准熵，因此只标准生成自由焓、标准生成焓和标准熵，因此只能根据这些数据算出在能根据这些数据算出在298K298K时的化学平衡常数时的化学平衡常数的值。的值。但在实际问题中化学反应往往都不是在这个温但在实际问题中化学反应往往都不是在这个温度下发生的，所以

14、需要讨论温度对平衡常数的度下发生的，所以需要讨论温度对平衡常数的影响。温度对平衡常数影响的公式为影响。温度对平衡常数影响的公式为范特霍夫微分式范特霍夫微分式4 4、温度对化学平衡的影响、温度对化学平衡的影响按照式按照式1 12222（P16P16）进行积分，可得：进行积分，可得：举例举例molKJHCOOHC/0 .13522molKJCOCOC/3 .17322举例举例可以看到可以看到, ,随着温度变化，其还原产物随着温度变化，其还原产物CO CO 的组成随的组成随着温度升高而增加；温度越高，一氧化碳平衡浓度着温度升高而增加；温度越高，一氧化碳平衡浓度越高。当温度升高到越高。当温度升高到10

15、001000时，时，CO CO 的平衡组成的平衡组成为为99.1%99.1%。在前面提到的其它可逆反应中，有很多是放热反应，在前面提到的其它可逆反应中，有很多是放热反应，温度过高对反应不利。温度过高对反应不利。举例举例在此反应中，如有在此反应中，如有1%CO 转化为甲烷，则气体的绝转化为甲烷，则气体的绝热温升为热温升为60607070。在合成气中。在合成气中CO 的组成大约为的组成大约为3030%左右，因此，反应过程中必须将反应热及时移左右，因此，反应过程中必须将反应热及时移走，使得反应在一定的温度范围内进行，以确保不走，使得反应在一定的温度范围内进行，以确保不发生由于温度过高而引起催化剂烧结

16、的现象发生。发生由于温度过高而引起催化剂烧结的现象发生。npbBaAdDcCxpKxxxxK1在下列反应中：在下列反应中：反应后气体体积或分子数增加，如增大压力，则使反应后气体体积或分子数增加，如增大压力，则使平衡向左移动，因此上述反应适宜在减压下进行。平衡向左移动，因此上述反应适宜在减压下进行。在气化炉内，在H2 气氛中，CH4 产率随压力提高迅速增加，发生反应为：上述反应均为缩小体积的反应，加压有利于上述反应均为缩小体积的反应，加压有利于CHCH4 4 生成，生成，而甲烷生成反应为放热反应，其反应热可作为吸热反而甲烷生成反应为放热反应，其反应热可作为吸热反应热源，从而减少了碳燃烧中氧的消耗

17、。也就是说，应热源，从而减少了碳燃烧中氧的消耗。也就是说，随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少。随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少。 若气化炉截面积相同，常压和加压气化炉的煤气产量分别为V1和V2（标准态），则两者在炉内的速度之比在常压气化炉和加压气化炉中，假定带出物的数量相等，则出炉煤气动压头相等，以w表示煤气的实际流速，则气化炉生产能力比较时有如下关系式：211221212112222211ppwwppwwww所以因 对于常压气化炉，p1通常略高于大气压，当pl=0.1MPa，p2=2.5MPa，常压、加压炉的气化温度之比T1T2=1.1l.25，则由此式可得：V2/Vl=5.5

18、6.251221 1 2211212121212PPTTVVppTpVTpVVVww高压气化时的平衡常数高压气化时的平衡常数在高压情况下，实际气体的性质与理想气体有在高压情况下，实际气体的性质与理想气体有很大的差别。因此，适用于低压气体反应的平很大的差别。因此，适用于低压气体反应的平衡常数衡常数K KP P的表达式就不再适用于高压气体。的表达式就不再适用于高压气体。为此引入逸度为此引入逸度高压气化时的平衡常数高压气化时的平衡常数在在高压气化时的平衡常数高压气化时的平衡常数气体逸度系数的计算可采用对比状态法，即不同气体气体逸度系数的计算可采用对比状态法，即不同气体在相同的对比压力在相同的对比压力

19、P PR R及对比温度及对比温度T TR R下有大致相同的逸下有大致相同的逸度系数。因此，可根据气体的对比压力度系数。因此，可根据气体的对比压力P PR R和对比温度和对比温度T TR R，由普遍化逸度系数图查得气体逸度系数。，由普遍化逸度系数图查得气体逸度系数。 如何求算高压下的如何求算高压下的KKP P值？值？KKKKRTGpffln6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡 （1）O.Boudouard研究结果4 .2121000lnTkP6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡6 6、主要气化反应的化学平衡

20、、主要气化反应的化学平衡6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡（2 2）碳与水蒸气的反应）碳与水蒸气的反应6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡强吸热反应，平衡常数？强吸热反应，平衡常数？温度提高对两反应平温度提高对两反应平衡常数的影响程度不衡常数的影响程度不同，原因？同，原因？6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡（3 3）变换反应）变换反应在煤气炉出口通常可以达到平衡在煤气炉出口通常可以达到平衡6 6、主要气化反应的化学平衡、主要气化反应的化学平衡（3 3）碳的加氢反应）碳的加氢反应提高压

21、力或温度，平衡？提高压力或温度，平衡？生产合成气或燃料气时采用的条件生产合成气或燃料气时采用的条件其它甲烷化反应其它甲烷化反应P30P30催化剂催化剂7 7、煤气组成的热力学计算方法、煤气组成的热力学计算方法 理论煤气平衡组成的计算简述理论煤气平衡组成的计算简述进行煤气平衡组成计算时，需要建立一方程组，进行煤气平衡组成计算时，需要建立一方程组，其中方程个数与需要求取的未知数相等。其中方程个数与需要求取的未知数相等。由于涉及反应很多，只能选择对生成煤气组成起由于涉及反应很多，只能选择对生成煤气组成起决定性作用的反应方程式，当然对于不同的气化决定性作用的反应方程式，当然对于不同的气化方式其选择也是

22、不同的。方式其选择也是不同的。把主要的反应方程平衡关系式连同物料平衡和热把主要的反应方程平衡关系式连同物料平衡和热量平衡方程式组成联立方程组，然后求解。量平衡方程式组成联立方程组，然后求解。气固颗粒发生反应的步骤气固颗粒发生反应的步骤 3 3多孔炭反应速率随温度的变化多孔炭反应速率随温度的变化低温区低温区温度很低，反应速度温度很低，反应速度很慢，表面反应过程很慢，表面反应过程是控制步骤。此时表是控制步骤。此时表观动力学接近化学反观动力学接近化学反应的本征动力学，保应的本征动力学，保持原来的反应级数，持原来的反应级数，速率常数和活化能。速率常数和活化能。中温区中温区 总过程的速率由表面反应总过程

23、的速率由表面反应和内扩散所控制，称内扩和内扩散所控制，称内扩散区。气相反应剂在颗粒散区。气相反应剂在颗粒内部渗人深度远小于颗粒内部渗人深度远小于颗粒半径半径R R，化学反应在炭，化学反应在炭粒表面和较浅薄层中进行。粒表面和较浅薄层中进行。实验测得的表观活化能为实验测得的表观活化能为真实活化能的一半真实活化能的一半 高温区高温区反应速度由外扩散控制，也即反应速度由外扩散控制，也即由反应剂或产物通过固体表面由反应剂或产物通过固体表面的滞流边界层的扩散控制，称的滞流边界层的扩散控制，称外扩散区。因化学反应速率在外扩散区。因化学反应速率在高温下大大加快，故反应剂物高温下大大加快，故反应剂物质的量浓度在

24、固体表面已接近质的量浓度在固体表面已接近为零。表观动力学接近扩散动为零。表观动力学接近扩散动力学。扩散系数对温度的变化力学。扩散系数对温度的变化并不敏感。并不敏感。在动力区和内扩散区之间在动力区和内扩散区之间有一过渡区有一过渡区a;a;在内扩散区在内扩散区和外扩散区之间有一过渡和外扩散区之间有一过渡区区b b。在过渡区要确定总的过程在过渡区要确定总的过程速率必须同时考虑两类过速率必须同时考虑两类过程速率的影响程速率的影响。4 4各控制区特征和速度方程各控制区特征和速度方程 分析表面过程的动力学问题，要涉及每一步骤的分析表面过程的动力学问题，要涉及每一步骤的动力学问题，也就是说要同时解几个动力学

25、方程动力学问题，也就是说要同时解几个动力学方程才能获得总的表面过程的动力学方程，这就提出才能获得总的表面过程的动力学方程，这就提出了一个如何解这些动力学方程的问题。了一个如何解这些动力学方程的问题。 在各步骤的反应过程中，就各步骤的速度而言，在各步骤的反应过程中，就各步骤的速度而言，有两种情况有两种情况: 一种是在连续反应中各基元反应彼此速率相差很一种是在连续反应中各基元反应彼此速率相差很大，最慢的一个基元反应的速率代表整个反应的大，最慢的一个基元反应的速率代表整个反应的速度，这类反应称为有控制步骤的反应速度，这类反应称为有控制步骤的反应; 另一种是各基元反应彼此间的速率相差不大，此另一种是各

26、基元反应彼此间的速率相差不大，此类反应叫无控制步骤反应。但从这类反应中每一类反应叫无控制步骤反应。但从这类反应中每一个基元反应的速率都可以代表整个反应速率这个个基元反应的速率都可以代表整个反应速率这个意义上说，亦可称为全是控制步骤的反应。意义上说，亦可称为全是控制步骤的反应。4.14.1动力控制区动力控制区 1)存在控制步骤的动力学方程存在控制步骤的动力学方程 特点是特点是:控制步骤的速率代表整个反应的速控制步骤的速率代表整个反应的速率，该步骤没有达到平衡率，该步骤没有达到平衡;其他非控制步骤其他非控制步骤均可认为处于平衡态。均可认为处于平衡态。 速率方程推导举例：表面反应为控制步速率方程推导

27、举例：表面反应为控制步骤的情况骤的情况 这时吸附和脱附等步骤的速率非常快，在这时吸附和脱附等步骤的速率非常快，在反应的每一瞬间，都可认为处于平衡态。反应的每一瞬间，都可认为处于平衡态。动力控制区动力控制区 如：有下面的单分子不可逆反应如：有下面的单分子不可逆反应:根据表面质量作用定律，表面过程的基元反应根据表面质量作用定律，表面过程的基元反应的反应速度与反应物在表面覆盖分数成正比：的反应速度与反应物在表面覆盖分数成正比：表示在等温和达到平衡时同固体表面相接触的气表示在等温和达到平衡时同固体表面相接触的气相分压与其吸附量之间的关系式称为吸附平衡方相分压与其吸附量之间的关系式称为吸附平衡方程式，朗

28、缪尔方程是其中常用的理论方程式程式，朗缪尔方程是其中常用的理论方程式动力控制区动力控制区 这样，如果产物这样，如果产物M的吸附很弱，对反应物的吸附很弱，对反应物A的吸的吸附影响可以忽略，则在附影响可以忽略，则在A的吸附达到平衡时：的吸附达到平衡时：所以所以动力控制区动力控制区 再如：两种反应物在表面上进行双分子不可逆反应再如：两种反应物在表面上进行双分子不可逆反应根据质量作用定律，所以根据质量作用定律，所以2 2动力控制区动力控制区 1)不存在控制步骤的动力学方程不存在控制步骤的动力学方程没有控制步骤的反应，即在各连串基元反应中没有控制步骤的反应，即在各连串基元反应中每一步的反应速率都差不多，

29、其特点是反应过每一步的反应速率都差不多，其特点是反应过程中任何一个基元步骤均未达到平衡，且其速程中任何一个基元步骤均未达到平衡，且其速率可以代表整个反应的速率。例如在表面反应率可以代表整个反应的速率。例如在表面反应中，吸附、表面反应、脱附等步骤速率相近，中，吸附、表面反应、脱附等步骤速率相近，吸附平衡没有建立。吸附平衡没有建立。不能用等温吸附方程式，需要用定态法求解不能用等温吸附方程式，需要用定态法求解动力控制区动力控制区 例如，对于例如，对于CCO2，CH2O反应，已知有反应，已知有如下反应机理：如下反应机理：在稳态条件下在稳态条件下RO：CO，H2OR：产物(RO)：反应物吸附在炭表面上(

30、R)：产物吸附在炭表面上动力控制区动力控制区根据定态条件根据定态条件可以求出可以求出动力控制区动力控制区 可见，当反应没有控制步骤时，借助于定态法就可见，当反应没有控制步骤时，借助于定态法就可得到具体形式的动力学方程，而且这些方程在可得到具体形式的动力学方程，而且这些方程在形式上类似于有控制步骤时的动力学方程。形式上类似于有控制步骤时的动力学方程。 对于不同类型的反应，都可根据其反应机理导出对于不同类型的反应，都可根据其反应机理导出总的动力学方程式，其一般形式为总的动力学方程式，其一般形式为nw吸附数群推动力动力学系数4.24.2外扩散控制区外扩散控制区 在气一碳反应中，在气固两相之间的界面上

31、有一在气一碳反应中，在气固两相之间的界面上有一层滞流边界层。层滞流边界层。 气体反应物从气流主体到边界层的传质是通过湍气体反应物从气流主体到边界层的传质是通过湍流扩散方式进行的。流扩散方式进行的。 通过滞流边界层的传质则要靠在分子运动的基础通过滞流边界层的传质则要靠在分子运动的基础上进行的分子扩散的方式。上进行的分子扩散的方式。 湍流扩散是一种效率很高的传质方式，速度很快，湍流扩散是一种效率很高的传质方式，速度很快，而分子扩散的阻力很大，速率很慢，所以外扩散而分子扩散的阻力很大，速率很慢，所以外扩散过程表示的总反应速率取决于包围在颗粒外表面过程表示的总反应速率取决于包围在颗粒外表面的滞流边界层

32、对传质的阻力。的滞流边界层对传质的阻力。4.24.2外扩散控制区外扩散控制区 在讨论外扩散问题时，涉及两个独立的过程在讨论外扩散问题时，涉及两个独立的过程: 一个是表面反应过程，速率方程可表示为一个是表面反应过程，速率方程可表示为 4.24.2外扩散控制区外扩散控制区 在稳定状态下两式相等，则有在稳定状态下两式相等，则有4.34.3内扩散控制区内扩散控制区 有些气固反应，如固体颗粒具有很高的孔隙率有些气固反应，如固体颗粒具有很高的孔隙率时，颗粒的内表面将成为主要反应表面。对于时，颗粒的内表面将成为主要反应表面。对于整个过程的速率受到表面反应和质量传递两个整个过程的速率受到表面反应和质量传递两个

33、过程的影响。过程的影响。Cskwv)(fThiele模数模数5 5、主要气化反应的速度控制区、主要气化反应的速度控制区 气化过程中，发生诸多反应，一般归纳为气化过程中，发生诸多反应，一般归纳为碳的燃烧反应、二氧化碳的还原反应、水碳的燃烧反应、二氧化碳的还原反应、水蒸气分解反应、变换反应和甲烷生成反应蒸气分解反应、变换反应和甲烷生成反应等五类进行研究。等五类进行研究。5.15.1炭的燃烧反应炭的燃烧反应 在高温下碳和氧发生如下三个反应在高温下碳和氧发生如下三个反应:碳的燃烧反应在所有气化反应中，速率是最大的。碳的燃烧反应在所有气化反应中，速率是最大的。在温度高于在温度高于800800时，碳的燃烧

34、反应几乎不可逆地时，碳的燃烧反应几乎不可逆地自左向右进行。自左向右进行。若提高反应温度或增大煤焦粒度，则反应可趋于外若提高反应温度或增大煤焦粒度，则反应可趋于外扩散区。扩散区。若降低反应温度或减小煤焦粒度，则反应可趋于内若降低反应温度或减小煤焦粒度，则反应可趋于内扩散区，甚至动力区。扩散区，甚至动力区。5.15.1炭的燃烧反应炭的燃烧反应史密斯等人的研究表明：史密斯等人的研究表明：对于粒径大于对于粒径大于100100微米的碳粒，在微米的碳粒，在1200K1200K下，燃下，燃烧反应为外扩散控制烧反应为外扩散控制; ;对于粒径为对于粒径为9090微米的碳粒，在微米的碳粒，在75OK75OK下，燃

35、烧反下，燃烧反应为表面反应控制应为表面反应控制; ;当碳粒粒径小至当碳粒粒径小至2020微米时，其动力区的温度范微米时，其动力区的温度范围可达围可达1600K1600K5.15.1炭的燃烧反应炭的燃烧反应在一般移动床煤气发生炉内，当氧化层温度低于在一般移动床煤气发生炉内，当氧化层温度低于900900时，燃烧的速率取决于碳的化学反应速率，时，燃烧的速率取决于碳的化学反应速率，此时温度的增加对反应速率影响很大。如在此时温度的增加对反应速率影响很大。如在775775时，温度每提高时，温度每提高1010，反应速率可增加一倍。，反应速率可增加一倍。 当氧化层温度大于当氧化层温度大于900900时，燃烧反

36、应的速率时，燃烧反应的速率主要取决于氧从气流主体扩散到碳表面的速率和主要取决于氧从气流主体扩散到碳表面的速率和由产物碳表面向气流主体扩散的速率。例如在由产物碳表面向气流主体扩散的速率。例如在90090012001200范围内，电极碳的燃烧，空气的范围内，电极碳的燃烧，空气的流速为流速为170m/s170m/s，燃烧速率与空气流速的，燃烧速率与空气流速的0.470.47次次方成比例。方成比例。5.25.2 在在1000以上明显发生正反应，若温度在以上明显发生正反应，若温度在600900范围内，将进行逆反应。范围内，将进行逆反应。 研究认为，研究认为，2000以下二氧化碳还原反应处于动力区。以下二

37、氧化碳还原反应处于动力区。因此，在一般气化炉操作条件下，二氧化碳还原反应因此，在一般气化炉操作条件下，二氧化碳还原反应进行得很慢，不可能达到平衡。进行得很慢，不可能达到平衡。 二氧化碳还原反应的速率主要与操作温度和原料的活二氧化碳还原反应的速率主要与操作温度和原料的活性有关。提高操作温度和采用高活性原料可加快二氧性有关。提高操作温度和采用高活性原料可加快二氧化碳的还原速率。化碳的还原速率。 在在800，二氧化碳分压为，二氧化碳分压为9.8kPa下，该反应速率仅下，该反应速率仅为碳燃烧速反应速率的为碳燃烧速反应速率的1/105。在移动床发生炉的操作。在移动床发生炉的操作温度下，为使二氧化碳还原反

38、应充分进行，故气化炉温度下，为使二氧化碳还原反应充分进行，故气化炉内还原层的厚度要比氧化层厚得多。内还原层的厚度要比氧化层厚得多。5.35.3水蒸气的分解反应水蒸气的分解反应 当反应温度升高时，正向反应进行得比较完全。在当反应温度升高时，正向反应进行得比较完全。在1000以上则可视为不可逆反应以上则可视为不可逆反应,生成一氧化碳的反应生成一氧化碳的反应速率明显大于生成二氧化碳的反应速率，在一般煤气速率明显大于生成二氧化碳的反应速率，在一般煤气发生炉内水蒸气分解反应是达不到平衡的。发生炉内水蒸气分解反应是达不到平衡的。研究认为研究认为: :对于活性高的原料，在对于活性高的原料，在1000-110

39、01000-1100以以上，水蒸气分解反应进入扩散区。相应于一般煤气上，水蒸气分解反应进入扩散区。相应于一般煤气炉的还原层温度，反应可能处于扩散区或过渡区。炉的还原层温度，反应可能处于扩散区或过渡区。此时炉温、蒸汽通过料层的流速、燃料的粒度，均此时炉温、蒸汽通过料层的流速、燃料的粒度，均可影响水蒸气分解反应的速率。可影响水蒸气分解反应的速率。5.35.3水蒸气的分解反应水蒸气的分解反应对于活性高的原料，可在保证煤气质量不变的情况对于活性高的原料，可在保证煤气质量不变的情况下，适当提高蒸汽的入炉速率，从而使发生炉的生下，适当提高蒸汽的入炉速率，从而使发生炉的生产能力提高。产能力提高。对于无烟煤、

40、天然焦等原料，因其反应活性低，在对于无烟煤、天然焦等原料，因其反应活性低，在11001100时，水蒸气分解反应仍处于动力区。反应时，水蒸气分解反应仍处于动力区。反应速率主要受温度的影响。如果炉温稍有下降，则煤速率主要受温度的影响。如果炉温稍有下降，则煤气质量和气化强度将迅速降低。气质量和气化强度将迅速降低。5.45.4变换反应变换反应 该反应在该反应在400400以上即可发生，在以上即可发生，在900900时与水时与水蒸气分解反应的速率相当，高于蒸气分解反应的速率相当，高于14801480时，其速时，其速率很快。率很快。在一般煤气发生炉内，可认为变换反应能达到热力在一般煤气发生炉内，可认为变换

41、反应能达到热力学平衡。但是实际达到平衡的程度与温度、蒸汽分学平衡。但是实际达到平衡的程度与温度、蒸汽分解率以及料层深度有一定的关系，还与燃料的反应解率以及料层深度有一定的关系，还与燃料的反应性、灰分的催化活性有关。性、灰分的催化活性有关。5.55.5甲烷生成反应甲烷生成反应 甲烷的生成速率是很慢的。在甲烷的生成速率是很慢的。在1073K1073K和和10kPa10kPa压压力时，碳和氢的反应速率是二氧化碳还原反应的力时，碳和氢的反应速率是二氧化碳还原反应的3 3* *1010-3-3倍。倍。 当压力增高时，反应物浓度增大，反应速率提当压力增高时，反应物浓度增大，反应速率提高。甲烷的生成速率还与

42、燃料的反应活性有关，反高。甲烷的生成速率还与燃料的反应活性有关，反应活性大的，甲烷生成速率高。应活性大的，甲烷生成速率高。6 6高温高压高升温速率条件下的气化反应特性高温高压高升温速率条件下的气化反应特性 在在1000100015001500的气化温度、常压的气化温度、常压2.0MPa2.0MPa的气化压力条件下，的气化压力条件下，各煤种的气化反应速率在相同的气化温度下随气化各煤种的气化反应速率在相同的气化温度下随气化压力的升高而增加压力的升高而增加; ;同时，在相同的气化压力下气化反应速率随气化温同时，在相同的气化压力下气化反应速率随气化温度的上升而上升。度的上升而上升。由此可见，在这个气化

43、条件范围内，干煤粉的气化由此可见，在这个气化条件范围内，干煤粉的气化反应过程同时受化学反应控制与扩散控制的影响。反应过程同时受化学反应控制与扩散控制的影响。第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 1.气化过程的主要评价指标有哪些气化过程的主要评价指标有哪些? 气化过程的主要评价指标包括煤气质量、气化过程的主要评价指标包括煤气质量、气化强度、煤气产率、灰渣含碳量、原料气化强度、煤气产率、灰渣含碳量、原料损失、冷煤气效率、气化热效率和各项消损失、冷煤气效率、气化热效率和各项消耗指标等。耗指标等。 影响气化指标的因素很多，主要取决于影响气化指标的因素很多，主要取决于气化原料的理化性

44、质、气化过程的操作条气化原料的理化性质、气化过程的操作条件和气化炉的构造。件和气化炉的构造。第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标2.煤气的质量如何描述煤气的质量如何描述? 煤气的质量主要包括热值和组成。煤气的质量主要包括热值和组成。 煤气热值的高低与煤气中可燃成分的含量煤气热值的高低与煤气中可燃成分的含量有关。有关。 煤气中可燃组分含量的多少又取决于原料煤气中可燃组分含量的多少又取决于原料煤、气化剂组成、气化炉炉型、操作压力煤、气化剂组成、气化炉炉型、操作压力等。等。第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标3.什么是气化强度什么是气化强度? 是指气化炉炉体单

45、位截面上的生产强度是指气化炉炉体单位截面上的生产强度。 通常气化强通常气化强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，单位为以消耗的原料煤量表示，单位为kg/(m2h );2)以生成的煤气量表示，单位为以生成的煤气量表示，单位为m3 /(m2h );3)以生产的热量表示，单位为以生产的热量表示，单位为kJ /(m2h );第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标气化炉生产能力：炉体的截面积和气化强度气化炉生产能力：炉体的截面积和气化强度I=FqV第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 气化强度与气化方法、气化原料的特性以及煤气发气化强度与气化方法

46、、气化原料的特性以及煤气发生炉的构造等因素有关。生炉的构造等因素有关。 一般固定床气化强度为一般固定床气化强度为200-300 kg/(m2h )，流化，流化床气化在同等条件下比固定床高床气化在同等条件下比固定床高24倍。倍。 对气流床气化，其气化能力表达方式往往采用以下对气流床气化，其气化能力表达方式往往采用以下几种几种: 以单台炉每天处理煤量表示，如以单台炉每天处理煤量表示，如500 t/d 以以MW表示，尤其用于联合循环发电表示，尤其用于联合循环发电IGCC时时; GE(原原Texaco气化炉以容积表示能力气化炉以容积表示能力第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 在实

47、际生产过程中，煤种和发生炉的截面积在实际生产过程中，煤种和发生炉的截面积都是固定的，只有适当提高气化强度，才能都是固定的，只有适当提高气化强度，才能提高生产能力，同时改善煤气质量。提高生产能力，同时改善煤气质量。 因为提高气化强度，可以相应减少炉体散热因为提高气化强度，可以相应减少炉体散热损失，相应可以提高料层温度，有利于水蒸损失，相应可以提高料层温度，有利于水蒸气的分解，从而提高煤气的质量。气的分解，从而提高煤气的质量。 4煤气产率煤气产率 概念：煤气产率是指气化单位重量的原概念：煤气产率是指气化单位重量的原料煤所得到煤气的体积数料煤所得到煤气的体积数(在标准状态下在标准状态下)，通常以通常

48、以m3/kg表示。表示。 煤气产率的影响因素：煤气产率的影响因素：原料煤炉型操作条件原料煤炉型操作条件第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 4煤气产率煤气产率 概念：煤气产率是指气化单位重量的原概念：煤气产率是指气化单位重量的原料煤所得到煤气的体积数料煤所得到煤气的体积数(在标准状态下在标准状态下)，通常以通常以m3/kg表示。表示。 煤气产率的影响因素：煤气产率的影响因素：原料煤炉型操作条件原料煤炉型操作条件第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 5消耗指标消耗指标 气化过程的消耗指标通常指单位质量的原料煤气化过程的消耗指标通常指单位质量的原料煤或单位体

49、积煤气消耗的蒸汽或氧气量或单位体积煤气消耗的蒸汽或氧气量(标况标况)，通，通常表示为常表示为: kg(蒸汽蒸汽)/ kg(原料煤原料煤)、kg(蒸汽蒸汽)/m3(煤气煤气)，m3(O2)/kg(原料煤原料煤)、 m3(O2)/kg(煤气煤气); 工业应用尤其是用于化工合成原料气时，使用单工业应用尤其是用于化工合成原料气时，使用单位有效气消耗原料煤或氧气量，即位有效气消耗原料煤或氧气量，即 kg(原料煤原料煤)或或m3(O2) /1000m3(CO+H2); 国外有时也以单位热量消耗，国外有时也以单位热量消耗， 如如kg(蒸汽蒸汽)或或m3(O2)/ MJ(或或BTU)表示。表示。第四节气化过程

50、的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 6.灰渣含碳量灰渣含碳量(原料的损失原料的损失)的含义是什么的含义是什么? 灰渣含碳量包括飞灰含碳量和灰渣含碳灰渣含碳量包括飞灰含碳量和灰渣含碳量，也有的书称作随煤气离开气化炉的带量，也有的书称作随煤气离开气化炉的带出损失和随灰渣离开气化炉的排出损失。出损失和随灰渣离开气化炉的排出损失。 （1）飞灰含碳量）飞灰含碳量 （2）灰渣含碳量）灰渣含碳量第四节气化过程的主要评价指标第四节气化过程的主要评价指标 7，什么是碳转化率，什么是碳转化率? 碳转化率是指在气化过程中消耗的碳转化率是指在气化过程中消耗的(参与参与反应的反应的)总碳量占总碳量占入入炉原料煤