煤化学第十章煤化工工艺学..doc

第十章 煤化工工艺学 煤炭转化的发展已有多年的历史，煤化工开始于18世纪后半叶，19世纪形成了完整的煤化工体系。进入20世纪，煤化工成为化学工业的重要组成部分。第二次世界大战以后，由于石油化工发展迅速，很多化学品的生产从以煤为原料转移到以石油、天然气为原料，从而削弱了煤化工在化学工业中的地位。进入到21世纪之后，由于中国的煤炭资源地位和积极快速发展对煤化工产品的巨大需求，使得煤化工产业在中国得到迅速发展，如煤炭焦化、煤气化制合成氨和甲醇等，每年转化的原料煤约5亿多t，折合原煤7亿～8亿t。 目前国内煤化工的主要产业为焦化工业和煤基合成氨工业，近年来逐步发展的煤制甲醇和煤变油等项目，正推动我国煤化工产业的快速发展和科技进步，从而形成以洁净能源型产品为主的新型煤化工工业，包括煤液化技术、IGCC等各类煤基多联产技术。这些技术将会根据各地煤炭资源条件、产品市场定位和工业生产条件，在我国的不同地区建成多样化的煤炭转化生产体系。无论哪种生产方法，绝大多数将煤转化工艺的最初步骤仍然可划分为煤炭干馏、气化和直接液化这三类，因此可以说，煤炭干馏、气化和液化既是煤炭转化的核心，也是煤炭转化的基础。 第一节 煤炭焦化 一、焦炭的性质与用途 焦炭的性质可以划分为表现性质、物理机械性质和化学性质三个方面，不同用途的焦炭的性质要求是不相同的，有各自的质量标准。 (一)焦炭的外观与孔结构 焦炭是黏结煤在隔绝空气的条件下干馏所得到的多孔性固体块状物，肉眼可以观察到焦炭表面的裂纹和气孔结构。焦炭的裂纹和气孔结构对焦炭其他性质有很大的影响，尤其是焦炭的机械强度和化学反应性能。 1.焦炭裂纹 焦炭中的裂纹分为纵裂纹和横裂纹两种，炼焦生产规定裂纹面与焦炉炭化室炉墙面垂直的裂纹称为纵裂纹;裂纹面与焦炉炭化室炉墙面平行的裂纹称为横裂纹。焦炭中的裂纹情况主要取决于炼焦配煤的性质和炼焦工艺条件，通常由高挥发分、弱黏结性配煤所炼得的焦炭裂纹多。 2.气孔率 焦炭的气孔率是指焦炭中气孔体积与焦炭总体积比的百分数。气孔率可以利用焦炭的真相对密度和视相对密度计算。 3.焦炭的多孔性与煤质关系 对于冶金焦和铸造焦而言，希望焦炭的气孔率尽可能低，从而降低焦炭的反应性，提高焦炭质量。在一定的炼焦条件下，焦炭的气孔率取决于煤质条件。一般情况下，焦炭的气孔率与煤的挥发分产率成正比，即随配煤煤化程度的提高，所得焦炭的气孔率下降。 (二)焦炭的化学组成 1.工业分析组成 焦炭的工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳的测定，其测定方法与煤的工业分析基本相同。 (1)水分Mt 湿法熄焦的焦炭水分一般在6%以上，而干法熄焦的焦炭水分含量较低，因吸附大气中的水汽使其含水约1%～1.5%。水分对焦炭质量并无太大影响，作为冶金焦使用，水分含量的波动会影响高炉的操作。 (2)灰分Ad 焦炭中的灰分来自煤中的矿物质，灰分的存在降低了焦炭的质量。高炉炼铁生产过程中，焦炭中的灰分和矿石中的杂质需要用熔剂转化成炉渣排出。焦炭灰分增高，使得高炉的生产能力受到影响，同时炼铁的能耗相应也增大。一般焦炭灰分每升高1%，高炉熔剂消耗量约增加4%，炉渣量约增加3%，每吨生铁消耗焦炭量(焦比)增加1.7%～2.0%，生铁产量降低约2.2%～3.0%。因此降低炼焦用精煤的灰分对提高焦炭的质量具有重要意义。 (3)挥发分Vdaf和固定碳FCdaf 焦炭的残余挥发分是焦炭成熟度的标志，成熟良好的焦炭挥发分为O.9%～1.0%左右。当焦炭的挥发分大于1.2%时，则表明炼焦不成熟。成熟度不足的焦炭耐磨性差，影响其强度。成熟过度的焦炭的块度将受到影响。 我国目前焦化企业生产的冶金焦炭质量大致为:水分Mad大多数厂控制在6%以下;灰分Ad在1l%～15%之间;挥发分Vdaf控制在0.9%～1.6%之间，多数企业控制在1.3%以下。 2.元素组成 焦炭的元素组成主要包括C、H、O、N、S、P等化学元素，其测定方法与煤的元素分析方法基本相同，焦炭的元素组成是进行燃烧计算和评定焦炭中有害元素的依据。 碳和氢是焦炭中的有效元素，氢元素的存在主要是焦炭中残余挥发分而造成的，氢含量的高低也可以表征焦炭的成熟度。 焦炭中硫含量的高低是决定焦炭质量的另一个重要指标。由于煤中硫的存在有多种形态，炼焦过程中，硫的变化以及所生成的气态硫化合物与高温焦炭反应，导致焦炭中硫的存在形式也是多样的，工业上一般只测定焦炭的全硫St。 高炉炼铁生产过程中，由炉料带入的硫分，除少量随高炉煤气带出，大部分加入高炉内的硫循环，炉料带入的硫大部分由炉渣带出炉外，以维持高炉内硫的进出平衡。生铁中含硫量一般不允许超过0.05%，由于焦炭带入的硫分占炉料硫分的80%以上，如果焦炭含硫量高，为了将硫分脱除，高炉的生产操作将因此产生诸多不利影响。 焦炭中的硫分与煤的硫分有如下关系