化工导论第五章 天然气化工与煤化工.ppt

第5章 天然气化工与煤化工 5.1 天然气与煤 5.2 天然气化工 5.3 煤的化工利用 5.4 煤化工发展方向 5.5 温室气体的化学利用 天然气 天然气（natural gas）主要成分: 甲烷，尚含有不同量的乙烷、丙烷和丁烷以及少量的戊烷以上的重组分，此外还可能含有硫化氢、二氧化碳、氮、氢气等杂质。 干气和湿气: 一般在天然气中的C5以上重质烃含量低于0.00135 % 时称为干气，而高于此值则被称为湿气。 天然气资源的蕴藏形式（1） 气田：天然气单独蕴藏，主要成分是甲烷，有的甲烷含量高达99%以上。 油田气中C5以上烷烃能以“气体汽油”形式分离出来，称为凝析油。 油田气或油田伴生气：天然气与石油共生.多为湿气. 其中丙烷、丁烷能以“液化气体”的形式分离出来，称“液化石油气”（LPG）。 天然气资源的蕴藏形式（2） 煤层气: 又称瓦斯气或煤层甲烷，是非常规天然气的一种重要类型.其储量很大。 天然气水合物: 存在于地球高纬度的冻土带和深度不到2000m的海底, 由CH4与H2O组成的具有确定晶体结构的笼形化合物，估计储量很大，但目前尚未得到利用。 我国天然气蕴藏量 1996年探明天然气总储量为16697亿m3，居世界第16位； 1996年天然气产量为196.7 亿m3，名列世界第21位； 中国天然气的勘探和开发正逐步受到重视，预计今后20年内中国天然气的开发将进入高速增长期，2020年产量将达到1200亿m3，2050年的产量有可能达到1600亿m3左右。 煤资源与组成 煤（coal）是蕴藏在地下的固态有机可燃矿物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用，经过漫长地质年代的天然煤化作用而生成的。 煤类型划分: 腐殖煤、腐殖腐泥煤和腐泥煤。 腐殖煤可分为褐煤、烟煤和无烟煤，是近代煤综和利用和化学加工的主要煤种。 煤资源 世界煤的资源十分丰富，占世界可燃矿物资源的第一位约为15万亿吨。 中国在西汉时期（公元前206年至公元25年）人们已开始地下采煤，并用于冶铁。 中国煤炭资源主要集中在晋、陕、内蒙及新疆地区。 1995年末世界煤炭资源可采储量为10316亿吨，其中中国为1145亿吨，占世界总储量的11.1%，居世界第三位。 天然气与煤的能源利用 天然气和煤均是重要的能源。 在中国现今能源资源结构中，煤炭占到73.4%，水力占22.2%，石油和天然气仅为4.4%. 由于中国是以煤为主的能源结构，造成较严重的环境污染和较低的能源利用效率。 天然气目前的最大用途是用作工业加热燃料和家用燃料。由于天然气的热值高、污染少，是一种清洁能源，因此在能源结构中的比例逐年提高。 甲烷经合成气的化学转化与系列产品 水蒸气重整制合成气 (传统) CH4 + H2O → CO + 3 H2 （ ΔH=227 KJ/mol）强吸热反应， 反应温度900oC，反应炉处要燃烧一定量的天然气， 同时，反应过程必须使用过量的水以阻止催化剂失活。 天然气直接部分氧化制合成气: CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 （ΔH=－35.5 KJ/mol）放热反应 甲烷的直接化学转化 通过天然气的直接化学转化， 如氧化偶联、选择性氧化等可制成烯烃 、甲醇、二甲醚等，进而合成液体燃料。 甲烷转化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷电催化氧化、甲烷芳构化直接合成芳烃等也正在开发中。 天然气化学转化的方法不少，但是达到工业化水平并在经济上有竞争力的化学反应过程并不多。 甲烷氧化偶联制碳二烃 2CH4+O2 →C2H4+2H2O 2CH4+1/2O2 →C2H6+ H2O 为获取高收率，人们设计采用了其他多种活化方法，例如采用等离子体技术，电场技术，激光促进催化，膜催化，生物方法（酶催化）等，以上这些技术都是有目的的使甲烷生成CH3·自由基然后再进一步偶联。 甲烷直接合成含氧化合物 CH4+O2 →HCHO+H2O 近年来采用固体催化剂得到单程收率5-8%的甲醛。如果能将收率提高到20%或单程收率达10%，那么这个过程将具有重要意义。 甲烷直接氧化制甲醇 2CH4+O2 →2 CH3OH 多种催化剂已被实验，结果都不理想，目前最好的结果仍是无催化剂的均相反应，俄罗斯的一位学者进行了中试，得到60%的选择性和4%的转化率。 甲烷无氧脱氢芳构化 已报道的催化剂多为以Hzsm-5分子筛为载体的过渡金属（Pd，Pt等）或过渡金属（Re，Mo等）的氧化物，其中以改进型的Mo/Hzsm-5催化剂效果较佳。 大连化物所使用该催化剂，700℃