工业化学课件第2章.ppt

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1、2.1能源的需求与来源,1,2.1.1 能源的需求20世纪80年代,世界能源的需求量显著增长,现在世界的主要能源是煤、石油、天然气、水能和核能等。1998年世界一次能源消费组成为石油40%,煤26%,天然气20%,核能7%,再生能源3%。能源的消费量是与国民经济的发展速度相适应的。,2能源资源与煤化工,2,世界能源消耗的结构上也已发生了很大的变化。从1950年至1998年,煤的比例由60%逐渐下降到26%,而石油的比例则由25%增加到1975年的45%后,1998年又降为40%。我国能源有了很大发展,20世纪60年代能源产量如表2-1所示。由表可见,中国能源消费结构长期以来一直是以煤为主,用于

2、工业锅炉、窑炉、采暖的煤炭比例很高,约占47%48%。据统计,1995年全国一次能源生产量和消费量分别为1.239Gt和1.29Gt,其中煤炭为1.36Gt,居世界各国之首;原油产量149Mt,居世界第五位;天然气1.71010m3,发电量1.0071012kWh,成为世界第二大电力生产国。,能源的来源,3,1)石油石油是远古海洋或湖泊生物在地下经过漫长的地球化学演化而形成的复杂混合物。目前全世界每年约消耗石油3Gt,其中85%以上作为燃料。全世界石油资源的地埋分布情况为:中东56.7%、西半球11.7%、非洲9.2%、亚太地区3.1%。1998年世界原油加工能力为4.02Gt中国原油产量达到

3、162.51Mt,原油加工能力为270.29Mt。,4,5,2)天然气天然气广义上是指埋藏于地层中自然形成的气体总称。1983年探明世界天然气储量约901012m3,主要分布(%)为:苏联35、中东29、北非8、美国7、西欧6。1983年世界产气量为 1.561012m3。我国1980年探明的天然气储量约7.2 861011m3,约占世界储量的1%,天然气田主要分布在四川、大庆、河南、华北地区、辽河、胜利油田及沿海一带大陆架。,1.2 化学工业的发展史,6,3)煤煤是古代植物长期埋藏在地下,处于空气不足条件下,经历复杂的生物化学和物理化学变化,逐步形成的固体可燃物。世界煤炭资源丰富,1996年

4、可采储量为984.21Gt,中国煤的储量和产量均居世界前列,1996年可采储量114.5Gt,居世界第三位。,7,4)核燃料核燃料在一些重要领域,特别在发电方面是能够代替矿物燃料的。铀和钍的储量很大,而且在世界上分布很广,在低等和中等范围内铀储量大约有4Mt,其中已证实的有2.2Mt。钍的储量约为2.2Mt。普通的轻水反应堆基本上只使用 U-235(在天然铀中含量达 0.7%),每千克铀相当于58.6MJ,假如采用增殖反应堆来充分利用这些铀资源,其能量可增加125倍。而每千克钍的能量与铀相当。所谓高度增殖反应堆,就是从不裂变的同位素 U-238中获得可裂变的钚-239(Pu-239)及从钍-2

5、32(Th-232)中获得可裂变的。,新能源,8,A.燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池有碱性燃料电池(AFC),磷酸型燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)等。其中10 kW级的高性能碱性燃料电池是美国航天飞机的主要电源,已应用近20年。磷酸型燃料电池是以天然气、石油或甲醇为燃料,空气为氧化剂,已建立11MW 的电站,技术趋于成熟,但尚未达到商业化程度。熔融碳酸盐型燃料电池,与煤造气技术联合,已建立了2MW 中心电站以改变燃料结构,21世纪初将建立MW级商业试运行电站。,9,B.新型汽车燃料1）燃料酒精及燃料甲醇目前,中国每

6、年消耗的汽油为40Mt,开发燃料酒精及燃料甲醇等石油替代品,以节省石油资源,在我国石油生产量尚不能满足消费需求的情况下,是十分重要的。2）生物柴油从植物油(包括动物油脂)生产的柴油称为生物柴油,它是一种植物油中长链脂肪酸的单烷基酯。生物柴油基本上不含硫和芳烃,其十六烷值也高,其他性能也符合柴油要求,只是倾点较高,影响低温启动。(1)少排放 CO2,从而减少对地球的温室效应;(2)本身无毒、无害,能自行分解回归自然界;(3)不排放 SOx,是一种清洁燃料。,能源与环境,10,燃煤烟气产生的大气污染主要表现在:(1)温室效应,污染物质主要是 CO2;(2)酸雨,污染物质主要是 SO2,NOx 也有

7、部分作用;(3)大气臭氧层破坏,污染物质主要是 NOx;(4)颗料悬浮物气溶胶,污染物质主要是燃煤产生的灰尘,通常小于5m。根据环保部门测定,1995年我国煤炭消耗量1.28 Gt,SO2 排 放量达23.7Mt,超过美国目前的21Mt,成为世界 SO2 排放的第一大国。此外,我国排放的 CO2 折合碳为821Mt,占世界的13.2%,仅次于美国。为此,1997年国务院批准了国家环保总局制定的 酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案,决定分阶段实施我国酸雨和二氧化硫的控制目标。,11,我国城市大气污染主要是局部地区如火电厂的烟气排放造成的。2000年我国火电装机容量将达220GW,其中SO2

8、排放量接近全国一半,预计到2010年火电装机容量可达500GW,其中SO2 产生量约占全国的2/3,所以SO2排放的总量控制,重点应放在火电厂。烟气脱硫(FGD)是世界上惟一大规模商业化应用的脱硫方法,是控制酸雨和 SO2 污染的最为有效的和主要技术手段。近年来,我国从国外引进的火电厂(200300MW)烟气脱硫装置的脱硫方法主要有:(1)石灰石 石膏法;(2)炉内喷钙加尾部增湿烟气脱硫;(3)海水烟气脱硫。,2.2煤化工,12,煤是重要的能源之一,由于储藏量多,可供几百年开采之需,因此合理利用煤资源有着广阔的前景。煤是古代植物堆积在地层中经炭化而成的。根据其炭化过程大致可分为泥煤、褐煤、烟煤

9、和无烟煤四类。泥煤是植物炭化的第一步产物,色褐黑而质致密,水分约为80%,燃烧热值较小。褐煤是炭化的第二步产物,色褐黄,呈木质结构又似泥土状,易燃,燃烧热小,约含30%40%水分 烟煤的炭化程度较褐煤为高,呈深褐色,质致密,燃烧时有浓烟。无烟煤的炭化程度最高,含挥发性组分最少而固定碳最多,不易燃,发热值最高。以煤作为有机化工的原料,其加工方法主要有:(1)煤的焦化得到煤焦油和焦炭;(2)煤的气化得到合成气,作为化学合成的原料;(3)煤的液化得到合成燃料;(4)煤与氧化钙制取电石,进一步生产乙炔系产品。,洁净煤技术,13,概述洁净煤技术是指在煤炭开采到利用的全过程中,旨在减少污染排放与提高利用效

10、率的加工、燃烧、转化和污染控制等新技术。最新开发的技术,如维新21(Vision21)技术见图2-1,煤的利用率可以提高至55%,因而大大降低了温室气体的排放量。洁净煤技术主要包括:(1)煤炭洗选;(2)煤炭加工型煤及水煤浆技术;(3)转化煤炭气化、液化;(4)先进的发电技术;(5)烟气净化除尘、脱硫、脱氮。,14,15,B.洁净煤技术1)选煤选煤是通过各种方法把原煤中的矿物质去除掉,并加工成质量均匀、用途不同的各品种煤的煤炭加工技术。选煤的方法主要有重力选煤,煤的浮选,化学选煤及微生物选煤等。选后的精煤主要供炼焦、动力、化工以及有炭制品材料等使用。2)型煤技术型煤技术是一种适合国情、经济实用

11、的洁净煤技术,该技术是用一种或数种煤与一定比例的粘结剂、固硫剂等经加工成有一定形状和有一定理化性质的块状燃料或原料。型煤分为民用型煤和工业型煤。我国民用型煤(蜂窝煤)技术已达国际水平,但工业型煤尚处于试验阶段,技术还比较落后。,16,3)水煤浆技术水煤浆是一种新型的煤基液体燃料,是用一定细度的煤粉与水混合而成的,具有一定稳定性和流动性,可长距离泵送的浆状煤炭产品。我国目前水煤浆主要为:高浓度水煤浆；气化工程原料用水煤浆。4)洁净燃烧技术洁净燃烧技术主要有循环流化床燃烧(CFBC),煤气、蒸汽联产(CFBGC),部分气化联合循环发电,整体煤气化联合循环(I GCC)。,煤的液化,17,煤的液化是

12、将煤经化学加工转化为液体燃料(包括烃类及醇类燃料)的过程,是洁净煤技术之一。煤的液化可分为两类:(1)直接液化,煤经高压加氢直接转化为液体产品;(2)间接液化,煤先气化制得合成气,再催化合成得到液体产品。,18,A.直接液化煤的直接液化又称加氢液化。通常在深度加氢情况下,煤才会转化为液体产品。煤的加氢过程复杂,还不能完整地描述出来。主要反应是:(1)煤受热裂解的热裂解反应;(2)煤的加氢裂解反应,如多环芳香结构饱和加氢、环破裂及脱烷基,使分子量降低;(3)煤中氧、硫、氮原子的脱除反应。,19,直接液化的方法：(1)柏吉斯法 柏吉斯法是最早的一种液化技术,采用高压方法使煤加氢裂解为液体燃料。这一

13、方法是将煤与溶剂(重质油)制成浆液,预热后注入反应器内进行高压加氢,所得的反应混合物经分离,得到轻油和中间馏分油。(2)埃克森供氢溶剂法(EDS法)1976年开发的 EDS法,是借助供氢溶剂的作用,在温度450和压力15MPa下将煤加氢液化成液体燃料。供氢溶剂是将循环溶剂进行加氢得到的。过程主要包括原料混合、加氢液化和产物分离。,20,(3)溶剂精炼煤法(SRC法)SRC法是将煤用溶剂制成浆液送入反应器,在440460和氢压1214MPa下,裂解或解聚成较小的分子。SRC-氢耗量较低,产品是固态的。SRC-的氢耗量较高,产品是液态的燃料重油。(4)氢煤法 氢煤法是在450和高温性载体催化剂的作

14、用下,使煤在氢压(21MPa)下裂解成小分子的烃类液体燃料。其特点是采用加压催化流化床反应器。,21,22,B.间接液化(费托法)1923年由德国开发的费托法,以煤为原料,先气化制成合成气,然后在温度200350、压力13MPa下,通过铁和钴催化剂作用,将合成气转化为烃类及醇类燃料。费托法的主要反应是从CO和H2生成烷烃、烯烃和醇类的反应,其化学反应方程式如下:,23,煤的干馏,24,烟煤在隔绝空气的条件下加热,使之热分解而生气煤气、焦油和焦炭的过程称为煤的干馏。按加热终温的不同,可分为三种。(1)高温干馏,又称焦化,温度为9001100。焦化是应用最早且至今仍然是最重要的方法,其主要目的是制

15、取冶金用焦炭,同时副产焦炉煤气和高温焦油。(2)中温干馏,温度为700900。(3)低温干馏,温度为500600。低温干馏的焦油产率较高,而煤气产率较低。,25,A.煤的干馏过程(热解过程)煤在干馏时,主要经历的过程如下。当煤料温度高于100时,煤中的水分蒸发;温度升高到200以上时,煤开始分解,释放出结合水及甲烷、CO等气体;温度高达350以上时,粘结性煤开始软化,并进一步形成粘稠的胶质体(泥煤、褐煤等不发生此现象);温度至400500时大部分煤气和焦油析出,称一次热分解产物;在450500,热分解继续进行,残留物逐渐变稠并固化形成半焦;高于550,半焦继续分解,析出余下的挥发物(主要成分是

16、氢气),半焦失重同时进行收缩,形成裂纹;温度高于800,半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时,一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触,发生二次热分解,形成二次热分解产物。,26,B.煤热解的影响因素煤热解是一个非常复杂的反应过程,总的讲主要包括裂解和缩聚两大类反应。在热解前期,以裂解反应为主,首先键及侧链等断裂生成一次热解产物,然后在更高温度下发生二次热解反应,如裂解、芳构化、加氢、缩合等反应。后期则以缩聚反应为主,最后形成焦炭。煤热解的影响因素主要是煤的质量及加热时的升温速度。炼焦用煤应具有一定的粘结性,即粉状煤料加热时能软化、熔融,经过胶质状态,使煤粒彼此结合,固化成

17、坚实的块状焦。为此通常采用配煤炼焦。其次在焦炉中的升温速度通常为3 K/min。,27,C.高温干馏产物煤经干馏过程后生成煤气、焦油、氨、粗苯和焦炭等产物,其化学品的回收流程图2-4所示。,28,(1)煤气 煤气产率随原料煤的挥发分不同而异,其组成主要含有:H2 54%59%,CH4 23%28%,CO 5.5%7%,CnHm 2%3%,低热值量为17.5918.42MJ/m3(STP)。(2)焦炭 焦炭是煤经热分解后的固体残余物,高温干馏时的焦炭产率为70%80%。(3)煤焦油 简称焦油,是由焦炉煤气中冷凝分离出来的一种混合物,这些化合物并不存在于煤中,而是在干馏中生成的。焦油为黑色粘稠液体

18、,相对密度大于1.0,约为1.051.25,其生成量根据煤炭种类及焦化条件而定,每吨干煤可得煤焦油2545kg,粗苯714kg,氨2.54.5kg。,29,焦油中所含的化合物估计有一万种,目前已被鉴定的有480余种,而从煤焦油中可以单独分离出来的有200余种,其余大部分是含于沥青中的多环芳烃和杂环芳烃。工业上广泛应用的焦油产品约为3040种,虽然种类不多,但仍是有机化工的重要原料资源。尤其是吡啶、喹啉、萘、蒽、咔唑等,仍需从煤化工提供。表2-3列出了焦油中的主要化合物。,30,工业上为了分离提取含量较少的化合物,一般将煤焦油集中加工。首先按沸点范围蒸馏分割为各馏分(见表2-4),然后再进一步加工。,31,(4)焦炉煤炼焦的主要设备称为焦炉,又称炼焦炉,如图2-5所示,炉体主要由炭化室、燃烧室和蓄热室构成。一般碳化室宽0.40.5 m,长1017 m、高47.5 m,顶部设有加煤孔和煤气上升管(在机侧或焦侧),两端用炉门封闭。燃烧室在炭化室两侧,由许多立火道构成。蓄热室位于炉体下部,分空气蓄热室和贫煤气蓄热室。,32,现代化焦炉主要部分用硅砖砌筑,火道温度可达1400,炭化室平均温度约1100。成焦时间因炭化室宽度和火道温度而不同,一般为1318h。,