四、天然氣與煤化工

第六章天然氣化工與煤化工6.1天然氣與煤

天然氣是蘊藏在地層中的可燃氣體，其主要成分是甲烷，也有少量的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等低級烷烴。有時也含有氮氣、二氧化碳和硫化氫等氣體。與其他化石燃料相比，天然氣燃燒時僅排放少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物，是一種清潔的能源。天然氣分為干氣與濕氣：

干氣的主要成分為甲烷，通常含量達80～90%；常溫時加一定壓力不能液化。濕氣中的甲烷含量一般低于80%，常溫時加一定壓力可部分液化——液化氣。6.1.1天然氣資源與組成①氣田②油田氣③瓦斯氣目前，剛剛探明的龍崗氣田是中國最大的氣田，經濟可采儲量就達7000億立方米，內蒙古蘇里格氣田排名第二，已探明儲量5336億立方米，普光氣田排名第三，已探明儲量3560億立方米。我國已探明的經濟可采儲量加起來只有2.5萬億立方米。天然氣資源我國三大公司的油氣儲量油氣田的爭奪6.1.2煤資源與組成煤是由高等植物經生物化學、物理化學和地球化學作用轉變成的固體有機可燃礦物。煤化序列為：植物泥炭(腐泥)褐煤煙煤無煙煤。成煤植物中所有組分都參與了煤的形成過程，其中主要是纖維素和木質素。6.1.2煤資源與組成

煤的組成以有機質為主體，構成有機高分子的主要是碳、氫、氧、氮等元素。煤中存在的元素有數(shù)十種之多，但通常所指的煤的元素組成主要是五種元素、即碳、氫、氧、氮和硫。在煤中含量很少，種類繁多的其他元素，一般不作為煤的元素組成，而只當作煤中伴生元素或微量元素。一般認為，煤是由帶脂肪側鏈的大芳環(huán)和稠環(huán)所組成的。這些稠環(huán)的骨架是由碳元素構成的。因此，碳元素是組成煤的有機高分子的最主要元素。燃料碳／％氫／％氧和氮／％低發(fā)熱量泥煤60-705-626-388380-10500褐煤70-805-616-2710500-16700煙煤80-904-56.2-16.720900-29300無煙煤90-981-31.2-4.320900-25100不同煤的元素組成和發(fā)熱值6.2天然氣化工天然氣化工是以天然氣為原料生產化學產品的工業(yè)，一般包括天然氣的凈化分離、化學加工（所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烴的加工利用）。從地下采出的天然氣，在氣井現(xiàn)場，經脫水、脫砂與分離凝析油后，根據(jù)氣體組成情況進行進一步的凈化分離加工。富含硫化物的天然氣，必須經過脫硫處理，以達到輸送要求，副產品的硫磺作為硫資源，用以生產硫酸、二硫化碳等一系列硫化物；脫硫后，天然氣經過深冷分離，可得到液化天然氣；若天然氣富含稀有氣體氦，可同時得到氦氣；若天然氣是富含乙烷以上烷烴的濕氣，則可同時得到天然氣凝析液，后者常采用精餾的方法，以回收乙烷、丙烷、丁烷，并且還有一部分凝析油。6.2.1凈化分離包括在高溫下進行的天然氣熱裂解，主要生產乙炔和炭黑；天然氣蒸汽轉化或天然氣的部分氧化，可制得合成氣（CO，甲烷，H2）；天然氣經過氯化、硫化、硝化、氨化氧化、氧化可制得甲烷的各種衍生物；濕性天然氣中的乙烷、丙烷、丁烷和天然氣凝析液等，經蒸汽裂解或熱裂解可生產乙烯、丙烯和丁二烯；丁烷脫氫或氧化可生產丁二烯或醋酸、甲基乙基酮、順丁烯二酸酐等。6.2.2化學加工主要產品：合成氨、尿素、甲醇、甲醛和乙烯。在世界合成氨產量中，約80％以天然氣為原料。世界氨廠建設重點正由過去歐美等國轉向天然氣資源豐富地區(qū)。石腦油或燃料油為原料的氨廠將逐步向天然氣或煤為原料過渡。甲醇為世界大宗有機化工產品之一，世界甲醇生產中70％以天然氣為原料。天然氣為原料的乙烯裝置生產能力約占世界乙烯生產能力的32％，其乙烯收率比以石腦油等輕質石油餾分為原料的約高一倍?；瘜W加工的主要產品6.3煤的化工利用

隨著世界經濟的增長和人民生活水平的提高，石油供求矛盾日益突出。20世紀70年代末開始至今，出現(xiàn)了兩次大的石油危機，加之石油價格大起大落，嚴重危及各國經濟、能源和安全。因此，調整能源結構、開辟多種能源利用渠道，合理開發(fā)利用煤炭資源已成為有識之士的共識。世界煤炭總儲量107539億噸，其中硬煤81300億噸。擁有煤炭資源的國家大約70個，其中儲量較多的國家有中國、俄羅斯、美國、德國、英國、澳大利亞、加拿大、印度、波蘭和南非地區(qū)，它們的儲量總和占世界的88%，而世界現(xiàn)已探明的煤炭儲量是石油的6.3倍。世界煤炭資源十分豐富，發(fā)達國家已投入大量資金研究潔凈煤技術，煤化工的比例有所回升，這是煤化工發(fā)展的新趨勢。煤炭儲量

我們國家能源現(xiàn)在70%還是要靠煤（我國煤94％集中在大別山～秦嶺～昆侖山一線以北地區(qū)）。但是我國在煤炭開采這個領域問題相當嚴重，煤開采過程中造成環(huán)境的破壞、資源的浪費、人員的傷亡。煤炭利用效率低、污染嚴重。要改變這個狀態(tài)，一方面要在煤的先進發(fā)電方面做工作，另一個方面就是把煤轉化成其他的東西，比如轉化成油，轉化成化工產品。我國的煤炭利用我國煤礦分布情況小煤礦的現(xiàn)狀煤老板的闊綽

用煤煉焦時，副產約3%的煤焦油，煤焦油富含苯、甲苯、萘等有用芳烴，將這些芳烴提取出來，為染料生產提供了充足原料。隨后，人們用焦炭和石灰石融煉出電石（CaC2），電石與水反應輕而易舉地制得乙炔，利用乙炔的特有活性可制得氯乙烯、醋酸乙烯、氯丁二烯、三氯乙烯、丙烯腈、乙醛、異戊二烯等有機原料，再由此衍生最終產品，這是煤化工最燦爛的歷史階段。煤的過去

溫室效應！正是由于存在這種效應，地球才能保持較高的溫度，創(chuàng)造出適宜生命存活的環(huán)境。要是沒有溫室氣體，近地層平均氣溫要比現(xiàn)在下降33℃，地球會變成一個寒冷的星球。但是，近幾十年來由于人口增加、工業(yè)發(fā)展、城市增多、森林砍伐等原因，大氣中二氧化碳、甲烷、氟利昂等溫室氣體顯著增加，導致異常天氣頻繁發(fā)生，對社會和經濟發(fā)展產生嚴重的影響。近100年來，大氣中的二氧化碳含量已經增加了20%。

大量煤炭作為終端能源直接消費，尤其是在燃燒技術落后、效率低下的情況下消費，引起嚴重的環(huán)境問題，大量排放二氧化硫及其引發(fā)的酸雨，已成為影響許多地區(qū)經濟社會發(fā)展的重要因素。燃煤工業(yè)鍋爐是繼燃煤電站后中國的第二大類用煤設備，也是第二大污染源。6.3.1煤的干餾

煤在隔絕空氣條件下加熱至較高溫度而發(fā)生的一系列物理變化和化學反應的復雜過程，稱為煤的熱解，或稱熱分解和干餾。煤粉隔絕空氣受到強熱時，有氣體生成。這些氣體經過冷卻可凝結，并分為兩層，上層為澄清、透明的液體，下層為黑褐色粘稠的油狀物——煤焦油。另一部分沒有凝結的氣體可以點燃，這種氣體叫做焦爐氣。反應完畢后的黑灰色的固體物質叫做焦炭。煤干餾的主要產品和用途干餾產品

主要成分

主要用途出爐煤氣焦爐氣氫氣、甲烷、乙烯、一氧化碳

氣體燃料、化工原料粗氨水

氨、銨鹽

氮肥粗苯

苯、甲苯、二甲苯炸藥、染料、醫(yī)藥、農藥、合成材料

煤焦油

苯、甲苯、二甲苯

酚類、萘類染料、醫(yī)藥、農藥、合成材料

瀝青

筑路材料、制碳素電極

焦炭

炭冶金、合成氨造氣、電石、燃料

6.3.2煤的氣化

呈固體狀態(tài)的煤使用和運輸起來都很麻煩。在許多情況下，不能直接燃燒固態(tài)煤；直接燒固體煤，熱效率低，浪費大，如蒸汽機車熱利用率只有8％，一般民用煤爐只有20％左右；同時還會放出二氧化硫、氧化氮等多種有害氣體，對環(huán)境的污染相當嚴重。為了預防或減少煤燃料對環(huán)境和人體健康帶來的危害，世界各國大力開展了對煤利用新技術的研究，其中主要包括對煤的液化和氣化技術。煤的氣化和液化就是使煤變成清潔能源的有效途徑，與此同時煤的燃燒效率等也得到提高。一.煤氣化原理

氣化過程是煤炭的一個熱化學加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧（空氣、富氧或工業(yè)純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學反應將煤或煤焦中的可燃部分轉化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體為煤氣，對于做化工原料用的煤氣一般稱為合成氣，進行氣化的設備稱為煤氣發(fā)生爐或氣化爐。

煤炭氣化包含一系列物理、化學變化，一般包括干燥、熱解、氣化和燃燒四個階段。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應，生成大量揮發(fā)性物質（包括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發(fā)生化學反應，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產物，即粗煤氣。煤的氣化過程主要反應有：

（1）C+H2O=CO+H2

（2）CO+H2O=CO2+H2

（3）C+0.5O2=CO

（4）C+O2=CO2

（5）CO+2H2=CH4

（6）C+CO2=2CO二.煤氣化工藝

煤炭氣化技術一般按照反應器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤化工產品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝(技術)是發(fā)展煤化工的重要前提，其中反應器便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發(fā)展是隨著反應器的發(fā)展而發(fā)展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環(huán)境，新一代煤氣化技術的開發(fā)總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5MPa）發(fā)展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發(fā)展；氣化原料向多樣化發(fā)展；固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。三.煤炭氣化技術的應用

（1）工業(yè)燃氣。主要用于加熱各種爐、窯，或直接加熱產品或半成品。（2）民用煤氣。出于安全、環(huán)保及經濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，而CO有毒其含量應盡量低。（3）作為化工合成和燃料油合成原料氣。（4）作為冶金還原氣。煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。（5）作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃氣。（6）煤炭氣化制氫。（7）煤炭液化的氣源。城市煤氣城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提高熱值和減少城市空氣污染。煤氣中的味道是？甲硫醇。甲硫醇是一種工業(yè)副產品，其味道類似黃鼠狼的味道。在一項實驗中有過這樣對比：同樣1升空氣，麝香只要含有5×10-6mg即可聞到，而甲硫醇則僅4×10-11mg，就會被人嗅出。但是甲硫醇也是有毒的，相比而言，還是在安全范圍內，但是聞久了，也不是什么好事。所以，建議大家一定要開著抽油煙機做飯，不要疼那幾個電錢，畢竟生命只有一次。6.3.3由煤生產電石電石由生石灰和焦炭放在電爐中加熱到2000℃生成，學名碳化鈣。因為是在電爐中煉成，就得到了一個并不十分科學的名稱——電石。電石與水反應生產乙炔，再由乙炔生產下游產品。我國主要下游產品為生產氯乙烯單體進而生產聚氯乙烯。近年來，我國電石生產能力遞增速度為4%，產量居世界第一位。隨著國內PVC價格走高和國際油價的居高不下，電石法生產PVC利潤空間增大，帶動電石原料需求快速升溫。6.4煤化工的發(fā)展方向

煤的潔凈化已經成為21世紀解決能源、環(huán)境問題，發(fā)展煤化工的主導技術。它是以煤炭洗選為源頭，以煤炭氣化為先導，以煤炭高效、潔凈燃燒與發(fā)電為核心，以煤炭轉化和污染控制為重要內容的技術體系。其基本框架是：煤炭加工（選煤、型煤、水煤漿）等；煤炭燃燒（流態(tài)化燃燒、高效低污染粉煤燃燒、燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等）；煤炭轉化（氣化、液化、燃料電池）等；污染排放控制與廢棄物管理（煙氣凈化、粉煤灰綜合利用）；煤礦區(qū)污染控制（煤矸石、煤層氣、礦井水和煤泥水的治理），實質是在煤加工的各個環(huán)節(jié)減少污染和提高效率。綜合利用煤

煤層氣是一種在含煤巖層中，以腐植性有機物質為主的成煤物質在成煤過程中自生、自儲式非常規(guī)的天然氣，俗稱瓦斯，主要成分為CH4占85%以上。煤層氣在煤層中生成，并以吸附、游離狀態(tài)儲存在煤層及鄰近巖層之中。煤層氣是熱值高、無污染的新能源。它可以用來發(fā)電，用作工業(yè)燃料、化工原料和居民生活燃料。煤層氣隨著煤炭的開采泄漏到大氣中，會加劇全球的溫室效應。而如果對煤層氣進行回收利用，在采煤之前先采出煤層氣，煤礦生產中的瓦斯將降低70%到85%。6.4.1煤層氣利用6.4.2煤拔頭工藝

煤炭拔頭工藝利用快速熱解、快速分離和快速冷卻，回收煤炭中揮發(fā)份。利用循環(huán)流化床技術，煤炭拔頭工藝可實現(xiàn)多產品的能源轉化。煤粉和來自循環(huán)流化床提升管產生的熱灰在下降管快速混合，快速熱解，析出揮發(fā)份；析出的揮發(fā)份氣體和固體顆粒快速分離；利用循環(huán)液體介質，快速冷卻得到液體產物；熱解產生的半焦在提升管燃燒供熱，難凝氣體可供民用；從液體產物中可提取出一些高附加值的芳香族碳氫化合物。6.4.3煤的液化一.直接液化煤的直接液化是通過加氫使煤中復雜的有機化學成分直接轉化為液體燃料，轉化過程是在含煤粉和溶劑的漿液系統(tǒng)中進行加氫，需要較高的壓力和溫度。煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由C，H，O等元素組成的有機物，但煤的平均表現(xiàn)分子量大約是石油的10倍，煤的含氫量比石油低得多。所以煤加熱裂解，使大分子變小，然后在催化劑的作用下加氫(450～480℃，12MPa～30MPa)可以得到多種燃料油。

煤的直接液化原理似乎簡單，實際工藝還是相當復雜的，涉及裂解、縮合、加氫、脫氧、脫氮、脫硫、異構化等多種化學反應。不同的煤又有不同的要求。一般情況下，1t無水無灰煤可產500～600kg油，加上制氫用煤，約3～4t原煤產1t成品油。煤直接液化油可生產潔凈優(yōu)質汽油、柴油和航空燃料。直接液化工藝

煤的間接液化是先將煤氣化制成合成氣(CO+H2)，再經過催化合成為液體燃料。約5～7t煤產1t油。其優(yōu)點是煤種適應性寬，操作條件比直接液化相對溫和，煤灰等三廢問題主要在氣化過程中解決，其缺點是涉及到氣化合成氣過程，總效率低。二.間接液化

煤的液化是否能得到發(fā)展，決定于石油是否能滿足不斷增長的需要、煤跟石油的比價以及煤的液化技術的成熟程度。從世界范圍來看，由于石油價格的增長，液化技術的日臻成熟，煤液化工業(yè)的再度興起是可能的。對我國來說，目前汽油和煤的比價比國外更有利于發(fā)展以合成高級汽油為主要目的的煤的液化。在有煤地區(qū)發(fā)展煤的液化還是可以探索的。神華集團的股票走勢6.4.4DMTO技術DMTO是以煤或天然氣替代石油做原料生產乙烯和丙烯的技術。主要通過煤制氣，再由煤氣制甲醇，最后由甲醇制取低碳烯烴的技術。它解決了煤制烯烴的技術瓶頸，是連接煤化工和石油化工的橋梁，為煤化工行業(yè)和煤制烯烴產業(yè)提供了有力的技術支撐。6.4.5煤制氫

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，即可獲得氫氣。

6.4.6合成氣用于合成液體燃料和發(fā)電

煤氣化制取合成氣（CO和H2）；合成氣優(yōu)先用于生產化工原料和運輸燃料；剩余合成氣用于發(fā)電。9、要學生做的事，教職員躬親共做；要學生學的知識，教職員躬親共學；要學生守的規(guī)則，教職員躬親共守。2023/11/42023/11/4Saturday,November4,2023