表5－1 总压0.1MPa时空气煤气的平衡组成
温度℃ CO2
650
10.8
CO
N2 α=CO/(CO+CO2)16.9 Nhomakorabea72.3
61.0
800
1.6
31.9 66.5
95.2
900
0.4
34.1 65.5
98.8
1000
0.2
34.4 65.4
99.4
结论：T ，CO ,CO2 T>900℃ ，CO2含量很少，主要是CO
铑络合物－HI催化剂
甲醇
3MPa，175℃
醋酸
铜、锌系催化剂
汽油、烯烃、芳烃
中低压、230－270℃
乙二醇
同系化
甲醇
乙醇
乙烯
合成气 ＋ 丙烯醇
1,4－丁二醇
5.1.2发展背景 煤
石油、天然气
5.1.3 关键问题
（1）实现新工艺，降低成本，解决污染问 题
（2）合成气生产烯烃、含氧化合物技术中 高压、高温、贵金属催化剂的替代。
气化反应至少在600～ 800℃进行：调节水蒸汽与氧的 比例，可控制炉中各层温度，并使温度稳定。
固定床连续气化法 常压法 加压法－鲁奇法(Lurgi)
特点：使反应速度加快，生产能力大，压力一般为2－ 3 MPa，从热力学角度，压力高有利于甲烷和CO2的生 成。
Mark V型，直径5m，每台产气量可达106m3/h
图5－3 鲁奇炉结构示意图 1.煤箱 2.分布器 3.水夹套 4.灰箱
5.洗涤器
5.2.2.2流化床气化法：
特点： 煤：粒度<10mm 流化状态 气体组成和温度均匀
温克勒炉(Winkler) 煤气组成(体积％） H2: 35～ 46 CO: 30～ 40 CO2: 13～ 25 CH4: 1～ 2
5.2由煤制合成气
5.2.1煤气化的基本原理
5.2.1.1化学平衡 （1）以空气为气化剂时
C + O2 =CO2 C +1/2O2 =CO C + CO2 = 2CO CO + 1/2O2 =CO2
-393.777KJ/mol (5-1) -110.595KJ/mol (5-2) +172.284KJ/mol (5-3) -283.183KJ/mol (5-4)
(1)对于碳与氧气的反应，一般认为先生成CO2，然后 CO2再与碳反应生成CO.
rC = kyO2
O2的一级反应
T < 775℃，动力学控制 T > 900℃ ，扩散控制
增加扩散反应速率措施： a 气速↑ b 颗粒直径 ↓
775℃ < T < 900℃ ，过渡区
（2）C与CO2的还原反应在2000℃ 以下， 属于动力学控制，反应速率大致为CO2 的一级反应。
各国替代能源发展政策 美国 加拿大 欧洲 中国
（3）氢气的利用是最佳的选择
稳定的能源
可再生性 来源稳定，不受地缘界定影响 价格稳定
绿色能源
温室气体 空气质量 可持续性
更多 ….
H
氢获取途径
（4）应用
合成气
NH3
改进的费托合成催化剂
合成气
乙烯、丙烯
合成气
锌、铬系催化剂 高压、380℃
工艺生产条件：
温度 吹风速度 蒸汽用量 燃料层高度 循环时间
间歇气化法优缺点：
(1)制气时不用氧气，不需空分装置
(2)生产过程间歇，发生炉的生产强度低，对煤的质量要求高。
5.2.2.1固定床连续气化法 气化剂：水蒸汽和氧气的混合物
燃料层分层：与间歇法大致相同
碳与氧的燃烧放热反应与碳与水蒸汽的吸热反应同时 进行
P = PH2 + PCH4 + PH2O + PCO + PCO2 ③ 根据水中氢与氧的物料平衡
PH2 + 2 PCH4 = PCO + 2PCO2
图5－1 0.1MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成 T>900℃ ，含有等量的H2和CO，其它组分含量接近于零。 T↓ ，H2O、CO2、CH4含量逐渐增加。 故高温下H2和CO含量高。
（3）C与H2O反应生成CO和H2
400℃ < T < 1100℃，动力学控制 T > 1100℃，扩散控制
5.2.2水煤气的生产方法
分析：1100～ 1200℃高温反应 大量吸热
要求：大量供热
采取措施: 通过燃烧一部分C的反应热 维持整个系统的热平衡
固定床间歇法（蓄热法） 操作方式：间歇法和连续法
（2）以水蒸气作气化剂时
C + H2O (g）= CO + H2 CO + H2O (g）= CO2 + H2 C + 2H2 = CH4
+131.390 KJ/mol (5-5)
-41.194 KJ/mol (5-6)
-74.898 KJ/mol
(5-7)
计算平衡组成（5个参数）
① 3个平衡常数表达式 ② 分压与总压的关系
图5－2 2MPa下碳-蒸汽反应的平衡组成 相同T ，P↑， H2O、CO2、CH4含量增加，H2和CO含量减小。 故制得H2和CO含量高的水煤气，在低压、高温下进行。
5.2.1.2反应速率
气固反应
不仅与化学反应速率，还与气化剂向碳 表面的扩散速 率有关
与煤的种类有关
反应活性：无烟煤<焦炭<褐煤
5.2.2.3气流床气化法：
特点：粉煤为原料
反应温度很高
灰分呈熔融状态
对煤种的通用性强
科柏斯－托切克煤气化炉（K-T炉）
德士古水煤浆气化炉（Texco炉)
煤气组成(体积％）
Texco炉 K-T炉
H2: 35～ 36
31
CO: 44～ 51
58
CO2: 13～ 18
10
CH4: 0.1
0.1
图5－4 科柏斯－托切克煤气化炉示意图
化学工艺学电子教案——第四章
合成气的生产过程
5.1 合成气的应用及发展前景
5.1.1 应用
（1）合成气（synthesis gas or syngas)
CO和H2的混合物 原料：
煤 油 天然气 油页岩、石油砂 农林废料、城市垃圾
（2）氢能利用背景
化石类能源使用
过渡开采化石类能源的逐渐枯竭 石油价格不断攀升
实际生产时按以下6个步骤的顺序完成工作循环：
吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度， 吹风气放空，1200 ℃结束。
蒸汽吹净：置换炉内和出口管中的吹风 气，以保证水煤气质量。
一次上吹制气：燃料层下部温度下降， 上部升高。
下吹制气：使燃料层温度均衡 二次上吹制气： 将炉底部下吹煤气排
净，为吸入空气做准备。 空气吹净：此部分吹风气可以回收。
5.三类气化炉的炉内温度分布比较
天然气
优质、相对稳定、价廉、清洁、环境友好的能源。 CH4含量>90%.