煤化学导论-杜铭华

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1、煤化学与煤化工基础导论,杜铭华 2006年3月,提 要,1 煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础 2 煤转化与利用 3 发生在煤转化与利用中的共性过程 4 煤结构与热解 5 研究细致与探究,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,粮食与能源活着与过 着的基本物质,能源,核能,煤炭,石 油 天然气,可再生能 源,水能,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,(1)煤炭是主要的化石能资源,(2)煤炭占一次能源消费的75,(3)煤炭占一次能源生产的67,(1)、预测资源总量5.57万亿吨(1999年); (2)、查明资源/储量1.02万亿吨(2001年); (3)、查明资源储量

2、中尚未利用资源储量6563亿吨; (4)、经济可采储量1891亿吨(2002年);,查明资源/储量,尚未利用资源/储量,经济可 采储量,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,中国煤炭探明可采储量居世界第二,查明资源储量丰富, 可采分布面积60多万km2、占国土面积6,,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,中国煤炭资源特点: 资源丰富,潜力巨大; 煤类齐全、煤质优良; 资源/储量区域分布不均匀; 勘探程度低,人均占有经济可采储量少; 产业集中度低,回采率低; 主要炼焦用煤稀缺。,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,褐煤,烟煤,无烟煤,煤,褐 2,褐 1,无 烟

3、煤3,无 烟 煤2,无 烟 煤1,贫 瘦 煤,瘦 煤,焦 煤,肥 煤,气 肥 煤,气 煤,中 粘 煤,弱 粘 煤,不 粘 煤,长 焰 煤,1/3 焦 煤,贫 煤,炼焦煤,化工、发电等,化工、发电等,中国煤炭分类(GB 575186):三大类,十七小类,挥发分: 碳含量:,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,电力,约49%,煤气化,约4%,工业锅炉、窑炉约30%,1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础,民用,4%,炼焦约13%,煤浆制 备单元,加氢液化 450OC,20MPa,分 离 单 元,催化剂,制氢,循环溶剂,残渣,气体,煤,加氢 精制,化工品 油 品,2 煤转化与利用

4、,煤炭转化、利用的主要方式- 直接液化,2 煤转化与利用,煤炭转化、利用的主要方式,H2,直接液化热解、 加氢,CO,CO2,技术发展中,450、20MPa,加氢液化,煤破碎 混合,焦化 9501050OC,,焦油 加工,加压,焦渣,煤气冷 却分离,煤,焦炭 冷却,焦炭,2 煤转化与利用,煤炭转化、利用的主要方式- 煤炭焦化,化工品,煤气,煤炭转化、利用的主要方式,焦化热解(干馏),CO H2,煤气,焦油,焦炭产量2亿吨/年以上,用煤约3亿吨/年,世界第一焦炭生产大国,2 煤转化与利用,9501050,2 煤转化与利用,煤炭转化、利用的主要方式气化,氧气、水蒸气,煤,煤气,制氢 合成甲醇 合成

5、油 气体燃料,合成氨 加氢液化 燃料 其它,二甲醚 燃料 其它化工品,汽油 柴油 其它化工品,发电 工业燃料 民用燃料 其它,气化炉,CO、 CH4、 H2,气化热解、气化,气化剂O2、HO2,煤炭转化、利用的主要方式,煤气,CH4,CO2,2 煤转化与利用,1000以上,气化剂,燃烧热解、氧化,煤炭转化、利用的主要方式,CO、CH4、 H2,氧O2、,CO2、HO2,约83煤炭作燃料消费 发电、民用、工业锅炉、窑炉、交通、农业等。,2 煤转化与利用,直接液化热解、 加氢,CO,煤气,焦油,焦化热解(干馏),CH4,CO2,气化热解、 气化,CO、CH4、 H2,氧O2、,CO2、HO2,燃烧

6、热解、 氧化,O2、H2O,煤气,3、发生在煤转化与利用中的共性过程,煤的热解是大部分热转化过程的共性表现; 煤热解是有机化合物受热、内能升高、化学键断裂的结果,键能与结构; 煤热解与煤的结构有关,不同煤的热解特性有很大差别; 研究煤的热解是研究其热转化性能的关键内容;,3、发生在煤转化与利用中的共性过程,部分分子振动加剧引起化合键的断裂是热解,振动能按几率分配,当某一部分分子分裂时,有部分可能化合;随温度升高热解作用变得明显;分子中键的强度不同,热分解的温度和分配也不同。,4 煤结构与热解,几个基本概念 (1)物质的特性取决于其结构(元素和构成形式); (2)煤的特性取决于煤的结构; (3)

7、煤是有机岩石矿物,其基本特性符合有机化合物的基本规律; (4)有机化合物状态特性与其分子量,气体、液体、固体; (5)煤转化、利用的目标是:能量需求和物料需求; (6)煤转化、利用的实质是:结构变化和能量转换; (7)热解是结构变化中的重要环节。,4 煤结构与热解,几个基本概念 (4)有机化合物状态特性与其分子量,气体、液体、固体; 气体:甲烷、乙烷、乙烯; 液体:汽油、柴油、煤油、苯、甲苯等,加压的丁烷; 固体:蜡、沥青、煤等; 分子间力的影响:乙醇、甲醇等。,4 煤结构与热解,基本结构单元: 侧链: 官能团: 桥键: 小分子:,4.1 煤结构的基本形式,1 相似的基本结构单元缩合成大分子,

8、桥键连接,CH2、O等; 2 周围有烷基侧链、含氧官能团,CH3、OH等; 3 存在独立的小分子,CO、CO2、CH4等; 4 三维立体结构,大分子量; 5 相似性和不同性;,4 煤结构与热解,4.1 热解是煤结构发生系列变化,初步热解,进步热解,整体热解,热解缩聚,G-T,dg/dt,1 热解首先挥发出小分子,进而是不稳定的官能团和烷基侧链等; 2 整体热解时,煤的大分子结构发生了强烈的热裂解,形成大小不等的碎片; 3 整体热解中以及随后,碎片发生了缩聚反应; 4 缩聚反应后形成固体产物(焦炭或半焦); 5 结构和过程条件影响热解和热解后产物的性质。,约450500C,4 煤结构与热解,加热

9、,加热,初步热解,约300C,整体热解,约460C,4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析,加氢,气体,渣,油,气体,半焦,焦油,加热,热缩聚,大于460C,不稳定的热解碎片缩聚成固体半焦;大三维结构和宏观尺度上形态稳定;多孔的与煤外形变化不大的块状半焦。,年轻煤的结构单元以及热解碎片加氢后适合液体产品的分子量。,4 煤结构与热解,4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析,成焦,1、中等变质煤(炼焦煤)具有较大的单元结构,较少的小分子,一定含量的侧链和官能团,挥发物比例由多到较多; 2、较少的桥键或桥联,整体分解时生成能够流动的物质,重新调整位置和关系,聚合成较大分子量的半焦,进一步聚合成分

10、子量更大的焦炭。,4 煤结构与热解,4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析,1 较高变质的煤有更少的小分子、较大的结构单元,挥发分较低; 2 热解时不能形成能够流动的分子量大小的中间产物,焦块的形状与煤相似; 3 燃烧时,首先是挥发分的点燃,然后是残焦的燃烧; 4 完全燃烧后需要的时间与煤的原始结构及其在热解时的经历和变化有关。,氧化燃烧,O2,CO2、H2O,4 煤结构与热解,4.3从煤热失重曲线分析煤结构,200 400 600 800 ,1 随变质程度升高,失重值总体趋于减少; 2 随变质程度升高,开始热解温度升高、热解温度区间加宽;最大失重对应温度升高; 3 不同煤种主要热解阶段终了

11、温度相近; 4 无烟煤的主要热解阶段失重很小; 5 键能的分布不同。,dg/dt 20 /min N2,褐煤,长焰煤,气煤,1/3焦煤,焦煤,瘦煤,无烟煤,4 煤结构与热解,4.4 煤是不同显微组分的混合物 不同显微组分的分子结构有很大差别,镜质组单元环数为24环,挥发分较高;丝质组在9环以上,挥发分低;过渡组分居中; 煤性质是显微组分性质的混合表示,是显微组分性质和组成的函数。,镜质组,过渡组,丝质组,4 煤结构与热解,研究方法: 1 模型分子的热解实验; 2 热解试验:恒温、变温;标准方法和特定方法;模拟工业条件和实验室;各种热解条件变化,如气氛、加热速度、热载体等; 3 热解动力学研究:过程机理及动力学模型,单方程、多方程、活化能分布等动力学模型; 4 热解与煤利用和转化的影响关系研究; 5 热解工业化:制油、制气、制焦,一种最古老的工业方式,不断发展的理论和技术。,5 研究细致与探究煤结构与热解,研究:一种仔细的探究过程,认识和想象的过程。,谢 谢!,

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