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1、煤炭转化的化学基础,刘振宇,自我介绍,美国University of Pittsburgh石油化工系 博士（83-88） 美国West Virginia University化工系 副研究员（88-95） 中科院山西煤炭化学研究所 研究员（95-06） 北京化工大学 教授（07-） 1983年以来从事煤炭转化研究 煤液化（直接、间接） 煤热解、气化 煤基化学品合成与加工（甲醇、低碳醇、油品加氢精制） 煤中污染组分变迁 燃煤烟气净化 联系方式：64421073/64421077（办），13811555070,同学介绍,姓名 大学毕业情况 现在从事研究领域及课题内容,授课思想,煤化工、煤化学的特点
2、 以原料为中心的不同加工和利用方法，内容很多 工艺过程为主、化学信息局限、阶段性、知识“散” 授课类似学术讲座 目的是了解现状、认识发展方向和存在的“大”问题,授课安排,2月21日：概论及煤的物理性质 2月28日：煤的组成、分类、及热解 3月07日：煤的气化 3月14日：煤的液化直接液化 3月21日：煤的液化间接液化 3月28日：燃煤污染控制布置研究报告 4月04日：清明节 4月11日：学生口头报告 4月18日：考试,19周，周六，58节（1:305:15 pm），321教室,成绩：4次作业（40）研究报告（20）考试（40）,参 考 书 郭崇涛煤化学1998 郭树才煤化工工艺学2006 陈鹏
3、中国煤炭性质、分类和利用2001 高晋生，张德祥煤液化技术2005 袁权能源化学进展2005中第一章煤化学 Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981 中文翻译：煤利用化学1991,教材（化学工业出版社）,概论,生物、人类文明的基础,食物：人的粮食 能源：社会的粮食 人的吃、穿、住、行、文化、艺术 未来社会的基础 可持续发展 新能源、友好环境（大气变化）,能量来源：太阳能 物质来源：CO2、H2O 环境条件：很窄 如H2O的相态,1996年全球煤炭探明可采储量 (economically recoverab
4、le reserve) 为1万亿吨。在目前使用量下，可用240年。,主要能源的种类及全球需求,Mtoe 百万吨油当量 10000 kcal/kg 标准煤 7000 kcal/kg 原煤 5000 kcal/kg,全球主要能源的年需求量,全球煤炭探明可采储量（ 单位：十亿吨，1996年）,陈鹏中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，2001,国际煤炭交易关系,煤炭的储量,煤炭储量的含意复杂 - 依据研究程度和可靠程度分级 - 包括根据少量数据推测的 - 预测资源（根据地质理论预测的）,陈鹏中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，2001,煤炭的储量,煤炭储量和“真实”煤炭量的不同 -
5、 1974年国际能源会议规定资源量不包括： 厚度小于0.6 m、深度大于1500 m的煤层 - 各国标准不同,陈鹏中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，2001,中国煤炭储量的计算,中国计算标准 - 与煤的价值、倾角和开采方式有关,陈鹏中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，2001,我国的资源状况,我国是能源缺乏的国家（从人口的角度看） 煤炭、石油、天然气、水能、太阳能、风能等, 标准煤？,1999年,2010年,2050年,天然气 3.1%,水电 7.8%,石油 20.9%,煤 68.2%,煤 64,石油 20%,天然气 7%,水电 9%,煤 50,其他 50,我国以煤为主的
6、能源结构长期不会改变,我国一次能源构成,煤炭的利用方式,燃烧：发电、供热 炼焦：炼铁、炼钢 气化：家用煤气、化肥、化学品 液化：汽油、柴油 材料：炭素、沥青,年 度,年用煤量,亿吨标准煤,燃烧发电,我国煤炭利用份额,建材 钢铁 化工,我国煤利用主导技术两条主线（至2020年）,煤气,燃气轮机、燃料电池,尾气 净化,超临界等发电系统,液体燃料,油品合成与煤液化,电、热,我国煤炭利用链及存在问题,资源世界人均值的50,煤化学,煤炭利用的历史 煤化学的历史 对煤起源的认识 对煤组成结构的认识,煤利用的历史我国早期,新石器时代（60007000年前） 1973年在沈阳市北陵附近的新乐遗址下层发现了精煤
7、制品：圆泡形饰25件，耳形饰6件，圆珠15件，及碎煤精和煤块97块。,西周时期（公元前1046年公元前771年 ） 1950-1970，陕西西周墓中出土了煤雕制品，宝鸡市茹家庄一处就出土了200余枚。,先秦时期（山海经，公元前200以前） 西山经：女床之山，其阴多石涅；中山经：岷山之首，女几之山，其上多石涅；风雨之山，其下多石涅。,西汉至魏晋南北朝 一定规模的煤井和采煤技术，煤用作生产燃料和冶铁。,金、宋、元时期 1957年在山西稷山县金代砖墓中发掘出大量焦炭。1958年在河北峰峰矿区发掘出3座宋、元时期的炼焦炉遗址。,煤的名称：石煤、石炭、墨丹、玄金、乌金石、金钢炭、 焦石、黑石脂、画眉石和
8、石墨等,煤利用的历史国外,公元前238年 Aristotle的学生Theophrastus描述了煤的性质、资源和使用，指出铁匠已使用了煤。 公元初年 罗马人在英国采煤和用煤。,1272-1301年（英国）烧煤产生的煤烟使主教、贵族和绅士们非常烦恼，因而发出了禁止用煤的通告。因而他们不愿住在城市里。,1662年 英国查尔斯二世对每个壁炉征税，年总额高达20万英镑。 17301735年 将煤炭代替木炭炼铁对19世纪英国的工业霸权、乃至于人类的幸福都有深远的影响。,炼铁、蒸汽机车、其它机器动力等方面的用煤是导致工业革命的主要因素之一。 煤炭的使用保护了森林。生产1吨铁需要420 m2上生长的8颗大树
9、，17世纪英国每年生产35000吨金属，需烧掉5000英亩的树木。,Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981,煤利用的历史,Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981 IEA, 2000,2006年中国的一次能源消费 煤炭：69%， 可再生能源和核电：7% 其它：石油和天然气，水电 煤炭在化石能源中占74 中国的能源状况与政策 中华人民共和国国务院新闻办公室（2007.12）,煤化学的发展,萌芽阶段（17801830）
10、 作为科学问题对待（从工业革命时期开始） 认识到煤主要源于陆生植物,1.郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992 2. Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981,启蒙阶段（18311912） 用显微镜观察煤（英、德） 提出以元素组成进行煤分类（法，进入化学阶段）,1780研究蒸汽和炭的反应 1760研究燃烧反应 1600从炼焦中回收焦油 1587从煤制焦,1789已知33种元素 1772发现氮元素 1771发现氧元素 1766发现氢元素 远古发现九种元素： 碳、硫，金、银、铜、铁、锡、铅、汞。,煤化学的
11、发展,经典阶段（19131962） 煤广泛用于机车、航行、炼焦、气化、发电 煤岩学：光学分析（透射、反射，镜质组反射率分类） 煤化学：F-T合成、煤直接液化，化学和物理结构认识,部分来源：郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,现代阶段（1963） 60年代衰落（廉价石油的开采） 70年代的兴起（两次石油危机） 现代仪器的使用（IR、NMR、TG、MS、X-射线荧光） 新分析方法的使用（溶剂萃取、计算机模拟） 污染组分的赋存、形态变迁、脱除控制；多联产,植物遗体经过1-5亿年的变化生成,煤炭的起源,煤炭的起源,高等植物 低等植物,细胞,细胞壁 原生质,纤维素、半纤维素、木质素 蛋白质、糖类
12、,与目前的生物质的生物转化技术的类同？,H2O的作用：- 茂盛的植物群落 - 保护植物遗体不全被需氧细菌破坏 - 近海型煤田含硫高（海水中的SO42-） - 远海型煤田含硫低（1）,郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,若把成煤的时间跨度比做1个月 人类大约出现在最后1小时 人类用煤大约出现在最后1秒,煤的形成,木材,腐殖质,泥炭,褐煤,无烟煤,烟煤,次烟煤,CO2,厌氧环境,H去哪里了？,郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,现代科技无法看到煤的化学结构 从间接数据分析（元素、IR、XRD） 从“破坏性”实验看“碎片”,平均结构单元模型
13、 - 高挥发性烟煤(Shinn),袁权能源化学进展2005,基于烟煤的液化产物结构提出,平均结构单元模型 - 高挥发性烟煤(Shinn),袁权能源化学进展2005,煤大分子由结构单元组成，核心：3-5个芳环/氢化芳环 环状结构以短的脂肪链或者醚桥相连 硫、氮主要以杂原子环的形式存在 氧以酚和醚的形式存在 煤阶增加，芳香碳比例增加，平均缩合芳香环数增加， 氧和氢的含量下降,平均结构单元不能解释一些现象，如： NMR氢谱：煤中质子的弛豫时间有快有慢两种结构 煤在有机溶剂中溶胀 在特定溶剂中的高抽提率等现象,袁权能源化学进展2005,主结构 三维交联的大分子网状“固定”结构 客分子 非共价键（离子键
14、、氢键）联结、陷在大分子网状结构中的小分子“可移动”结构 高阶煤中，-相互作用和电荷转移力起重要作用。,袁权能源化学进展2005,袁权能源化学进展2005,目前普遍认为： 煤具有三维网络结构的大分子特性 非共价键力在煤结构中起着重要作用 何种非共价键？ 氢键、离子键、静电、-相互作用和电荷转移力 认识不一，但可解释煤在溶剂中的粘弹性、溶胀行为,煤的分类目的,煤的分类是应用的需求（与很多其他科学的发展不同） 燃烧和炼焦,工业分析（工分）和元素分析（元分）,工业分析 - 水分（M）,水的结合状态：游离水、结晶水 游离水：外在水、内在水 - 外在水附着于煤粒表面的水膜 在直径10-7m的毛细孔中的水
15、 - 内在水在直径10-7m的毛细孔中的水,结晶水含于矿物质之中，如： 石膏 CaSO42H2O 高岭土 2Al2O34SiO24H2O,分析方法国家标准 加热至45-50oC：外在水 加热至105-110oC：全水,郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,水分煤分子结构中的“水”,煤热解、液化等过程中产生水 这些“水”在工业分析中被定义为“挥发分” 在元素分析中由“O”含量度量,O和H,水分的影响,运输（特别是褐煤） 转化过程（热解、气化、液化） 产物品质（油品、加工提质、应用）,生物质能源利用中“水”的影响,工业分析 - 灰分（A）,灰分是经验用词，源于燃烧； 灰分是某些无机组分燃烧后
16、的残余,矿物质形态 - 粘土（高岭土、伊利石等） - 硫化物类（黄铁矿、白铁矿等） - 氧化物类（石英、氧化铁等） - 碳酸盐类（方解石、菱铁矿等）,灰分被认为来源于矿物质 - 原生矿物质 来源于成煤植物，一般不超过1-2% - 次生矿物质 成煤中进入的（风、水），一般在10% - 外来矿物质 采掘中带入的，与开采方法有关,郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，1992,灰分微量污染元素,关注最多的是，美国1990年颁布的洁净空气法修正案（Clean Air Act Amendments）中的11中无机元素： 砷（As）、锑（Sb）、铍（Be）、镉（Cd）、 铬（Cr）、钴（Co）、铅（Pb）、锰（Mn）、 汞（Hg）、镍（Ni）、硒（Se） 含量较低：0.011500 g/g 之间，但煤的用量大,袁权能源化学进展化学工业出版社2005,灰分的影响,煤利用中的很多问题直接与矿物质相关，不直
