煤炭加工利用

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1、一、背景,我国是一个“富煤少油缺气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中，我国的煤炭占世界总量的12.6%，石油占1.4%，天然气占1.2%。全国石油探明可采剩余产量有限，但煤炭资源比较丰富，全国累计探明煤炭保有储量超过1万亿t，经济开采储量达1145亿t。这种化石能源资源的禀赋特点决定了我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家。,煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的，含碳量一般为46%97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。煤在地球上的储量非常丰富。,二、煤炭简述,煤的元素组成,煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳（C，82%93

2、%）、氢（H，3.6%5%）、氧（O，1.3%10%）、氮（N，1%2%）四种元素构成，还有一些元素则组成煤中的无机物质，主要有硫（S）、磷（P）以及稀有元素等 。世界上所有的元素均可在煤中找到。煤是黑色黄金。,1. 煤炭的氢含量和氢碳比比石油低，氧含量比石油高； 2. 煤炭的分子量大，有的甚至大于1000，石油约为200； 3. 煤炭的化学结构复杂，为高聚物，石油为烷烃、环烷烃和芳烃的混合物； 4. 煤炭含有大量以细分散组分形式存在的无机矿物质和吸附水，还含有数量不定的杂原子（氧、氮、硫）、碱金属和微量元素。,煤炭和石油的区别,煤炭和石油的元素含量百分比,威斯化学结构模型,煤炭的化学结构模型

3、是各种结构参数和假设的统计平均模型。迄今为止，比较全面合理的煤炭的化学结构模型是威斯化学结构模型，它基本上反映了煤炭分子结构的现代概念，可以解释煤炭化学反应（包括液化）的许多性质。,煤炭的化学结构,三、煤的分类,煤的科学分类为煤炭的合理开发和利用提供了基础，通常最简单的分类方法是根据煤中干燥无灰基挥发分含量将煤分成褐煤、烟煤和无烟煤三大类 。,褐煤,烟煤,无烟煤,煤的分类方法,我国动力煤的分类方法,各煤种的用途,无烟煤：是煤化程度最高的煤，含碳量90%以上。 特点：挥发分低、比重大、硬度高、燃烧时烟少、火苗短、火力强。无烟煤通常作民用和动力燃料；质量好的无烟煤可作气化原料、高炉喷吹和烧结铁矿石

4、的燃料以及作铸造燃料等；用优质无烟煤还可以制造碳化硅、碳粒砂、人造刚玉、人造石墨、电极、电石和炭素材料。,中国无烟煤需求行业,烟煤：燃烧时火焰较长而有烟的煤，煤化程度较大的煤。外观呈灰黑色至黑色，粉末从棕色到黑色。由有光泽的和无光泽的部分互相集合合成层状，沥青、油脂、玻璃、金属、金刚等光泽均有，具明显的条带状、凸镜状构造。该种煤含碳量为7590，不含游离的腐殖酸。大多数具有粘结性；发热量较高。燃烧时火焰长而多烟。多数能结焦。根据挥发分含量、胶质层厚度或工艺性质，可分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤、瘦煤等。用作炼焦、炼油、气化、低温干馏及化学工业等的原料，也可直接用作燃料。,褐煤：又名柴煤，是

5、煤化程度最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。由于它富含挥发份，所以易于燃烧并冒烟。剖面上可以清楚地看出原来木质的痕迹。含有可溶于碱液内的腐殖酸。含碳量6077。 主要用于发电厂的燃料，也可作化工原料、催化剂载体、吸附剂、净化污水和回收金属等。,煤炭灰分等级划分标准,其他分类方式,煤的挥发分分级标准,煤的发热量等级划分标准,煤炭硫分等级划分标准,五、煤炭的利用途径,根据煤炭的使用目的分为两大主要用途： (1)动力煤 (2)炼焦煤。,我国动力煤的主要用途有：1) 发电用煤：我国约1/3 以上的煤用来发电，目前平均发电耗煤为标准煤370g/(kWh)左右。电厂利用煤的热值

6、，把热能转变为电能。2) 蒸汽机车用煤：占动力用煤2%左右，蒸汽机车锅炉平均耗煤指标为100kg/(万吨km)左右。3) 建材用煤：约占动力用煤的l0%以上，以水泥用煤量最大，其次为玻璃、砖、瓦等。4) 一般工业锅炉用煤：除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业及取暖用的工业锅炉型号繁多，数量大且分散，用煤量约占动力煤的30%。5) 生活用煤：生活用煤的数量也较大，约占燃料用煤的20%。6) 冶金用动力煤：冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，其用量不到动力用煤量的1%。,炼焦煤的主要用途是炼焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成，一般1.3 吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。焦炭多用于炼钢，是目前钢铁

7、等行业的主要生产原料，被喻为钢铁工业的“基本食粮”。,六、中国煤的利用方向提高价值洁净利用高效利用煤系共伴生资源利用 ,七、煤炭加工技术煤炭洗选技术粉煤成型技术动力煤配煤技术水煤浆技术,常规的物理选煤可除去煤中60%的灰分和1/3到1/2的黄铁矿硫(燃料时SOX的主要来源)。 煤炭经洗选可大大提高燃烧效率，如电厂粉煤锅炉燃烧原煤的效率一般为28%左右，而燃洗精煤可达35%。 煤炭经过洗选可大大降低污染物的排放。 选煤是洁净煤技术的源头技术。,1）煤炭洗选技术,民用型煤 工业型煤型煤技术的研究应着力于开发强度高、防水性好、适合于长途运输的型煤及其配套工艺设备和粘结剂以及研制固硫工业型煤等技术上。

8、,2）粉煤成型技术,意义重大，主要表现在：提高热效率节约煤炭；充分利用煤炭资源，做到物尽其用；可以利用劣质煤；有利于拓展煤炭资源，减轻环境污染。,3）动力煤配煤技术,4）水煤浆技术石油产品供不应求，煤代油势在必行便于储运。,水煤浆利用储量丰富、价格低廉的煤炭作为主要原料，使用浮选精煤或水洗煤进行研磨加工、细化，再辅以27%35%的水和约1%的化学添加剂，经过多道严密工序，层层筛除煤炭中不能充分燃烧的成份及产生污染的硫、灰等杂质，只将炭本质留下来，制出性能像油的水煤浆成品。 水煤浆具有浓度高、流变性好、耐储存等特点。它能象油一样泵送、雾化燃烧，燃烬率能达到98%以上，只产生极少的灰渣。水煤浆用储

9、罐进行运输和储存，避免了运输和储存过程中的污染，并减少了储存时的占地面积，无论储存还是排放指标均能达到国家一类地区的环保要求。,煤炭转化是指通过化学加工或热加工的方法，将煤转化成一系列气体、液体和固体等化学产品的过程。,九、煤炭转化技术,从煤的加工过程分，主要包括干馏(含炼焦和低温干馏)，气化，液化和合成化学品等； 从产品上划分，煤化工包括焦炭、煤焦油等传统煤化工和煤制油、煤制烯烃和甲醇制二甲醚等新型煤化工； 从加工深度上分，煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。 煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。,煤化工的分类,煤化工产业链

10、,煤在隔绝空气的条件下加热，将产生一系列的热分解过程，得到气态、液态和固体产物。 干馏得到的固体产物：冶金焦炭 从煤干馏得到的挥发分中可以回收煤焦油和煤气等产物。 温度高于950的过程称为高温干馏，如采用合适的烟煤干馏可得冶金焦炭。,1）煤炭的干馏技术,煤炭的气化是指将煤与气化剂反应，使煤中的有机部分完全转化为煤气的过程。,2）煤炭气化技术,煤炭气化技术应用领域：工业燃气民用煤气化工合成和燃料油合成原料气冶金还原气联合循环发电燃气燃料电池煤炭气化制氢煤炭液化的气源,煤液化即煤制油，是以煤炭为原料生产液体燃料和化工原料的煤化工技术的简称。通常有两种技术路线：直接液化和间接液化。煤炭和石油都是碳氢

11、化合物，典型烟煤的氢碳比为0.8，汽油、柴油的氢碳比为2（摩尔比），因此，无论采用何种技术路线，煤制油的关键都是增加氢碳比。,3）煤液化技术,直接液化：是在粉煤浆中加入气态氢，通过催化剂作用，提高氢碳比， 生产液体燃料和化工原料。加氢的作用：一是合成液化粗油（ 可简单表示为CH1.6）， 二是减少原料煤中的氧、硫和氮，把它们变成H2O、H2S、 和 NH3 的形式除去。除去氧可以生成烃油，去除氮和硫化物以免下游精炼用的裂化催化剂中毒。,（1）直接液化,煤直接液化制油,1913 年， 德国Friedrich Bergius 发明了煤炭直接液化技术，并因此获得了诺贝尔化学奖。 1927 年，德国I

12、G 公司开始建设世界上第一座商业化的煤炭直接液化工厂， 并于1931 年投入运转。二战期间，德国共拥有12座煤炭直接液化工厂。 1950 年，中东发现开采成本低廉、储量丰富的石油，因此，煤炭直接液化工厂因经济原因停产。 1973 年，石油危机爆发，阿拉伯世界对美国、德国和日本实行石油禁运，于是，美国、德国和日本恢复对煤炭直接液化的研发。 1980 年，国际油价暴跌，煤炭直接液化的研发工作再次降温。 目前，典型的煤炭直接液化技术有：美国HTI 工艺、德国IGOR 工艺、日本NEDOL 工艺和中国神华工艺。 神华煤直接液化项目先期工程于2007 年建成投产。 南非的煤炭加工技术处于领先地位。,发展

13、历史,间接液化：是将煤炭部分氧化成主要由CO 和H2 组成的合成气，然后进行催化反应，合成汽油与柴油等烃类燃料或氧化燃料。氢碳比的增加是通过水煤气变换反应并脱除反应过程中产生的CO2 实现的。,（2）间接液化,当前，煤炭间接液化最重要的3个产品是：烃类燃料、甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）。,水煤气变换反应,通过费-托合成工艺，把气化产生的小分子聚集成大的碳氢化合物分子，从而生成烃类（烯烃和烷烃）燃料。简单的描述如下：,烃类燃料,费-托合成工艺已经被南非SASOL 公司商业化。,由煤制乙烯、丙烯技术,制造甲醇在商业上已经是很成熟的技术，在中国有广泛应用。主要反应包括：,（水煤气变换

14、反应）,（甲醇合成）,甲醇通过MOBIL工艺，可以进一步加工成汽油，这也是一项成熟的技术，或可以直接用作燃料。,煤间接液化制油,二甲醚是无毒、无致癌作用、环保的气体喷雾剂。制造方法是甲醇脱水：,二甲醚,21世纪清洁能源,作为车用和民用燃料的替代品,大多数文献都从能源转化效率或者油品收率的角度，对直接液化和间接液化进行比较。但是，与石油和天然气相比，由于煤炭是一种低成本、大储量的化石能源，因此，比较直接液化和间接液化的能源转化效率或者油品收率容易产生误导。直接液化的合成燃料转化效率较高，间接液化的产品使用效率较高；间接液化产品比直接液化产品的环保性能更好；间接液化比直接液化的副产品多；直接液化和

15、间接液化彼此间没有排他性，其产品具有很强的互补性。,（3）直接液化和间接液化比较,26,气化方法,固定床,流化床,气流床,整体气化联合循环发电(IGCC)技术,3）煤炭地下气化把煤的开采和转化结合起来，气化后残余灰渣仍滞留地下，减轻固体废渣对环境的污染，有利于提高煤炭资源回收率,4）煤炭的直接液化煤直接加氢液化是采用高温、高压氢气， 在催化剂和溶剂作用下进行裂解、加氢等 反应，将煤直接转化为分子量较小的燃料 油和化工原料。神华集团已经开始在内蒙古鄂尔多斯建设 世界上第一条每天6000吨煤的商业液化生 产线，最终每年可产油品500万吨以上。,5）煤炭的间接液化煤的间接液化是将煤气化得到的原料气，

16、在一定条件下（温度压力），经催化合成石油及其他化学产品的加工过程，又称一氧化碳加氢法。从2003年7月起，兖矿集团开始在下属的鲁南化工厂建立万吨级中试装置，该装置从2004年4月开始出油，至今一直在平稳运行。兖矿计划设在新疆的煤制油厂采用兖矿研发的低温费托合成煤间接液化技术，设计的年产量为108万吨油品。,6）燃料电池燃料电池（Fuel Cell）是发展中的发电技术，它利用电化学过程，将燃料（氢气）的化学能转化为电能，它的发电原理与常规化学电源类似，因为没有热力学上的限制，能量转换过程的热效率很高，可以将存在燃料和氧化剂中的化学能高效（5070）、环境友好地转化为电能，发电过程不产生污染物。碱性（AFC）、质子交换膜（PEMFC）、磷酸（PAFC）、熔融碳酸盐（MCFC）和固体氧化物（SOFC）燃料电池。,7）煤的多联产煤的多联产技术的实质是以煤炭为原料，通过把多种煤炭转化技术有机集成在一起，同时获得多种高附加值的化工产品（如脂肪烃和芳香烃等）、多种洁净的二次能源（气体燃料、液体燃料、电）及其他产品。,以煤气化为核心的多产系统 气化单元 合成气利用及转化单元 热电生产单元,