《能源概論》第2章_煤炭

1、2.1 煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位2.2 煤的形成2.3 煤的組成結(jié)構(gòu)與品質(zhì)2.4 煤的開采與運輸2.5 煤的燃燒和污染2.6 煤的潔凈技術(shù)2.7 煤炭液化2.8 煤的氣化2.9 煤的綜合利用 全球的化石燃料的總儲量中，煤炭約占80% 。另外，以現(xiàn)代開采和利用煤炭的速率計算，世界煤炭資源尚能使用幾百年。 總儲量為107500億噸標準煤 。 可采儲量為10391億噸。我國煤炭資源分布我國是一個富煤、貧油、少氣的能源大國。煤炭是我國的主要能源，其消費量占我國總能源的 62%。我國和世界平均一次能源結(jié)構(gòu)比較我國和世界平均一次能源結(jié)構(gòu)比較 煤是有機生物巖，它蘊藏于地層之中，由不同煤是有機生物巖，它蘊藏

2、于地層之中，由不同地質(zhì)年代的植物所形成。遠古植物遺體在地表湖沼或地質(zhì)年代的植物所形成。遠古植物遺體在地表湖沼或海灣環(huán)境中隨著地殼的變動被埋入地下，長期處在溫海灣環(huán)境中隨著地殼的變動被埋入地下，長期處在溫 度、壓力較高的環(huán)境中，原植物中的纖維度、壓力較高的環(huán)境中，原植物中的纖維 素、木質(zhì)素、木質(zhì)素經(jīng)脫水腐蝕，其素經(jīng)脫水腐蝕，其含氧量不斷減少含氧量不斷減少，而，而碳質(zhì)不斷增加碳質(zhì)不斷增加，逐漸形成化學穩(wěn)定性強、含碳量高的固體碳氫燃料逐漸形成化學穩(wěn)定性強、含碳量高的固體碳氫燃料煤。煤。 在某些煤層中以及接近煤層的頂、底板巖層中，經(jīng)常能找到保存完整的植物化石。 在某些年輕褐煤中，有時還能找到外形保存頗

3、為完整的樹干（礦化木）。所有這一切都表明煤主要是由古代植物演變而來的 。煤的形成條件示意圖：形成煤田必須具備的四個條件：氣候溫暖潮濕以及為植物的繁茂生長創(chuàng)造的有利氣候溫暖潮濕以及為植物的繁茂生長創(chuàng)造的有利條件；條件；植物死亡后大量殘骸的堆積；植物死亡后大量殘骸的堆積；適宜的植物殘骸堆積地形，如廣闊的濱海、湖泊、適宜的植物殘骸堆積地形，如廣闊的濱海、湖泊、沼澤地、盆地和地塹等低洼地帶，有利于植物群沼澤地、盆地和地塹等低洼地帶，有利于植物群落的發(fā)展及植物殘骸浸沒水中受厭氧菌作用發(fā)生落的發(fā)展及植物殘骸浸沒水中受厭氧菌作用發(fā)生變化并保存下來；變化并保存下來；地殼運動，如地殼緩慢下降或海平面升高，使植地

4、殼運動，如地殼緩慢下降或海平面升高，使植物殘骸容易積聚，并逐漸被泥沙等沉積物覆蓋，物殘骸容易積聚，并逐漸被泥沙等沉積物覆蓋，從而發(fā)生一系列生物化學和地球化學作用，逐漸從而發(fā)生一系列生物化學和地球化學作用，逐漸形成煤炭。形成煤炭。 煤 （coal）又稱煤炭，棕色至黑色的可燃燒的類似巖石的固體。 煤是由地史時期堆積的植物遺體（有時也含少量浮游生物遺體）經(jīng)過復雜的物理、化學、生物和地質(zhì)作用后轉(zhuǎn)變而形成，是由多種結(jié)構(gòu)極其復雜的有機化合物、礦物質(zhì)和水分組成的混合物。其中有機物含量約為6090，以碳（C）為主，其次是氫（H），并含有少量氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素，以這些元素組成的有機化合物稱為煤的

5、可燃化合物，或稱為煤的可燃質(zhì)。 礦物質(zhì)含量約為礦物質(zhì)含量約為5 54040，成分以硅、鋁、鈣、，成分以硅、鋁、鈣、鎂、鐵等元素及其鹽、氧化物以及微量氯元素和鎂、鐵等元素及其鹽、氧化物以及微量氯元素和氯化物為主。礦物質(zhì)在燃燒過程中高溫分解和氧氯化物為主。礦物質(zhì)在燃燒過程中高溫分解和氧化后生成的固體殘留物稱為灰分；水分含量化后生成的固體殘留物稱為灰分；水分含量1 16060，可分為化合結(jié)晶水及游離水。礦物質(zhì)灰分，可分為化合結(jié)晶水及游離水。礦物質(zhì)灰分及水分在燃燒過程中不產(chǎn)生熱量，稱為煤的雜質(zhì)。及水分在燃燒過程中不產(chǎn)生熱量，稱為煤的雜質(zhì)。 泥煤泥煤（peat）又稱泥炭、草炭。 可燃性有機巖的一種，由植

6、物遺骸在沼澤中受厭氧細菌的生物化學作用，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹枷阕褰Y(jié)構(gòu)的可燃物，是成煤作用初級階段的產(chǎn)物，亦被稱為最年輕的煤，在結(jié)構(gòu)上還保留有植物遺體的痕跡。與其他煤種相比，泥煤含氧量最高，達28%30%，含碳量較低。 泥煤的顏色為黃褐色到棕黑色，質(zhì)地疏松，吸水性強，含天然水分高達40%以上，為低熱值燃料。在使用上，泥煤揮發(fā)性高，可燃性好，反應性強，含硫量低，機械性能很差，灰分熔點很低。泥煤既可作燃料又可作原料，并可制取肥料，還可精制藥物等。工業(yè)上泥煤主要用于燒鍋爐和作氣化原料，但工業(yè)價值不大。褐煤（brown coal）植物經(jīng)過成巖作用，沒有或很少經(jīng)過變質(zhì)作用形成的煤。 褐煤是泥煤經(jīng)過進一步變化后

7、生成的，由于能將熱堿水染成褐色而得名。褐煤在性質(zhì)上與泥煤有很大不同，它的密度較大，含碳量較高，氫和氧的含量較小，揮發(fā)分產(chǎn)率較低。褐煤粘結(jié)性弱，在空氣中極易風化，并碎裂成小塊，塊煤加熱后破碎嚴重；熱穩(wěn)定性差，極易氧化和自燃，吸水性較強。褐煤一般用作動力燃料，亦可作為氣體、液體燃料和化工產(chǎn)品的原料。煙煤煙煤（bituminous coal）煤化程度較高的煤，介于褐煤與無煙煤之間。 外觀一般為灰黑色至黑色，光澤強。與褐煤相比，揮發(fā)分較少，密度較大，吸水性較小，含碳量增加，氫和氧的含量較低，燃燒時有煙，發(fā)熱量高。煙煤是工業(yè)上的主要燃料，也是化學工業(yè)的重要原料。無煙煤無煙煤（anthracite）煤化程

8、度最高、年齡最老的煤種。 無煙煤外觀呈深灰色至鋼灰色；粉末深黑色，具有似金屬光澤，其特點是密度大、含碳量高、揮發(fā)分極少，組織密實、堅硬、吸水性小。發(fā)熱量高，燃燒時多不冒煙，燃點高。無煙煤既是工業(yè)、民用的主要燃料，又是重要的化工和其他工業(yè)原料。 煤的形成過程：高等植物：植物-泥炭-褐煤-煙煤-無煙煤低等生物：植物-腐泥-腐泥煤1a. 泥炭化作用泥炭化作用（peatification）高等植物遺體在沼澤中堆積經(jīng)歷生物、化學作用形成泥炭的復雜而漫長過程。其經(jīng)歷的生物化學作用大致有：植物遺體中的有機化合物經(jīng)過氧化和水解作用降解為結(jié)構(gòu)較簡單的、化學性質(zhì)較活潑的化合物；降解產(chǎn)物相互作用進一步合成新的較穩(wěn)定

9、的有機化合物兩個階段。 在泥炭化過程中，植物遺體中的化學組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了根本的變化，蛋白質(zhì)消失、木質(zhì)及纖維素減少，而大量產(chǎn)生腐植酸，碳含量比植物增高，氮含量亦有增加，氧含量減少。1b. 腐泥化作用腐泥化作用（sapropelization）低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學變化形成腐泥的漫長過程。浮游軟體動物及藻類等低等植物的遺體在缺氧的還原環(huán)境中被厭氧細菌分解，形成富含水分的絮狀膠體物質(zhì)，經(jīng)進一步變化、脫水、致密而形成腐泥。 2. 成巖作用成巖作用（diagenesis）疏松的沉積物經(jīng)過一定的物理、化學和生物化學變化而形成固結(jié)巖石的過程。成巖作用主要有壓固、膠結(jié)和重結(jié)晶等作用方式。就煤的形成過程

10、而言，特指泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)楹置旱淖饔谩?. 變質(zhì)作用變質(zhì)作用（metamorphism）煤層在溫度、壓力的作用下，向褐煤、煙煤、無煙煤變化的過程。經(jīng)成巖作用所形成的煤層，隨地殼運動與含煤巖系一起沉降到地表以下的不同深度，在溫度、壓力的作用下進一步發(fā)生變質(zhì)，經(jīng)褐煤階段，轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋?、無煙煤，乃至石墨或天然焦等。煤的形成過程：高等植物：植物-泥炭-褐煤-煙煤-無煙煤泥炭化作用泥炭化作用 成巖作用成巖作用變質(zhì)作用變質(zhì)作用 低等生物： 植物-腐泥-腐泥煤腐泥化作用腐泥化作用 煤炭不同于一般的高分子有機化合物或聚合物，它具有特別的復雜性、多樣性和非均一性。即使在同一小塊煤中，也不存在一個統(tǒng)一的化學結(jié)構(gòu)。迄今為止

11、尚無法分離出或鑒定出構(gòu)成煤的全部化合物。 圖2-2煤的經(jīng)典結(jié)構(gòu)圖2-3 Wiser化學結(jié)構(gòu)模型所含元素主要成分是碳、氫、氧元素；還有少量的氮，硫及微量的磷、砷、氯等元素。煤的煤的元素元素組成組成碳是產(chǎn)生熱量的重要元素，其熱值可達34 MJ/kg。氫的燃燒熱約為碳的4.2倍。天工開物天工開物中的采煤圖中的采煤圖采煤方法1：露天開采采煤方法2：礦井開采瓦斯，瓦斯，GasGas，原意就是氣體，包括各種可燃和不可燃，原意就是氣體，包括各種可燃和不可燃氣體。氣體。在煤炭行業(yè)，瓦斯特指煤礦中以甲烷（在煤炭行業(yè)，瓦斯特指煤礦中以甲烷（CHCH4 4）為主的）為主的混合氣體。混合氣體。什么是瓦斯？什么是瓦斯？

12、 礦井瓦斯爆炸是一種熱鏈式反應（也叫鏈鎖反礦井瓦斯爆炸是一種熱鏈式反應（也叫鏈鎖反應）。就本質(zhì)而言，瓦斯爆炸是一定濃度的甲烷和應）。就本質(zhì)而言，瓦斯爆炸是一定濃度的甲烷和空氣產(chǎn)生的激烈氧化反應?？諝猱a(chǎn)生的激烈氧化反應。 瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，促使爆源附近的氣瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，破壞巷體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，破壞巷道和器材設(shè)施，揚起大量煤塵并使之參與爆炸，產(chǎn)道和器材設(shè)施，揚起大量煤塵并使之參與爆炸，產(chǎn)生更大的破壞力。另外，爆炸后生成大量的有害氣生更大的破壞力。另外，爆炸后生成大量的有害氣體，造成人員中毒傷亡。體，造成人員中

13、毒傷亡。 運輸方式1：水運煤炭運輸運輸方式2：鐵路煤炭運輸運輸方式3：公路運輸煤炭運輸管道輸煤是當今世界先進的運輸方式之一，它可以減少運輸污染，提高發(fā)電用煤的質(zhì)量，綜合效益顯著。一次反應為：一次反應為：C（s） O2（g）CO2（g） 409.15 kJ/molC（s） 1/2O2（g ）CO（g） 110.52 kJ/mol二次反應為：二次反應為：C（s）CO2（g）2 CO（g）162.63 kJ/mol2 CO（g）O2（g）2 CO2（g） 571.68 kJ/mol總反應為：總反應為：xC（s）yO2（g）m CO2（g） n CO（g） 煤燃燒后進入大氣的懸浮粒子包括灰粒子、煤燃燒

14、后進入大氣的懸浮粒子包括灰粒子、微量金屬和碳氫化合物、煙等，是我國大氣中微量金屬和碳氫化合物、煙等，是我國大氣中最嚴重的空氣污染物，對人的健康威脅最大。最嚴重的空氣污染物，對人的健康威脅最大。煤燃燒時排放的二氧化硫煤燃燒時排放的二氧化硫 （SO2）是大氣污染）是大氣污染的元兇。的元兇。1999年中國向空間排放的年中國向空間排放的SO2總總 量為量為1857萬噸，煙塵排放量為萬噸，煙塵排放量為 1159萬噸。萬噸。 煤中硫分燃燒時的主要化學反應如下： 3S +4O22SO2+2SO3 4FeS2+11O28SO2+2Fe2O3 CxHyS2 (2+x+y/4)O2 2SO2+xCO2+y/2H2

15、O SO2排放量的排放量的90%，NOx排放量的排放量的60%都來自于燃都來自于燃煤。煤。全國全國SO2排放總量超過環(huán)境承載能力的排放總量超過環(huán)境承載能力的70%左右。左右。圖1-4 中國19812002年間SO2和煙塵排放情況 洗煤洗煤水煤漿是水煤漿是20世紀世紀70年代發(fā)展起年代發(fā)展起來的，按來的，按65 70 的煤粉、的煤粉、30 35 的的 水水 及及0.51.0的分散劑和的分散劑和0.020.1的的穩(wěn)定劑配制而成的一種新型漿穩(wěn)定劑配制而成的一種新型漿體燃料。其熱值相當于燃料油體燃料。其熱值相當于燃料油的一半，它保留了煤的燃燒特的一半，它保留了煤的燃燒特點，又具備了類似重油的液態(tài)點，又

16、具備了類似重油的液態(tài)燃燒的應用特點燃燒的應用特點 。2. 燃燒中的凈化裝置燃燒中的凈化裝置（1）先進的燃燒器）先進的燃燒器 先進的燃燒器是通過改進電站鍋爐及工業(yè)鍋爐和窯爐的設(shè)計和燃燒技術(shù)減少污染物排放，并提高效率。（2）流化床燃燒器 流化床燃燒器有鼓泡床和循環(huán)床兩類。下圖為循環(huán)流化床燃燒器的示意圖 3. 3. 燃燒后凈化燃燒后凈化煤炭燃燒后的凈化包括煙氣凈化和除塵，對二氧化硫、低氮氧化物和顆粒物的排放進行控制。4. 4. 煤油混燒技術(shù)煤油混燒技術(shù) 煤油混燒技術(shù)是煤油混燒技術(shù)是20世紀世紀70年代以來發(fā)展起來的年代以來發(fā)展起來的一種新型燃燒技術(shù)，它的系統(tǒng)化研究包括煤和油的一種新型燃燒技術(shù)，它的系

17、統(tǒng)化研究包括煤和油的混合、干燥、粉碎、漿化、運輸、儲存、脫油和燃混合、干燥、粉碎、漿化、運輸、儲存、脫油和燃燒等技術(shù)，使其達到最佳化。燒等技術(shù)，使其達到最佳化。 1. 煤的間接液化煤的間接液化 煤的間接液化是指以煤為原料，先氣化制成合成煤的間接液化是指以煤為原料，先氣化制成合成氣，然后通過催化劑作用將合成氣轉(zhuǎn)化成烴類燃料、氣，然后通過催化劑作用將合成氣轉(zhuǎn)化成烴類燃料、醇類燃料和化學品的過程。醇類燃料和化學品的過程。 煤的間接液化分兩步進行，其主要反應如下煤的間接液化分兩步進行，其主要反應如下: 第一步是由煤制成合成氣的煤氣化反應：第一步是由煤制成合成氣的煤氣化反應：C H2CO H2 C 1/

18、2O2CO 第二步是一氧化碳的加氫催化反應，即費第二步是一氧化碳的加氫催化反應，即費-托合成反應，主托合成反應，主要有以下一些反應：要有以下一些反應： 甲烷化反應甲烷化反應CO 3H22CH4 H2O 烷烴化反應烷烴化反應nCO （2n+1）H2CnH2n+2nH2O 甲醇化反應甲醇化反應CO2nH2CH3OH 高級醇反應高級醇反應nCO 2nH2CnH2n+1OH+ (n-1)H2O圖2-9 費托合成過程直接液化是把煤直接轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)品。將煤在高溫高直接液化是把煤直接轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)品。將煤在高溫高壓下與氫反應，使其降解和加氫，從而轉(zhuǎn)化為液體油壓下與氫反應，使其降解和加氫，從而轉(zhuǎn)化為液體油類類 （如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工藝稱為加氫液化。藝稱為加氫液化。 2. 煤的直接液化煤的直接液化圖2-10 煤的直接液化工藝流程圖 煤炭氣化，通常是在空氣、蒸汽或氧等作氣化煤炭氣化，通常是在空氣、蒸汽或氧等作氣化介質(zhì)的情況下，在煤氣發(fā)生爐中將煤加熱到足夠的介質(zhì)的情況下，在煤氣發(fā)生爐中將煤加熱到足夠的溫度，與煤發(fā)生化學反應，生成一氧化碳、氫和甲溫度，與煤發(fā)生化