煤中的元素及其利用

煤中的元素及其利用煤為不行再生的資源。煤是古代植物埋藏在地下經受了簡單的生物化學和物理化學變化漸漸形成的固體可燃性礦埋藏后再經地質作用轉變而成。俗稱煤炭。中國是世界上最早利用煤的國家。遼寧省樂古文化遺址中，就覺察有煤制《山海經》中稱煤為石涅，魏、晉時稱煤為石墨或石炭。明代李時珍的《本草綱目》首次使用煤這一名稱。希臘和古羅馬也是用煤較早的國家，希臘學者泰奧弗拉斯托斯在公元前300年著有《石史》，其中記載有煤的性質和產地；古2022年前已開頭用煤加熱。煤主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，碳、氫、氧三者總和約占有機質的95%以上，是格外重要的能源，也是冶金、化學工業(yè)的重要原料，有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤這幾種分類。有名作家朱自清也曾以煤為標題寫過一首詩，賜予其獨特的象征意義。我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，不僅儲量大，分布廣，而且種類齊全，煤質優(yōu)良，為我國工業(yè)現代化供給了極為有利的條件。截至2022年，中國是世界上煤炭產量最大的國家，煤炭產量32.4億噸，相當于1800.4，占世界比例高達48.3%；其次是美國，占世界產量比例為14.8%；排名第三的是澳大利亞，占世界產量比例為6.3%；印度和印尼則分別排名第四五，占世界產量比例分別是5.8%和5.0%。由此可見，作為我國第一能源，煤炭的合理開發(fā)和利用對進展國民經濟和提高人民生活水平起著極其重要的作用。煤的形成在地表常溫、常壓下，由積存在停滯水體中的植物遺體經泥炭化作用或腐泥化作用，轉變成泥炭或腐泥；泥炭或腐作用而轉變成褐煤；當溫度和壓力漸漸增高，再經變質作用轉變成煙煤至無煙煤。泥炭化作用是指高等植物遺體在沼澤中積存經生物化學變化轉變成泥炭的過程。腐泥化作用是指低等生物遺體在沼澤中經生物化學變化轉變成腐泥的過程。腐泥是一種富含水和瀝青質的淤泥狀物質。冰川過程可能有助于成煤植物遺體集合和保存。在整個地質年月中，全球范圍內有三個大的成煤期：古生代的石炭紀和二疊紀，成煤植物主要是孢子植物。主要煤種為煙煤和無煙煤。中生代的侏羅紀和白堊紀，成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。生代的第三紀，成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤，其次為泥炭，也有局部年輕煙煤。煤的用途煤是重要能源，也是冶金、化學工業(yè)的重要原料。主要用于燃燒、煉焦、氣化、低溫干餾、加氫液化等。①燃燒。煤炭是人類的重要能源資源，任何煤都可作為工業(yè)和民用燃料。②煉焦。把煤置于干餾爐中，隔絕空氣加熱，煤中有機質隨溫度上升漸漸被分解，其中揮發(fā)性物質以氣態(tài)或蒸氣狀態(tài)逸出，成為焦爐煤氣和煤焦油，而非揮發(fā)性固體剩留物即為焦炭。焦爐煤氣是一種燃料，也是重要的化工原料。煤焦油可用于生產化肥、農藥、合成纖維、合成橡膠、油漆、染料、醫(yī)藥、炸藥等。焦炭主要用于高爐煉鐵和鑄造，也可用來制造氮肥、電石。電石是塑料、合成纖維、合成橡膠等合成化工產品。③氣化。氣化是指轉變?yōu)榭勺鳛楣I(yè)或民用燃料以及化工合成原料的煤氣。④低溫干餾。把煤或油頁巖置于550℃左右的溫度下低溫干餾可制取低溫焦油和低溫焦爐煤氣，低溫焦油可用于制取高級液體燃料和作為化工原料。⑤加氫液化。將煤、催化劑和重油混合在一起，在高溫高壓下使煤中有機質破壞，與氫作用轉化為低分子液態(tài)和氣態(tài)產物，進一步加工可得汽油、柴油等液體燃料。加氫液化的原料煤以褐煤、長焰煤、氣煤為主。綜合、合理、有效開發(fā)利用煤炭資源，并著重把煤轉變?yōu)楦蓛羧剂?，是人們努力的方向。煤的分類煤有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤等幾種。云南常用的是褐煤、煙煤、無煙煤三種。煤的種類不同，其成分組成與質量不同，發(fā)熱量也不一樣。單位重量燃料燃燒時放出的熱量稱為發(fā)熱量，人為規(guī)定以每公斤發(fā)熱量7000千卡的煤作為標準煤，并以此標準折算耗煤量。褐煤：多為塊狀，呈黑褐色，光澤暗，質地疏松；含揮發(fā)分40%左右，燃點低，簡潔著火，燃燒時上火快，火焰大，冒黑煙；含碳量與發(fā)熱量較低〔因產地煤級不同，發(fā)熱量差異很大，燃燒時間短，需經常加煤。煙煤：一般為粒狀、小塊狀，也有粉狀的，多呈黑色而有光澤，質地細致，含揮發(fā)分30%以上，燃點不太高，較易點燃；含碳量與發(fā)熱量較高，燃燒時上火快，火焰長，有大量黑煙，燃燒時間較長；大多數煙煤有粘性，燃燒時易結渣。無煙煤：有粉狀和小塊狀兩種，呈黑色有金屬光澤80%以上；揮發(fā)分含量低，在10%以下，燃點高，不易著火；但發(fā)熱量高煙少，燃燒時間長，粘結性弱，燃燒時不易結渣。應摻入適量煤土燒用，以減輕火力強度。泥煤：碳化程度最淺，含碳量少，水分多，Mar可高達90%發(fā)熱量低，揮發(fā)分含量很多，因此極易著火燃燒?；曳秩埸c低，但機械強度較低。因此，泥煤在工業(yè)上使用價值不高，更不宜長途運輸，一般只作為地方性燃料使用。產區(qū)分布于西南各省和浙江〔西湖泥煤〕等地煤的伴生元素伴生元素指以有機或無機形態(tài)富集于煤層及其圍巖中的元素。有些元素在煤中富集程度很高，可以形成工業(yè)性礦依據煤中伴生元素的性質和用途，可分為有益元素、有害元素和指相元素3類。有益元素主要有鍺、鎵、鈾、釩等，可被利用。有害元素主要有硫、磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等。硫是煤中常見的有害成分，其他有害元素在煤中含量一般不高，但危害極大，如砷是一種有毒元素。煤在燃燒中，硫是造成城鎮(zhèn)環(huán)境污染的主要物質源。固然，對有害元素假設收集、處理得當也可變成對人有用的財寶。煤中伴生元素，有各自的地球化學性質，形成于不同的沉積環(huán)境中。因此，可依據元素的相對含量、元素的共生組合關系及元素的比值，來推斷相和沉積環(huán)境。下面具體介紹幾種煤的伴生元素。鈾鈾主要應用于現代原子能工業(yè),與煤伴生的鈾礦是該礦種重要的類型之一。煤中鈾的工業(yè)品位要求為0.02%。目前具有工業(yè)價值的富鈾煤層大多形成于陸相沉積環(huán)境,尤其是在褐煤中較多。這些富鈾煤層大多位于煤盆地結晶基底上,物消滅。在泥炭積存時期,多呈易溶鈾有機絡合物形式遷移,,絡合物破壞,或者鈾有機絡合物與某些鹽類起化學作用,或由于吸附作用而沉淀下來;鈾也可呈膠溶體形式遷移,受到有機質等的,鈾均富集于盆地底部煤層。我國主要是從煤灰中浸出鈾。鍺鍺元素的提取從煤中提取:近年來覺察，某些粉灰中也含有肯定量的鍺，成為種的鍺資 源。目前，國內提取鍺的方法主要有沉淀法、復原法和萃取法。前兩種方法普遍存在著過程較簡單、本錢較高、產品純度也不夠抱負等問題;而萃取法中所用的某些萃取劑，例如Kelex100、Lix63等萃鍺效果較好，惋惜國內缺乏這類試劑，需要進口。而國內合成的二酞異經肪酸利用二酞異經厲酸(DHYA)的磺化煤油溶液從低酸度粉煤灰浸取液中提取鍺承受相比13-14，水相pH值為1.00一1.25，室溫下進展三級逆流萃取，使用NH4F溶液反萃取最終鍺收率可達99%產品純度在99.8%以上. 鍺屬于稀有分散元素,煤中含量一般不高,只要到達20g/t即可加工利用。鍺主要分布于煤層的頂、底板四周,薄煤層和透鏡體中鍺的含量較高。從已覺察的幾個超大型含鍺煤礦床來看,腐植酸鹽形式存在,有的以吸附狀態(tài)或其它鍺金屬有機化合物形式存在,有爭辯說明,鍺主要與煤中的含氧官能團形成有機協作物[8]。從煤中提取鍺的傳統(tǒng)方法是燃燒含鍺煤,用硫酸從燒灰中浸取鍺。該法在煤燃燒時鍺的損失達20%~50%,回收率低,所以一些爭辯者開頭承受微生物法浸出煤中鍺。釩釩廣泛用于制造優(yōu)質合金鋼,釉和枯燥劑。釩的工業(yè)品位為0.7%床開采主要是石煤,石煤資源分布在20多個省區(qū),尤以湖南、湖北、江西、浙江等省含釩石煤資源豐富,一般石煤中含V2O50.5%~1.2%,,傳統(tǒng)工藝多為平窯鈉法焙燒。由于該工藝釩的轉化率和總回收率低,現在多承受濕法提取石煤中的釩。鎵鎵大量用于制造半導體元件,在自然界沒有獨立礦床,但在煤中普遍存在,10g/t,有的高250g/t,工業(yè)可采品位為30g/t。鎵通常共生于高Al2O3煤中,煤層頂、底板及夾矸中鎵的含量也較高。目前主要是從煤灰和煤矸石中提取鎵,主要承受高溫煅燒浸出和低溫酸性浸出兩種工藝12~230μg/g，具有提取價值。粉煤灰經堿法燒結后，用碳酸鈉溶液浸出，經三次碳酸化及分別過程，可獲得富鎵沉淀。該沉淀用氫氧化鈉溶液溶解，可用電解法制得金屬鎵。煤的工業(yè)分析通過工業(yè)分析可大致了解煤的性質，又稱技術分析，是指煤的水分、揮發(fā)分、灰分的測定以及固定碳的計算。水分可分為外在水分、內在水分以及與煤中礦物質結合的結晶水、化合水。外在水分為煤炭在開采、運輸、儲存及洗選過程中，附著在煤顆粒外表和大毛細孔中的水分。內在水分為吸附或分散在煤顆粒內部的毛細孔中的水100℃時可將煤中內在水分完全蒸發(fā)出來?；曳质侵该和耆紵髿埩舻臍堅?。灰分來自煤的礦物質。揮發(fā)分是指煤中有機質可揮發(fā)的熱分解產物。揮發(fā)分隨煤化程度增高而降低，可用于初步估測煤種。固定碳是指煤中有機質經隔絕空氣加熱分解的剩余物，固定碳隨變質程度的加深而增高，可作為鑒定煤變質程度的指標。煤化工煤化工是以煤為原料，經過化學加工使煤轉化為氣體，液體，固體燃料以及化學品的過程，生產出各種化工產品的工業(yè)。煤化工包括煤的一次化學加工、二次化學加工和深度化學加工。煤的焦化、氣化、液化，煤的合成氣化工、焦油化工和電石乙炔化工等，都屬于煤化工的范圍。煤化工利用生產技術中，煉焦是應用最早的工藝，并且至今仍舊是煤化學工業(yè)的重要組成局部。煤的氣化在煤化工中占有重要地位，用于生產各種燃料起，是干凈的能源，有利于提高人民生活水平和環(huán)境保護；煤氣化生產的合成氣是合成液體燃料等多種產品的原料。煤直接液化，即煤高壓加氫液化，可以生產人造石油和化學產品。在石油短缺時，煤的液化產品將替代目前的自然石油！以上既是在煤化工轉化的主要方面。一代煤化工技術是指以煤氣化為龍頭，以一碳化工技術為根底，合成、制取各種化工產品和燃料油的煤炭干凈利用技術，與電熱等聯產可以實現煤炭能源效率最高、有效組分最大程度轉化、投資運行本錢最低和全生命周期污染物排放最少的目標。干凈煤干凈煤技術〔cleancoaltechnology〕是指從煤炭開發(fā)到利用的全過程中旨在削減污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉化及污染把握等技術。干凈煤技術〔CCT〕一詞源于美國，旨在削減污染和提高效益的煤炭加工、燃燒、轉換和污染把握等技術的總稱。傳統(tǒng)意義上的干凈煤技術主要是指煤炭的凈化技術及一些加工轉換技術，即煤炭的洗選、配煤、型煤以及粉煤灰的綜合利用技術，國外煤炭的洗選及配煤技術相當成熟，已被廣泛承受；目前意義上干凈煤技術是指高技術含量的干凈煤技術，進展的主要方向是煤炭的氣化、液化、煤炭高效燃燒與發(fā)電技術等等。它是旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉換和污染把握技術的總稱，是當前世界各國解決環(huán)境問題的主導技術之一，也是高技術國際競爭的一個重要領域。依據我國國情，潔凈技術包括：選煤，型煤，水煤漿，超臨界火力發(fā)電，先進煤炭氣化，煤炭液化，燃料電池。干凈煤技術包括兩個方面，一是直接燒煤干凈技術，二是煤轉化為干凈燃料技術。直接燒煤干凈技術。這是在直接燒煤的狀況下，需型煤加工和水煤漿技術。原煤洗選承受篩分、物理選煤、化學選煤和細菌脫硫方法，可以除去或削減灰分、矸古、硫等雜質；型煤加工是把散煤加工成型煤，由于成型時參加石灰固硫劑，可削減二氧化硫排放，削減煙塵，還可節(jié)煤；水煤漿是先用優(yōu)質低灰原煤制成，可以代替石油。②燃燒中的凈化燃燒技術，主要是流化床燃燒技術和先進燃燒器技術。流化床又叫沸騰床，有泡床和循環(huán)床兩種，由于燃燒溫度低可削減氮氧化物排放量，煤中添加石灰可削減二氧化硫排放量，爐渣可以綜合利用，能燒劣質煤，這些都是它的優(yōu)點；先進燃燒器技術是指改進鍋爐、窯爐構造與燃燒技術，削減二氧化硫和氮氧化物的排放技術。③燃燒后的凈化處理技術，主要是消煙除塵和脫硫脫氮技術。消煙除塵技術很多，靜電除塵器效率最高，可達99%以上，電廠一般都承受。脫硫有干法和濕法兩種，干法是用漿狀石灰噴霧與煙氣中二氧化硫反響，生成枯燥顆粒硫酸鈣，用集塵器收集；濕法是用石灰水淋洗煙塵，生成漿狀亞硫酸排放。它們脫硫效率可達90%。煤轉化為干凈燃料技術。主要有以下四種：①煤的氣化技術，有常壓氣化和加壓氣化兩種，它是在常壓或加壓條件下，保持肯定溫度，通過氣化劑〔空氣、氧氣和蒸汽〕與煤炭反響生成煤氣，煤氣中主要成分是一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣體。用空氣和蒸汽做氣化劑，煤氣熱值低；用氧氣做氣化劑，煤氣熱值高。煤在氣化中可脫硫除氮，排去灰渣，因此，煤氣就是干凈燃料了。②煤的液化技術，有間接液化和直接液化兩種。間接液化是先將煤氣化，然后再把煤氣液化，如煤制甲醇，可替代汽油，我國已有應用。直接液化是把煤直接轉化成液體燃料，比方直接加氫將煤轉化成液體燃料，或煤炭與渣油混合成油煤漿反響生成液體燃料，我國已開展爭辯。③煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電技術，先把煤制成煤氣，再用燃氣輪機發(fā)電，排出