煤炭加工利用

一、背景

我國是一個“富煤少油缺氣”的國家。在世界已探明的化石能源儲量中，我國的煤炭占世界總量的12.6%，石油占1.4%，天然氣占1.2%。全國石油探明可采剩余產(chǎn)量有限，但煤炭資源比較豐富，全國累計探明煤炭保有儲量超過1萬億t，經(jīng)濟開采儲量達1145億t。這種化石能源資源的稟賦特點決定了我國是世界上少有的以煤為主要能源的國家。煤是古代的植物體因為地殼運動而埋沒地下，在適宜的地質(zhì)環(huán)境中經(jīng)過漫長年代的演變而成的，含碳量一般為46%～97%。煤是重要的燃料和化學(xué)工業(yè)原料。煤在地球上的儲量非常豐富。二、煤炭簡述煤的元素組成

煤是由有機物質(zhì)和無機物質(zhì)混合組成的。煤中有機物質(zhì)主要由碳（C，82%~93%）、氫（H，3.6%~5%）、氧（O，1.3%~10%）、氮（N，1%~2%）四種元素構(gòu)成，還有一些元素則組成煤中的無機物質(zhì)，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。煤是黑色黃金。1.煤炭的氫含量和氫碳比比石油低，氧含量比石油高；2.煤炭的分子量大，有的甚至大于1000，石油約為200；3.煤炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為高聚物，石油為烷烴、環(huán)烷烴和芳烴的混合物；4.煤炭含有大量以細分散組分形式存在的無機礦物質(zhì)和吸附水，還含有數(shù)量不定的雜原子（氧、氮、硫）、堿金屬和微量元素。煤炭和石油的區(qū)別煤炭和石油的元素含量百分比威斯化學(xué)結(jié)構(gòu)模型煤炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型是各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和假設(shè)的統(tǒng)計平均模型。迄今為止，比較全面合理的煤炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型是威斯化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，它基本上反映了煤炭分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代概念，可以解釋煤炭化學(xué)反應(yīng)（包括液化）的許多性質(zhì)。煤炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)三、煤的分類

煤的科學(xué)分類為煤炭的合理開發(fā)和利用提供了基礎(chǔ)，通常最簡單的分類方法是根據(jù)煤中干燥無灰基揮發(fā)分含量將煤分成褐煤、煙煤和無煙煤三大類。褐煤煙煤無煙煤煤種干燥無灰基揮發(fā)分含量（%）LHV（MJ/kg）無煙煤≤926~33煙煤9~4520~33褐煤40~6610~17煤的分類方法煤種干燥無灰基揮發(fā)分含量（%）LHV（MJ/kg）無煙煤≤9＞

20.9貧煤9~19＞

18.4低揮發(fā)分煙煤19~30＞16.3高揮發(fā)分煙煤30~40＞15.5褐煤40~50＞

11.7我國動力煤的分類方法各煤種的用途

無煙煤：是煤化程度最高的煤，含碳量90%以上。特點：揮發(fā)分低、比重大、硬度高、燃燒時煙少、火苗短、火力強。無煙煤通常作民用和動力燃料；質(zhì)量好的無煙煤可作氣化原料、高爐噴吹和燒結(jié)鐵礦石的燃料以及作鑄造燃料等；用優(yōu)質(zhì)無煙煤還可以制造碳化硅、碳粒砂、人造剛玉、人造石墨、電極、電石和炭素材料。中國無煙煤需求行業(yè)煙煤：燃燒時火焰較長而有煙的煤，煤化程度較大的煤。外觀呈灰黑色至黑色，粉末從棕色到黑色。由有光澤的和無光澤的部分互相集合合成層狀，瀝青、油脂、玻璃、金屬、金剛等光澤均有，具明顯的條帶狀、凸鏡狀構(gòu)造。該種煤含碳量為75％～90％，不含游離的腐殖酸。大多數(shù)具有粘結(jié)性；發(fā)熱量較高。燃燒時火焰長而多煙。多數(shù)能結(jié)焦。根據(jù)揮發(fā)分含量、膠質(zhì)層厚度或工藝性質(zhì)，可分為長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、貧煤、瘦煤等。用作煉焦、煉油、氣化、低溫干餾及化學(xué)工業(yè)等的原料，也可直接用作燃料。褐煤：又名柴煤，是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤。一種介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低級煤。由于它富含揮發(fā)份，所以易于燃燒并冒煙。剖面上可以清楚地看出原來木質(zhì)的痕跡。含有可溶于堿液內(nèi)的腐殖酸。含碳量60％～77％。主要用于發(fā)電廠的燃料，也可作化工原料、催化劑載體、吸附劑、凈化污水和回收金屬等。代號等級名稱技術(shù)要求Ad（%）SLA特低灰煤≤5LA低灰分煤5.01~10LMA低中灰煤10.01~20MA中灰分煤20.01~30MHA中高灰煤30.01~40HA高灰分煤40~50煤炭灰分等級劃分標準其他分類方式煤的揮發(fā)分分級標準技術(shù)要求低揮發(fā)分中揮發(fā)分中高揮發(fā)分高揮發(fā)分Vdaf（%）≤2020.01~2828.01~37＞37代號等級名稱技術(shù)要求Qnet,ar（MJ/kg）LC低熱值煤8.5~12.5ML中低熱值煤12.51~17MC中熱值煤17.01~21MH中高熱值煤21.01~24HC高熱值煤24.01~27SH特高熱值煤＞27煤的發(fā)熱量等級劃分標準代號等級名稱技術(shù)要求Std（%）SLS特低硫煤≤0.5LS低硫分煤0.51~1LMS低中硫煤1.01~1.5MS中硫分煤1.51~2MHS中高硫煤2.01~3HS高硫分煤＞3煤炭硫分等級劃分標準五、煤炭的利用途徑根據(jù)煤炭的使用目的分為兩大主要用途：(1)動力煤(2)煉焦煤。我國動力煤的主要用途有：

1)發(fā)電用煤：我國約1/3以上的煤用來發(fā)電，目前平均發(fā)電耗煤為標準煤370g/(kW·h)左右。電廠利用煤的熱值，把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

2)蒸汽機車用煤：占動力用煤2%左右，蒸汽機車鍋爐平均耗煤指標為100kg/(萬噸·km)左右。

3)建材用煤：約占動力用煤的l0%以上，以水泥用煤量最大，其次為玻璃、磚、瓦等。

4)一般工業(yè)鍋爐用煤：除熱電廠及大型供熱鍋爐外，一般企業(yè)及取暖用的工業(yè)鍋爐型號繁多，數(shù)量大且分散，用煤量約占動力煤的30%。

5)生活用煤：生活用煤的數(shù)量也較大，約占燃料用煤的20%。

6)冶金用動力煤：冶金用動力煤主要為燒結(jié)和高爐噴吹用無煙煤，其用量不到動力用煤量的1%。

煉焦煤的主要用途是煉焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高溫冶煉而成，一般1.3噸左右的焦煤才能煉一噸焦炭。焦炭多用于煉鋼，是目前鋼鐵等行業(yè)的主要生產(chǎn)原料，被喻為鋼鐵工業(yè)的“基本食糧”。六、中國煤的利用方向提高價值潔凈利用高效利用煤系共伴生資源利用···········七、煤炭加工技術(shù)煤炭洗選技術(shù)粉煤成型技術(shù)動力煤配煤技術(shù)水煤漿技術(shù)常規(guī)的物理選煤可除去煤中60%的灰分和1/3到1/2的黃鐵礦硫(燃料時SOX的主要來源)。煤炭經(jīng)洗選可大大提高燃燒效率，如電廠粉煤鍋爐燃燒原煤的效率一般為28%左右，而燃洗精煤可達35%。煤炭經(jīng)過洗選可大大降低污染物的排放。選煤是潔凈煤技術(shù)的源頭技術(shù)。1）煤炭洗選技術(shù)民用型煤工業(yè)型煤型煤技術(shù)的研究應(yīng)著力于開發(fā)強度高、防水性好、適合于長途運輸?shù)男兔杭捌渑涮坠に囋O(shè)備和粘結(jié)劑以及研制固硫工業(yè)型煤等技術(shù)上。2）粉煤成型技術(shù)意義重大，主要表現(xiàn)在： 提高熱效率節(jié)約煤炭； 充分利用煤炭資源，做到物盡其用； 可以利用劣質(zhì)煤； 有利于拓展煤炭資源，減輕環(huán)境污染。3）動力煤配煤技術(shù)4）水煤漿技術(shù)石油產(chǎn)品供不應(yīng)求，煤代油勢在必行便于儲運。水煤漿利用儲量豐富、價格低廉的煤炭作為主要原料，使用浮選精煤或水洗煤進行研磨加工、細化，再輔以27%～35%的水和約1%的化學(xué)添加劑，經(jīng)過多道嚴密工序，層層篩除煤炭中不能充分燃燒的成份及產(chǎn)生污染的硫、灰等雜質(zhì)，只將炭本質(zhì)留下來，制出性能像油的水煤漿成品。水煤漿具有濃度高、流變性好、耐儲存等特點。它能象油一樣泵送、霧化燃燒，燃燼率能達到98%以上，只產(chǎn)生極少的灰渣。水煤漿用儲罐進行運輸和儲存，避免了運輸和儲存過程中的污染，并減少了儲存時的占地面積，無論儲存還是排放指標均能達到國家一類地區(qū)的環(huán)保要求。煤炭轉(zhuǎn)化是指通過化學(xué)加工或熱加工的方法，將煤轉(zhuǎn)化成一系列氣體、液體和固體等化學(xué)產(chǎn)品的過程。九、煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)從煤的加工過程分，主要包括干餾(含煉焦和低溫干餾)，氣化，液化和合成化學(xué)品等；從產(chǎn)品上劃分，煤化工包括焦炭、煤焦油等傳統(tǒng)煤化工和煤制油、煤制烯烴和甲醇制二甲醚等新型煤化工；從加工深度上分，煤化工包括煤的一次化學(xué)加工、二次化學(xué)加工和深度化學(xué)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。煤化工的分類煤化工產(chǎn)業(yè)鏈煤化工產(chǎn)業(yè)鏈煤焦化焦炭煤焦油焦?fàn)t氣電石乙炔粗苯精制BDO制氫煤氣化合成氣甲醇二甲醚烯烴醋酸車用燃料合成氨氮肥間接液化各類油品烯烴醇、醛酮、酸煤直接液化烯烴汽柴油傳統(tǒng)煤化工現(xiàn)代煤化工煤在隔絕空氣的條件下加熱，將產(chǎn)生一系列的熱分解過程，得到氣態(tài)、液態(tài)和固體產(chǎn)物。干餾得到的固體產(chǎn)物：冶金焦炭從煤干餾得到的揮發(fā)分中可以回收煤焦油和煤氣等產(chǎn)物。溫度高于950℃的過程稱為高溫干餾，如采用合適的煙煤干餾可得冶金焦炭。1）煤炭的干餾技術(shù)煤炭的氣化是指將煤與氣化劑反應(yīng)，使煤中的有機部分完全轉(zhuǎn)化為煤氣的過程。

2）煤炭氣化技術(shù)

煤炭氣化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域：

工業(yè)燃氣 民用煤氣 化工合成和燃料油合成原料氣 冶金還原氣 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃氣 燃料電池 煤炭氣化制氫 煤炭液化的氣源

煤液化即煤制油，是以煤炭為原料生產(chǎn)液體燃料和化工原料的煤化工技術(shù)的簡稱。通常有兩種技術(shù)路線：直接液化和間接液化。煤炭和石油都是碳氫化合物，典型煙煤的氫碳比為0.8，汽油、柴油的氫碳比為2（摩爾比），因此，無論采用何種技術(shù)路線，煤制油的關(guān)鍵都是增加氫碳比。3）煤液化技術(shù)直接液化：是在粉煤漿中加入氣態(tài)氫，通過催化劑作用，提高氫碳比，生產(chǎn)液體燃料和化工原料。

加氫的作用：一是合成液化粗油（可簡單表示為CH1.6），二是減少原料煤中的氧、硫和氮，把它們變成H2O、H2S、和

NH3

的形式除去。除去氧可以生成烴油，去除氮和硫化物以免下游精煉用的裂化催化劑中毒。（1）直接液化代表性技術(shù)原理將煤磨碎制漿，而后加入供氫溶劑及H2，在高壓高溫下加氫液化。國外德國IGOR工藝，日本NEDOL工藝，美國的HTI工藝國內(nèi)神華工藝，在美國HTI技術(shù)基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整評價對煤種要求高，煤種適應(yīng)性差反應(yīng)條件苛刻，高溫高（440~470℃,17~30MPa)，因此對設(shè)備材料要求高，關(guān)鍵設(shè)備需要進口直接液化得到的產(chǎn)物含少量S、N雜原子，需去除產(chǎn)品分布汽油16%、柴油67%、液化氣10%、芳烴7%。汽油品質(zhì)較好，辛烷值可達80；但柴油品質(zhì)差，十六烷值不到20，需經(jīng)過后續(xù)深度加氫精制才能達到45-50的指標煤直接液化制油產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀國外二戰(zhàn)中德國發(fā)展了340萬噸的煤直接液化制油生產(chǎn)規(guī)模，戰(zhàn)后因石油工業(yè)發(fā)展而停止；20世紀70年代后新的加氫液化工藝目前國外只有工業(yè)性示范/試驗裝置，但在此基礎(chǔ)上國外廠商完成了商業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)計或施工設(shè)計。國內(nèi)2004年8月神華集團煤直接液化項目一期開工建設(shè)，規(guī)模為年產(chǎn)油品320萬噸，總投資245億元，耗煤970萬噸。評價國外沒有進行大規(guī)模商業(yè)化的原因非技術(shù)問題，主要是經(jīng)濟問題，過去很長時間原油價格較低，煤制油投資大，成本高，缺乏競爭力。投資每萬噸規(guī)模投資0.65~0.76億元，最低經(jīng)濟規(guī)模200萬噸/年成本神華估算~1457元/噸油品（相當(dāng)于原油24$/桶），但這一估算是基于我國較低的煤價。資源消耗每生產(chǎn)1噸油品耗3~4噸煤每生產(chǎn)1噸油耗新鮮水5.2噸環(huán)境影響生產(chǎn)過程使用大量催化劑，造成固體廢物污染；油品中芳烴含量高，環(huán)保性能較差。1913年，德國Friedrich

Bergius

發(fā)明了煤炭直接液化技術(shù)，并因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎。1927年，德國IG

公司開始建設(shè)世界上第一座商業(yè)化的煤炭直接液化工廠，并于1931年投入運轉(zhuǎn)。二戰(zhàn)期間，德國共擁有12座煤炭直接液化工廠。1950年，中東發(fā)現(xiàn)開采成本低廉、儲量豐富的石油，因此，煤炭直接液化工廠因經(jīng)濟原因停產(chǎn)。1973年，石油危機爆發(fā)，阿拉伯世界對美國、德國和日本實行石油禁運，于是，美國、德國和日本恢復(fù)對煤炭直接液化的研發(fā)。1980年，國際油價暴跌，煤炭直接液化的研發(fā)工作再次降溫。目前，典型的煤炭直接液化技術(shù)有：美國HTI工藝、德國IGOR工藝、日本NEDOL工藝和中國神華工藝。神華煤直接液化項目先期工程于2007年建成投產(chǎn)。南非的煤炭加工技術(shù)處于領(lǐng)先地位。發(fā)展歷史間接液化：是將煤炭部分氧化成主要由CO和H2組成的合成氣，然后進行催化反應(yīng)，合成汽油與柴油等烴類燃料或氧化燃料。氫碳比的增加是通過水煤氣變換反應(yīng)并脫除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的CO2

實現(xiàn)的。（2）間接液化當(dāng)前，煤炭間接液化最重要的3個產(chǎn)品是：烴類燃料、甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）。水煤氣變換反應(yīng)通過費-托合成工藝，把氣化產(chǎn)生的小分子聚集成大的碳氫化合物分子，從而生成烴類（烯烴和烷烴）燃料。簡單的描述如下：烴類燃料費-托合成工藝已經(jīng)被南非SASOL公司商業(yè)化。由煤制乙烯、丙烯技術(shù)

制造甲醇在商業(yè)上已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，在中國有廣泛應(yīng)用。主要反應(yīng)包括：（水煤氣變換反應(yīng)）（甲醇合成）

甲醇通過MOBIL工藝，可以進一步加工成汽油，這也是一項成熟的技術(shù)，或可以直接用作燃料。代表性技術(shù)原理煤先汽化變成合成氣（含CO與H2），合成氣在催化劑的作用下轉(zhuǎn)變烷烴和烯烴（費托合成）得到產(chǎn)品；或轉(zhuǎn)變成中間化學(xué)品，再轉(zhuǎn)變成油品國外南非Sasol公司系列技術(shù)（有四種不同的反映器類型，分高溫費托合成和低溫費托合成兩條路線，高溫費托合成產(chǎn)品以汽、柴油和烯烴等化學(xué)品為主，低溫費托合成產(chǎn)品以汽、柴油和石蠟為主）國內(nèi)山西煤化所固定床費托合成技術(shù)；兗礦集團漿態(tài)床低溫費拖合成技術(shù)評價對煤種要求不高，煤種適應(yīng)性強；煤需要先氣化，設(shè)備投資大；反應(yīng)條件與直接液化相比較為溫和（250~350℃,3.0MPa~5.0MPa);間接液化得到的產(chǎn)物不含S、N等雜原子產(chǎn)品中的汽油餾分品質(zhì)很差，但可作為優(yōu)質(zhì)的乙烯生產(chǎn)原料；柴油餾分的十六烷值過高，達75～80，也需要進行后續(xù)加工。煤間接液化制油產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀國外二戰(zhàn)中德國發(fā)展了57萬噸的煤間接液化制油生產(chǎn)規(guī)模，戰(zhàn)后因石油工業(yè)發(fā)展而停止；目前只有南非Sasol公司以煤為原料進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)油品450萬噸和各種化學(xué)品310萬噸，共耗煤4600萬噸。Shell公司采用SMDG工藝1994年在馬來西亞建成年產(chǎn)50萬噸合成油的工廠，但是以天然氣為原料。由于Shell公司同時掌握先進的煤氣化技術(shù)，從理論上Shell公司具備以煤為原料生產(chǎn)合成的產(chǎn)業(yè)化能力；Mobil公司采用MTG技術(shù)1984年在新西蘭建成75萬噸規(guī)模的工廠，也是以天然氣為原料，后因經(jīng)濟原因只產(chǎn)甲醇不產(chǎn)汽油。國內(nèi)2004年9月，兗礦集團采用低溫費托合成工藝完成每年4500噸油品工業(yè)裝置試驗；20世紀80年代采用固定床低溫費托合成工藝完成2000噸規(guī)模的工業(yè)試驗，具備了進行固定床萬噸級工業(yè)示范和運行的技術(shù)條件。評價目前以煤為原料進行間接制油的實際只有南非一家，且是出于特殊的政治原因迫不得已而為之。投資每萬噸規(guī)模投資1億元，最低經(jīng)濟規(guī)模100萬噸/年。與直接液化相比，間接液化的投資更大，經(jīng)濟性要差。成本兗州估算～1452元/噸油品，基于100元/噸的煤價資源消耗每生產(chǎn)1噸合成油耗煤5噸，資源利用效率較低每生產(chǎn)1噸合成油耗新鮮水20噸，耗水量較大環(huán)境影響煤氣化產(chǎn)生大量固體廢渣，每生產(chǎn)1噸油約產(chǎn)生0.7～1噸渣：生產(chǎn)同樣多的油品，CO2排放量比傳統(tǒng)石油煉制過程的排放量高50％。二甲醚是無毒、無致癌作用、環(huán)保的氣體噴霧劑。制造方法是甲醇脫水：二甲醚21世紀清潔能源作為車用和民用燃料的替代品二甲醚與柴油性能比較十六烷值點火溫度℃低發(fā)熱值kJ/kg理論空氣量kg/kg可燃范圍％柴油40-5525042.514.60.6-6.5二甲醚55-6023528.493.4-18二甲醚液化氣與液化石油氣性能比較分子量蒸汽壓/MPa(60℃)平均熱值kJ/kg爆炸下限％理論空氣量m3/kg預(yù)混氣熱值kJ/m3理論燃燒溫度℃LPG56.61.92457601.711.3220552055二甲醚46.01.35314503.56.9642192250

大多數(shù)文獻都從能源轉(zhuǎn)化效率或者油品收率的角度，對直接液化和間接液化進行比較。但是，與石油和天然氣相比，由于煤炭是一種低成本、大儲量的化石能源，因此，比較直接液化和間接液化的能源轉(zhuǎn)化效率或者油品收率容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。

直接液化的合成燃料轉(zhuǎn)化效率較高，間接液化的產(chǎn)品使用效率較高；間接液化產(chǎn)品比直接液化產(chǎn)品的環(huán)保性能更好；間接液化比直接液化的副產(chǎn)品多；直接液化和間接液化彼此間沒有排他性，其產(chǎn)品具有很強的互補性。（3）直接液化和間接液化比較26氣化方法固定床

流化床氣流床整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)技術(shù)3）煤炭地下氣化把煤的開采和轉(zhuǎn)化結(jié)合起來，氣化后殘余灰渣仍滯留地下，減輕固體廢渣對環(huán)境的污染，有利于提高煤炭資源回收率4）煤炭的直接液化煤直接加氫液化是采用高溫、高壓氫氣，在催化劑和溶劑作用下進行裂解、加氫等反應(yīng)，將煤直接轉(zhuǎn)化為分子量較小的燃料油和化工原料。神華集團已經(jīng)開始在內(nèi)蒙古鄂爾多斯建設(shè)世界上第一條每天6000噸煤的商業(yè)液化生產(chǎn)線，最終每年可產(chǎn)油品500萬噸以上。5）煤炭的間接液化