1、第七章第七章 煤炭的综合利用煤炭的综合利用第一节第一节 煤的气化煤的气化 第二节第二节 煤的液化煤的液化 第三节第三节 煤的燃烧煤的燃烧 第三节第三节 石煤和煤矸石的利用石煤和煤矸石的利用第一节第一节 煤的气化煤的气化定义：定义： 煤的气化是指气化原料（煤或焦炭）与气化煤的气化是指气化原料（煤或焦炭）与气化剂（空气、水蒸汽、氧气等）接触，在一定剂（空气、水蒸汽、氧气等）接触，在一定温度压力下，发生一系列复杂的热化学反应，温度压力下，发生一系列复杂的热化学反应，使原料最大限度地转变为气态可燃物（煤气）使原料最大限度地转变为气态可燃物（煤气）的工艺过程。煤气的有效成分主要是的工艺过程。煤气的有效成
2、分主要是H2、CO、和和CH4等。等。一、煤炭气化的意义一、煤炭气化的意义1.煤气是洁净的燃料：煤气是洁净的燃料： 发电、工业锅炉、窑炉、城市民用。发电、工业锅炉、窑炉、城市民用。2.煤气是化学合成工业的原料：煤气是化学合成工业的原料： 合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸酐。合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸酐。二、煤的气化方法与煤气的种类二、煤的气化方法与煤气的种类 （一）煤的气化方法（一）煤的气化方法1.按原料在气化炉中的运动状态可分为：移按原料在气化炉中的运动状态可分为：移动床（固定床）气化、流化床（沸腾床）气动床（固定床）气化、流化床（沸腾床）气化、气流床（悬浮床）气化、熔融床气化等；化、气流床（悬浮
3、床）气化、熔融床气化等；2.按气化过程的操作方式可分为：连续式气按气化过程的操作方式可分为：连续式气化、间歇式气化、循环式气化等；化、间歇式气化、循环式气化等；3.按压力大小不同可分为：常压气化、加压按压力大小不同可分为：常压气化、加压气化（中压气化（中压0.73 .5MPa，高压，高压7.0MPa）。）。(二)煤气的种类1.空气煤气2.混合煤气3.水煤气4.半水煤气 三、煤气化的化学反应三、煤气化的化学反应1.燃烧反应燃烧反应 CO2CO2395.4kJ/mol2.发生炉煤气反应发生炉煤气反应 CCO22CO167.9KJ/mol3.碳碳水蒸汽反应水蒸汽反应 CH2OCOH2135.7KJ/
4、mol4.变换反应变换反应 COH2OCO2H232.2kJ/mol5.碳加氢反应 C+2H2CH439.4kJ/mol6.热解或脱挥发分反应 CmHnn/4CH4+（mn）/4 C 或CmHn（2mn/2H2mCH4三、气化用煤对煤质的要求三、气化用煤对煤质的要求（一）移动床气化法对煤质的要求一）移动床气化法对煤质的要求1移动床常压气化法对煤质的要求移动床常压气化法对煤质的要求（1）水分）水分 Mt6%。（2）挥发分）挥发分 Vdaf1 10%.（3）灰分）灰分 Ad24%.（4）煤灰熔融性）煤灰熔融性 ST1250。（5）固定碳）固定碳 w (FC)daf65% 。（6）粒度。粒度）粒度。
5、粒度13100（7）抗碎强度抗碎强度（）抗碎强度抗碎强度（25） 65%。（8）热稳定性。）热稳定性。TS+670 70%。（9）反应性。无烟煤的化学反应性较差，但通过提高反）反应性。无烟煤的化学反应性较差，但通过提高反 应温度可增应温度可增 加反应性。加反应性。（10）硫分。）硫分。St,d 1.5%。2移动床加压气化对煤质的要求移动床加压气化对煤质的要求 移动床加压气化典型的气化炉是德国鲁奇公司发移动床加压气化典型的气化炉是德国鲁奇公司发明的鲁奇炉，它采用蒸气一氧（高氧空气）作气明的鲁奇炉，它采用蒸气一氧（高氧空气）作气化剂，气化压力为化剂，气化压力为23MPa，在压力高而温度不，在压力高
6、而温度不很高的条件下，可促进甲烷的生成反应；同时由很高的条件下，可促进甲烷的生成反应；同时由于加压气化使反应物浓度增高，反应速度加快。于加压气化使反应物浓度增高，反应速度加快。由于气化温度低，鲁奇炉加压气化法可采用灰熔由于气化温度低，鲁奇炉加压气化法可采用灰熔性低的煤气化、对煤的抗碎强度和热稳定性要求性低的煤气化、对煤的抗碎强度和热稳定性要求较低，可气化褐煤，其粒度下限达较低，可气化褐煤，其粒度下限达5，能采用，能采用高水分（高水分（Mt=20%30%）和高灰分（）和高灰分（Ad=30%）的劣质煤，对黏结性稍强的烟煤也能气化。的劣质煤，对黏结性稍强的烟煤也能气化。（二）沸腾床气化法及其煤质的要
7、求（二）沸腾床气化法及其煤质的要求 沸腾床气化又称流化床气化。沸腾床气化又称流化床气化。 1.对原料煤的要求是活性愈大愈好，所以对原料煤的要求是活性愈大愈好，所以 用褐煤最好，要求用褐煤最好，要求Mar12%,Ad1250,硫分硫分St,d2%。（三）气流床气化法及其对煤质的要求三）气流床气化法及其对煤质的要求气流床气化过程是气体介质夹带煤粉并使其气流床气化过程是气体介质夹带煤粉并使其处于悬浮状态的气化过程。又称为悬浮床气处于悬浮状态的气化过程。又称为悬浮床气化。悬浮床气化炉是一种粉煤气化炉，气化化。悬浮床气化炉是一种粉煤气化炉，气化温度高达温度高达14001500,常压下连续运转高速常压下连
8、续运转高速气化，对煤种要求不严，可以使用各种煤，气化，对煤种要求不严，可以使用各种煤，包括黏结、膨胀、易碎、高灰、高硫、低灰包括黏结、膨胀、易碎、高灰、高硫、低灰熔融性的各种褐煤、烟煤、载烟煤。对料度熔融性的各种褐煤、烟煤、载烟煤。对料度要求较严格，要求煤粉愈细愈好。小于要求较严格，要求煤粉愈细愈好。小于200目的粉煤占目的粉煤占85%（褐煤可降到（褐煤可降到80%）。水分）。水分一般在一般在1%5%。（四）熔融床气化法及其对煤质的要求（四）熔融床气化法及其对煤质的要求 熔融床气化是一种入炉煤与高温的熔浴相接触熔融床气化是一种入炉煤与高温的熔浴相接触而气化。而气化。 按熔浴情况分为熔渣床、熔盐
9、床和熔铁床三种。按熔浴情况分为熔渣床、熔盐床和熔铁床三种。 采用的液体热载体有熔融煤灰渣、熔融采用的液体热载体有熔融煤灰渣、熔融Na2CO3和熔融铁水。和熔融铁水。 由于熔融的高温铁水对煤粉具有良好的熔解能由于熔融的高温铁水对煤粉具有良好的熔解能力，煤中硫和铁水具有强烈的亲和性，在气化用煤力，煤中硫和铁水具有强烈的亲和性，在气化用煤方面，也可选用高硫煤，对煤种有较宽的适用范围。方面，也可选用高硫煤，对煤种有较宽的适用范围。第二节第二节 煤的液化煤的液化定义：定义： 煤的液化是指经过一定的加工工艺，煤的液化是指经过一定的加工工艺，将固体煤炭转变成液体燃料或原料的将固体煤炭转变成液体燃料或原料的过
10、程。过程。一、煤炭液化的意义一、煤炭液化的意义1.煤的液化用于生产石油的代用品，可以缓解石煤的液化用于生产石油的代用品，可以缓解石油资源紧张的局面。从全世界能源消耗组成看，油资源紧张的局面。从全世界能源消耗组成看，可燃矿物（煤、石油、天燃气）占可燃矿物（煤、石油、天燃气）占92%左右，左右，其中石油其中石油44%，煤，煤30%，天燃气，天燃气18%。2.通过液化，将难处理的固体燃料转变成便于运通过液化，将难处理的固体燃料转变成便于运输、贮存的液体燃料，减少了煤中含硫、氮化输、贮存的液体燃料，减少了煤中含硫、氮化物和粉尘、煤灰渣对环境的污染。物和粉尘、煤灰渣对环境的污染。3.煤的液化还可用于制取
11、碳素材料、电极材料、煤的液化还可用于制取碳素材料、电极材料、碳素纤维、针状焦，还可制取有机化工产品等，碳素纤维、针状焦，还可制取有机化工产品等，以煤化工代替部分石油化工，扩大煤的综合利以煤化工代替部分石油化工，扩大煤的综合利用范围。用范围。二、煤炭液化的方法及对煤质的要求二、煤炭液化的方法及对煤质的要求（一）煤炭液化的方法：（一）煤炭液化的方法：（1） 煤的直接加氢液化法，如高压加氢法、煤的直接加氢液化法，如高压加氢法、溶剂精炼煤法、水煤浆生产法等；溶剂精炼煤法、水煤浆生产法等；（2）煤的间接液化法，即水煤气合成法；）煤的间接液化法，即水煤气合成法；（3）煤的部分液化法，即低温干馏法。）煤的部
12、分液化法，即低温干馏法。（二）煤直接加氢液化法及对煤质的要求（二）煤直接加氢液化法及对煤质的要求1.定义：煤直接加氢液化是在高温、高压、氢气（或定义：煤直接加氢液化是在高温、高压、氢气（或CO+H2，CO+H2O等）、催化剂和溶剂的作用下进行裂解、加氢等等）、催化剂和溶剂的作用下进行裂解、加氢等反应，将煤直接转化成分子量较小的燃料油和化工原料的反应，将煤直接转化成分子量较小的燃料油和化工原料的加工过程。加工过程。 2.条件：煤加氢液化一般在条件：煤加氢液化一般在180450加压下分段进行。加压下分段进行。 氢的来源可以是氢气或能提供氢原子的溶剂（称为供氢溶氢的来源可以是氢气或能提供氢原子的溶剂
13、（称为供氢溶剂）。剂）。 催化剂：钴、钌、钯、铂、铑等过渡金属配合物。催化剂：钴、钌、钯、铂、铑等过渡金属配合物。 载在多孔氧化铝表面上用硫化物处理过的钼酸钴。载在多孔氧化铝表面上用硫化物处理过的钼酸钴。3.煤质要求：煤质要求： 高挥发分烟煤和褐煤高挥发分烟煤和褐煤 wdaf (C)=68%85%、 wdaf (H)= 4.5%、Ad7%；Ad10%； St,d3%；抗碎强度高，热稳定性好，弱黏或不黏；抗碎强度高，热稳定性好，弱黏或不黏结。结。第三节第三节 煤的燃烧煤的燃烧煤的燃烧是指煤中的可燃有机质，在一定煤的燃烧是指煤中的可燃有机质，在一定温度下与空气中的氧发生剧烈的化学反应，温度下与空气
14、中的氧发生剧烈的化学反应，放出光和热，并转化为不可燃的烟气和灰放出光和热，并转化为不可燃的烟气和灰渣的过程。渣的过程。一、煤的燃烧过程一、煤的燃烧过程1加热和干燥，依靠热源将煤粒加热到加热和干燥，依靠热源将煤粒加热到100以上，煤中的水分逐渐蒸发；以上，煤中的水分逐渐蒸发；2析出挥发分和形成残焦（焦渣）；析出挥发分和形成残焦（焦渣）；3挥发物和残焦的着火燃烧；挥发物和残焦的着火燃烧；4灰渣的生成。灰渣的生成。二、煤燃烧的基本化学反应二、煤燃烧的基本化学反应1碳的燃烧反应碳的燃烧反应完全燃烧时：完全燃烧时：CO2CO2409KJ/mol不完全燃烧时：不完全燃烧时：C1/2O2CO123 KJ/m
15、ol2CO的燃烧反应的燃烧反应CO1/2O2CO2283KJ/mol3氢的燃烧反应氢的燃烧反应H21/2O2H2O242KJ/mol（汽）（汽）H21/2O2H2O286KJ/mol（液）（液）4硫的燃烧反应硫的燃烧反应SO2SO2 296KJ/mol三、煤炭完全燃烧的条件三、煤炭完全燃烧的条件1必须维持煤料的温度在着火温度以上；必须维持煤料的温度在着火温度以上；2煤料和适量的空气充分接触；煤料和适量的空气充分接触；3及时而且妥善地排出燃烧产物；及时而且妥善地排出燃烧产物；4必须提供燃烧必需的足够空间和时间。必须提供燃烧必需的足够空间和时间。第四节第四节 石煤和煤矸石的利用石煤和煤矸石的利用
16、一、石煤一、石煤 石煤是一种劣质腐泥无烟煤。它是石煤是一种劣质腐泥无烟煤。它是由古生代大量繁殖的低等生物（藻类、由古生代大量繁殖的低等生物（藻类、菌类和浮游生物）的遗骸经过复杂的生菌类和浮游生物）的遗骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用，转变成的物化学作用和物理化学作用，转变成的一种固体可燃有机岩。一种固体可燃有机岩。（一）石煤的性质（一）石煤的性质石煤外观象石头，颜色灰黑近灰，光泽暗淡，结构石煤外观象石头，颜色灰黑近灰，光泽暗淡，结构均一，断口由贝壳状、阶梯状到参差状不等；石煤均一，断口由贝壳状、阶梯状到参差状不等；石煤的硬度大、密度大，燃点高，无烟。石煤中含有大的硬度大、密度大，燃点高，
17、无烟。石煤中含有大量非金属矿物杂质，碳质碎片呈浸染状均匀分布于量非金属矿物杂质，碳质碎片呈浸染状均匀分布于杂质中。杂质中。石煤的灰分高达石煤的灰分高达70%80%，含硫量在，含硫量在2%4%，含，含碳量在碳量在12%左右，发热量在左右，发热量在3.232.2MJ/kg，绝大，绝大多数热值低于多数热值低于5.0 MJ/kg。在石煤的灰分中，。在石煤的灰分中，SlO2含量最高，其次是含量最高，其次是Al2O3、Fe2O3等。等。绝大多数石煤的煤灰熔融性都在绝大多数石煤的煤灰熔融性都在1200以上。以上。（二）石煤的主要利用途径（二）石煤的主要利用途径1石煤提钒石煤提钒在我国石煤资源中，在我国石煤资
18、源中，V2O5品位多在品位多在0.3%1.0%钒的钒的熔点高，可塑性好，钒也是超导材料的原料。熔点高，可塑性好，钒也是超导材料的原料。2石煤发电石煤发电石煤是低热值燃料，可用于发电。在烟煤中掺入大石煤是低热值燃料，可用于发电。在烟煤中掺入大约约10%的石煤，这样可以节约部分烟煤，降低发电的石煤，这样可以节约部分烟煤，降低发电成本。成本。3应用于建筑行业应用于建筑行业在水泥的生产过程中，石煤既是燃料又是原料。燃在水泥的生产过程中，石煤既是燃料又是原料。燃烧后产生的灰分直接转移到水泥熟料中，可以减少烧后产生的灰分直接转移到水泥熟料中，可以减少水泥生料中黏土的配入量。水泥生料中黏土的配入量。二、煤矸
19、石二、煤矸石 煤矸石是在采煤过程中与煤一起排出的一煤矸石是在采煤过程中与煤一起排出的一种混杂岩体。它包括开采矸石、洗选矸石、种混杂岩体。它包括开采矸石、洗选矸石、半煤岩巷及岩巷掘进中排出的煤和岩石。半煤岩巷及岩巷掘进中排出的煤和岩石。（一）煤矸石的组成和性质（一）煤矸石的组成和性质煤矸石的化学组成：煤矸石的化学组成：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O煤矸石：煤矸石： 发热量低（发热量低（4.212.6MJ/kg），）， 碳含量低（碳含量低（20%30%），）， 有机质含量低硬度大，有机质含量低硬度大， 矿物含量高。矿物含量高。 （二）煤矸石的利用途径（二）煤矸石
20、的利用途径1.热值利用热值利用 煤矸石因含碳，具有一定热值，尤其是选煤矸石发热量一般在煤矸石因含碳，具有一定热值，尤其是选煤矸石发热量一般在6270kJ/以上，把它加工成粒径以上，把它加工成粒径13mm，水分，水分10%的煤矸石，可作为发电厂的煤矸石，可作为发电厂流化床锅炉的燃料。流化床锅炉的燃料。2.矿物成分的利用矿物成分的利用以煤矸石、矸石沸腾炉灰及高灰煤泥为原料或填料生产矸石砖、砌砖、以煤矸石、矸石沸腾炉灰及高灰煤泥为原料或填料生产矸石砖、砌砖、水泥等技术已工业化，正开发煤矸石生产轻质、高强及具有特殊性能的水泥等技术已工业化，正开发煤矸石生产轻质、高强及具有特殊性能的新型建筑材料技术。新型建筑材料技术。3.煤矸石作为充填材料及用作筑路基材煤矸石作为充填材料及用作筑路基材作为井下充填材料：掘进和维修巷道的矸石以及选煤矸石，可作为井下作为井下充填材料：掘进和维修巷道的矸石以及选煤矸石，可作为井下充填材料。充填材料。作为筑路建材：煤矸石作为修筑公路、铁路路基。作为筑路建材：煤矸石作为修筑公路、铁路路基。
