第一節(jié) 煤的氣化
煤的氣化是指氣化原料（煤或焦炭）與氣化劑（空氣、水蒸汽、氧氣等）接觸，在一定溫度壓力下，發(fā)生一系列復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，使原料最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)可燃物（煤氣）的工藝過程。煤氣的有效成分主要是H2、CO、和CH4等。
一、煤炭氣化的意義
1.煤氣是潔凈的燃料：發(fā)電、工業(yè)鍋爐、窯爐、城市民用。
2.煤氣是化學(xué)合成工業(yè)的原料：合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸酐。
二、煤的氣化方法與煤氣的種類
（一）煤的氣化方法
1.按原料在氣化爐中的運動狀態(tài)可分為：移動床（固定床）氣化、流化床（沸騰床）氣化、氣流床（懸浮床）氣化、熔融床氣化等；
2.按氣化過程的操作方式可分為：連續(xù)式氣化、間歇式氣化、循環(huán)式氣化等；
3.按壓力大小不同可分為：常壓氣化、加壓氣化（中壓0.7～3.5MPa，高壓>7.0MPa）。
(二)煤氣的種類
1.空氣煤氣；2.混合煤氣；3.水煤氣；4.半水煤氣。
三、煤氣化的化學(xué)反應(yīng)
1.燃燒反應(yīng)
C＋O2→CO2－395.4kJ/mol
2.發(fā)生爐煤氣反應(yīng)
C＋CO2→2CO＋167.9KJ/mol
3.碳—水蒸汽反應(yīng)
C＋H2O→CO＋H2＋135.7KJ/mol
4.變換反應(yīng)
CO＋H2O→CO2＋H2－32.2kJ/mol
5.碳加氫反應(yīng)
C+2H2→CH4＋39.4kJ/mol
6.熱解或脫揮發(fā)分反應(yīng)
CmHn→n/4CH4+（m－n）/4C 或 CmHn＋（2m－n/2H2→mCH4
四、氣化用煤對煤質(zhì)的要求
（一）移動床氣化法對煤質(zhì)的要求
1.移動床常壓氣化法對煤質(zhì)的要求
（1）水分：Mt≤6%。
（2）揮發(fā)分：Vdaf1 ≤ 10%。
（3）灰分：Ad24%。
（4）煤灰熔融性：ST≥1250℃。
（5）固定碳： w(FC)daf>65%。
（6）粒度：粒度13～100㎜。
（7）抗碎強(qiáng)度抗碎強(qiáng)度：（>25㎜）≥ 65%。
（8）熱穩(wěn)定性：TS+670 ≥ 70%。
（9）反應(yīng)性：無煙煤的化學(xué)反應(yīng)性較差，但通過提高反應(yīng)溫度可增加反應(yīng)性。
（10）硫分：St,d≤ 1.5%。
2.移動床加壓氣化對煤質(zhì)的要求
移動床加壓氣化典型的氣化爐是德國魯奇公司發(fā)明的魯奇爐，它采用蒸氣一氧（高氧空氣）作氣化劑，氣化壓力為2～3MPa，在壓力高而溫度不很高的條件下，可促進(jìn)甲烷的生成反應(yīng)；同時由于加壓氣化使反應(yīng)物濃度增高，反應(yīng)速度加快。
由于氣化溫度低，魯奇爐加壓氣化法可采用灰熔性低的煤氣化、對煤的抗碎強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性要求較低，可氣化褐煤，其粒度下限達(dá)5㎜，能采用高水分（Mt=20%～30%）和高灰分（Ad=30%）的劣質(zhì)煤，對黏結(jié)性稍強(qiáng)的煙煤也能氣化。
（二）沸騰床氣化法及其煤質(zhì)的要求
沸騰床氣化又稱流化床氣化。
1.對原料煤的要求是活性愈大愈好，所以，用褐煤最好，要求Mar<12%,Ad<25%。
2.也可采用長焰煤或不粘煤。
煤的粒度小于8㎜，0～1㎜的煤粉愈少愈好。
煤灰熔融性ST>1250℃,硫分St,d<2%。
（三）氣流床氣化法及其對煤質(zhì)的要求
氣流床氣化過程是氣體介質(zhì)夾帶煤粉并使其處于懸浮狀態(tài)的氣化過程。又稱為懸浮床氣化。懸浮床氣化爐是一種粉煤氣化爐，氣化溫度高達(dá)1400～1500℃,常壓下連續(xù)運轉(zhuǎn)高速氣化，對煤種要求不嚴(yán)，可以使用各種煤，包括黏結(jié)、膨脹、易碎、高灰、高硫、低灰熔融性的各種褐煤、煙煤、載煙煤。對料度要求較嚴(yán)格，要求煤粉愈細(xì)愈好。小于200目的粉煤占85%（褐煤可降到80%）。水分一般在1%～5%。
（四）熔融床氣化法及其對煤質(zhì)的要求
熔融床氣化是一種入爐煤與高溫的熔浴相接觸而氣化。
按熔浴情況分為熔渣床、熔鹽床和熔鐵床三種。
采用的液體熱載體有熔融煤灰渣、熔融Na2CO3和熔融鐵水。
由于熔融的高溫鐵水對煤粉具有良好的熔解能力，煤中硫和鐵水具有強(qiáng)烈的親和性，在氣化用煤方面，也可選用高硫煤，對煤種有較寬的適用范圍。
第二節(jié) 煤的液化
煤的液化是指經(jīng)過一定的加工工藝，將固體煤炭轉(zhuǎn)變成液體燃料或原料的過程。
一、煤炭液化的意義
1.煤的液化用于生產(chǎn)石油的代用品，可以緩解石油資源緊張的局面。從全世界能源消耗組成看，可燃礦物（煤、石油、天燃?xì)猓┱?2%左右，其中石油44%，煤30%，天燃?xì)?8%。
2.通過液化，將難處理的固體燃料轉(zhuǎn)變成便于運輸、貯存的液體燃料，減少了煤中含硫、氮化物和粉塵、煤灰渣對環(huán)境的污染。
3.煤的液化還可用于制取碳素材料、電極材料、碳素纖維、針狀焦，還可制取有機(jī)化工產(chǎn)品等，以煤化工代替部分石油化工，擴(kuò)大煤的綜合利用范圍。
二、煤炭液化的方法及對煤質(zhì)的要求
（一）煤炭液化的方法：
1，煤的直接加氫液化法，如高壓加氫法、溶劑精煉煤法、水煤漿生產(chǎn)法等；
2，煤的間接液化法，即水煤氣合成法；
3，煤的部分液化法，即低溫干餾法。
（二）煤直接加氫液化法及對煤質(zhì)的要求
1.定義：煤直接加氫液化是在高溫、高壓、氫氣（或CO+H2，CO+H2O等）、催化劑和溶劑的作用下進(jìn)行裂解、加氫等反應(yīng)，將煤直接轉(zhuǎn)化成分子量較小的燃料油和化工原料的加工過程。
2.條件：煤加氫液化一般在180℃～450℃加壓下分段進(jìn)行。
氫的來源可以是氫氣或能提供氫原子的溶劑（稱為供氫溶劑）。
催化劑：鈷、釕、鈀、鉑、銠等過渡金屬配合物。
載在多孔氧化鋁表面上用硫化物處理過的鉬酸鈷。
3.煤質(zhì)要求：
高揮發(fā)分煙煤和褐煤 wdaf (C)=68%～85%、wdaf (H)=≥4.5%、Ad<6%的煤。C/H的質(zhì)量比不大于16。
（三）煤的間接液化及對煤質(zhì)的要求
1.定義：煤的間接液化法是將煤氣化得到原料氣（即水煤氣CO+H2），并在一定條件下（溫度、壓力）經(jīng)催化合成得合成石油及其它化學(xué)產(chǎn)品的加工過程，又稱一氧化碳加氫法。又稱F-T法（即弗-托法）。
2.煤質(zhì)要求：CO+H2的含量愈高，合成反應(yīng)速度愈快，合成油產(chǎn)率愈高。
一般采用弱黏結(jié)或不黏結(jié)性煤進(jìn)行氣化。對煤質(zhì)的具體要求同移動床加壓氣化法。
（四）煤的部分液化及對煤質(zhì)的要求
1.定義：低溫干餾是指煤在較低溫度下（500～600℃）隔絕空氣加熱，使煤的部分大分子裂解為石油產(chǎn)品（輕油、焦油等）、半焦、化工產(chǎn)品、干餾煤氣等的過程。煤的部分液化法即煤的低溫干餾法。
2.對煤質(zhì)的要求：
低溫干餾的原料煤應(yīng)是不黏結(jié)煤或弱黏結(jié)煤、含 油率高的褐煤和高揮發(fā)分煙煤。
具體指標(biāo)如下：Tar,ad>7%；Ad<10%；St,d<3%；抗碎強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好，弱黏或不黏結(jié)。
第三節(jié) 煤的燃燒
煤的燃燒是指煤中的可燃有機(jī)質(zhì)，在一定溫度下與空氣中的氧發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放出光和熱，并轉(zhuǎn)化為不可燃的煙氣和灰渣的過程。
一、煤的燃燒過程
1.加熱和干燥，依靠熱源將煤粒加熱到100℃以上，煤中的水分逐漸蒸發(fā)；
2.析出揮發(fā)分和形成殘焦（焦渣）；
3.揮發(fā)物和殘焦的著火燃燒；
4.灰渣的生成。
二、煤燃燒的基本化學(xué)反應(yīng)
1.碳的燃燒反應(yīng)
完全燃燒時：C﹢O2→CO2﹢409KJ/mol
不完全燃燒時：C﹢1/2O2→CO﹢123 KJ/mol
2.CO的燃燒反應(yīng)
CO﹢1/2O2→CO2﹢283KJ/mol
3.氫的燃燒反應(yīng)
H2﹢1/2O2→H2O﹢242KJ/mol（汽）
H2﹢1/2O2→H2O﹢286KJ/mol（液）
4.硫的燃燒反應(yīng)
S﹢O2→SO2﹢296KJ/mol
三、煤炭完全燃燒的條件
1.必須維持煤料的溫度在著火溫度以上；
2.煤料和適量的空氣充分接觸；
3.及時而且妥善地排出燃燒產(chǎn)物；
4.必須提供燃燒必需的足夠空間和時間。
第四節(jié) 石煤和煤矸石的利用
一、石煤
石煤是一種劣質(zhì)腐泥無煙煤。它是由古生代大量繁殖的低等生物（藻類、菌類和浮游生物）的遺骸經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用，轉(zhuǎn)變成的一種固體可燃有機(jī)巖。
（一）石煤的性質(zhì)
石煤外觀象石頭，顏色灰黑近灰，光澤暗淡，結(jié)構(gòu)均一，斷口由貝殼狀、階梯狀到參差狀不等；石煤的硬度大、密度大，燃點高，無煙。石煤中含有大量非金屬礦物雜質(zhì)，碳質(zhì)碎片呈浸染狀均勻分布于雜質(zhì)中。
石煤的灰分高達(dá)70%～80%，含硫量在2%～4%，含碳量在12%左右，發(fā)熱量在3.2～32.2MJ/kg，絕大多數(shù)熱值低于5.0MJ/kg。在石煤的灰分中，SlO2含量最高，其次是Al2O3、Fe2O3等。
絕大多數(shù)石煤的煤灰熔融性都在1200℃以上。
（二）石煤的主要利用途徑
1.石煤提釩
在我國石煤資源中，V2O5品位多在0.3%～1.0%釩的熔點高，可塑性好，釩也是超導(dǎo)材料的原料。
2.石煤發(fā)電
石煤是低熱值燃料，可用于發(fā)電。在煙煤中摻入大約10%的石煤，這樣可以節(jié)約部分煙煤，降低發(fā)電成本。
3.應(yīng)用于建筑行業(yè)
在水泥的生產(chǎn)過程中，石煤既是燃料又是原料。燃燒后產(chǎn)生的灰分直接轉(zhuǎn)移到水泥熟料中，可以減少水泥生料中黏土的配入量。
二、煤矸石
煤矸石是在采煤過程中與煤一起排出的一種混雜巖體。它包括開采矸石、洗選矸石、半煤巖巷及巖巷掘進(jìn)中排出的煤和巖石。
（一）煤矸石的組成和性質(zhì)
煤矸石的化學(xué)組成：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O
煤矸石：
發(fā)熱量低（4.2～12.6MJ/kg），碳含量低（20%～30%），有機(jī)質(zhì)含量低硬度大， 礦物含量高。
（二）煤矸石的利用途徑
1.熱值利用
煤矸石因含碳，具有一定熱值，尤其是選煤矸石發(fā)熱量一般在6270kJ/㎏以上，把它加工成粒徑﹤13mm，水分﹤10%的煤矸石，可作為發(fā)電廠流化床鍋爐的燃料。
2.礦物成分的利用
以煤矸石、矸石沸騰爐灰及高灰煤泥為原料或填料生產(chǎn)矸石磚、砌磚、水泥等技術(shù)已工業(yè)化，正開發(fā)煤矸石生產(chǎn)輕質(zhì)、高強(qiáng)及具有特殊性能的新型建筑材料技術(shù)。
3.煤矸石作為充填材料及用作筑路基材
作為井下充填材料：掘進(jìn)和維修巷道的矸石以及選煤矸石，可作為井下充填材料。
作為筑路建材：煤矸石作為修筑公路、鐵路路基。
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