高碳資源的低碳化利用技術(shù)課件：煤炭資源及開采與利用

高碳資源的低碳化利用技術(shù)煤炭資源及開采與利用小引中國/世界煤質(zhì)活性炭占活性炭總量的2/3–煤基活性炭是關(guān)注的重點中國傳統(tǒng)的煤基活性炭生產(chǎn)基地大同:低階煤-長焰煤 (908廠-“一五”期間蘇聯(lián)援建156項目之一)寧夏:高階煤–太西無煙煤煤基活性炭生產(chǎn)基地西移內(nèi)蒙:低階煤–褐煤新疆:低階煤–長焰煤,高堿！

問題是不是所有的煤都能生產(chǎn)活性炭生產(chǎn)活性炭的原料怎么選eg

908廠選原料煤活性炭組成性質(zhì)與原料煤的關(guān)系小引煤化學－研究煤的成因、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分類和反應及其相互關(guān)系，并

闡明煤作為燃料和原料利用中有關(guān)化學問題的科學煤利用/轉(zhuǎn)化的前提條件－組成、尺度、性質(zhì)符合技術(shù)要求，且穩(wěn)定化

實現(xiàn)方法：選煤coalpreparation/coalbeneficiation煤加工轉(zhuǎn)化技術(shù)的多樣性：熱解;氣化;液化;炭素制品…合理煤炭轉(zhuǎn)化工藝的確定/適宜原料煤的選擇

以煤的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)為依據(jù)概要簡明煤化學

煤的生成、組成、性質(zhì)、分類煤炭洗選技術(shù)概說

概念、原理、流程煤的生成

煤炭的類型

不同的植物含有不同的組成成分

低等植物主要由蛋白質(zhì)和碳水化合物組成，脂肪含量較高

高等植物則主要由纖維、半纖維和木質(zhì)素組成

由不同植物變化而來的煤具有不同的組成和特征

在煤的加工利用過程中，將表現(xiàn)出不同的工藝性質(zhì)簡明煤化學成煤的主要物質(zhì)－植物煤是由植物遺體經(jīng)過生物化學作用和物理化學作用演變而成的沉積礦物植物的種類

低等植物：包括菌類和藻類，是由單細胞和多細胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，

沒有根、莖、葉等器官的分化，多數(shù)為水生植物

高等植物：包括苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物。高等植物由低等植物長期

進化而來，構(gòu)造復雜，有根、莖、葉的區(qū)別，陸生植物煤和地球一起生成的；

煤由巖石轉(zhuǎn)變而來的；

煤由植物生成的；

……煤：遠古死亡植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學作用后，再經(jīng)地層覆蓋并經(jīng)過地質(zhì)化學作用所形成的可燃有機生物巖腐植煤由高等植物經(jīng)過成煤過程中復雜的生化和地質(zhì)變化作用生成

腐植煤按煤化程度的不同，區(qū)分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤

自然界中分布最廣，蘊藏量最大；煤化學的主要研究對象腐泥煤主要由湖沼或淺水海灣中藻類等低等植物形成大多呈透鏡狀或薄層夾在腐植煤中，有時也能形成單獨的可采煤層；儲量大大低于

腐植煤，工業(yè)意義不大殘植煤由高等植物殘骸中對生物化學作用最穩(wěn)定的組分(孢子、角質(zhì)層、樹皮、樹脂)富集而成

殘植煤在自然界中的儲量很少，常呈薄層或透鏡體夾在腐植煤中腐植腐泥煤

高等植物、低等植物共同形成的煤

無機礦物含量超過40％的可燃生物巖，一般稱為可燃頁巖

具有腐植本性的有機質(zhì)頁巖，稱為炭質(zhì)頁巖

具有腐泥本性的有機質(zhì)頁巖，稱為油母頁巖煤炭生成的條件

煤炭的生成必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的有利配合：大量植物的持續(xù)繁殖(生物、氣候的影響)植物遺體不能完全氧化－適合的堆積場所(地理條件)地質(zhì)作用的配合植物遺體的堆積適宜的堆積環(huán)境－沼澤

由于沼澤所具有的氣候、地貌和水文條件，

沼澤內(nèi)有大量植物生長；

植物死亡后遺體被沼澤水覆蓋，與氧呈半

隔絕狀態(tài)，植物遺體不會完全氧化分解地質(zhì)作用的配合

約在3億年前地球陸地上開始出現(xiàn)植物，在隨后

的地質(zhì)年代里，基本具備大量植物繁殖的氣候和生物

條件，不斷出現(xiàn)新的植物種類

但僅在某些地質(zhì)年代才發(fā)現(xiàn)具有大規(guī)模煤炭的生成，主要有

古生代的石炭二疊紀

中生代的侏羅紀

新生代的第三紀地殼升降運動對煤形成的重大影響泥炭層的聚集－要求地殼發(fā)生緩慢的下降；下降速度最好與植物殘骸堆積的速度大致平衡泥炭層的保存和轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩樱蟮貧ぐl(fā)生較大幅度和較快的沉降地殼在總的下降過程中發(fā)生多次較小的升降或間歇性升降，以在同一地區(qū)形成較多的煤層煤炭的形成過程腐植煤的生成過程

腐植煤的生成過程可以分為

由植物殘骸轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵康哪嗵炕A段

泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)楹置骸熋骸o煙煤的煤化階段(成巖＋變質(zhì))腐泥煤的生成

在停滯缺氧環(huán)境中，浮游生物和菌類死后由于厭氧細菌的作用，蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪受到分解，再經(jīng)聚合和縮合作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質(zhì)

這種物質(zhì)再經(jīng)過脫水、致密，比重增大，逐漸形成腐泥－腐泥化作用溫度、壓力、時間的作用

地質(zhì)作用原始植物及質(zhì)變產(chǎn)物成

煤

作

用泥炭化作用或腐泥化作用植物

高等植物低等植物

泥炭腐泥煤化作用成巖作用褐煤腐泥煤變質(zhì)作用

長焰煤氣煤

煙煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤

煤的化學組成成煤物質(zhì)、條件與過程等方面的不同，使得煤的組成與性質(zhì)千差萬別

為了正確評價煤質(zhì)、充分合理利用煤炭資源，必須了解煤炭的組成和性質(zhì)煤的化學組成可分為有機和無機兩部分

有機組成主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的復雜高分子化合物

無機質(zhì)主要是礦物質(zhì)和水

煤化學組成最基本的了解手段：工業(yè)分析、元素分析煤的工業(yè)分析

測定煤的水分、灰分、揮發(fā)分，計算出固定碳含量；通常還包括硫分和發(fā)熱量的測定

煤的水分

來源：成煤過程中，環(huán)境中的水隨著成煤過程進入水中；煤層形成后，地下水進入煤層

的裂隙、孔隙中；開采、洗選、運輸過程中進入煤中的水水的存在形式：外在水分(Mf

)、內(nèi)在水分(Minh)、結(jié)晶水(結(jié)構(gòu)水)

分析煤樣水分的測定稱取一定量的分析煤樣，在105－110℃下干燥至恒重，煤樣減少的重量占原煤

樣的百分數(shù)即為分析煤樣水分煤的組成煤中的礦物質(zhì)和煤的灰分

煤中的礦物質(zhì)：煤中礦物質(zhì)是煤中除水以外所有無機質(zhì)的總稱

煤的灰分：煤樣在規(guī)定條件下完全燃燒后所得的殘余物煤的灰分的測定：稱取一定量的分析煤樣，置于馬弗爐內(nèi)，在815±15℃的溫度下燒至

恒重。根據(jù)灼燒后殘渣的質(zhì)量，計算出分析煤樣的灰分(Aad)煤的揮發(fā)分和固定碳

揮發(fā)分：煤在規(guī)定條件下隔絕空氣加熱，并在水分校正后的質(zhì)量損失

煤的揮發(fā)分不是煤中的固有物質(zhì)，而是在特定條件下煤受熱分解“揮發(fā)”出的物質(zhì)，

其數(shù)量受熱解條件的限制

揮發(fā)分的測定：將1g分析煤樣裝入帶蓋的坩堝中放入馬弗爐，在隔絕空氣的條件、

900±10℃下加熱7min，煤樣失重占煤樣重量的百分數(shù)減去分析基煤

樣水分，即為分析煤樣揮發(fā)分，Vad

煤的固定碳(fixedcarbon，F(xiàn)C)的計算：煤中的固定碳是指從煤中扣除水分、灰分和揮

發(fā)分后的殘留物，i.e.對分析煤樣：FCad

＝100－Mad－Aad

－Vad

在干燥無灰基下

：FCdaf＝100－Vdaf

煤的元素分析

煤元素分析：是指確定構(gòu)成煤有機質(zhì)主要元素(C、H、O、N、S)在煤有機質(zhì)中的含量

測定煤炭元素組成的目的和意義

了解煤中有機質(zhì)的組成和性質(zhì)，研究煤質(zhì)，指導煤炭加工利用；

用于煤炭分類；

工藝、設備設計的計算依據(jù)：燃燒、氣化、發(fā)熱量計算測定：煤由有機質(zhì)和無機質(zhì)構(gòu)成。對分析煤樣，有下式存在

Mad+Aad+St,ad+Cad+Had+Oad+Nad

=100%

分別測定Mad

、Aad

、St,ad

、Cad

、Had

和Nad，然后用差值法計算出Oad

元素測定結(jié)果的換算分析煤樣的碳、氫、氧、氮含量，不能直接表征煤有機質(zhì)特性，需要換算成以有機質(zhì)或可燃質(zhì)為基準的含量煤中的硫

煤中的硫，種類多、來源雜、在煤中的分布復雜、性質(zhì)各異，是煤中主要有害元素之一，對煤的加工和利用、尤其對環(huán)境有很大的影響煤中硫的危害：

煉焦時煤中70％的硫進入焦炭,影響到高爐性能、能耗、鋼鐵質(zhì)量;

燃燒時煤中硫形成SOx，腐蝕設備、污染環(huán)境；

氣化時形成H2S，腐蝕設備，使催化劑中毒；

煤中的黃鐵礦硫的存在，使煤氧化、自燃煤中硫的形態(tài)元素硫(微量)

(elementalsulfur)全硫St

有機硫So

(totalsulfur)(organicsulfur)可燃硫無機硫硫化物硫Sp

(inorganicsulfur)(sulphidesulfur)

硫酸鹽硫Ss

(sulfatesulfur)Non-SMineralsSsSoSpMfMinhCHON收到基ar空氣干燥基ad干燥基

d干燥無灰基daf干燥無礦物基dmmf灰分，A可燃質(zhì)礦物質(zhì)有機質(zhì)全硫，St煤的組成及煤質(zhì)指標換算基準煤的發(fā)熱量發(fā)熱量：單位質(zhì)量的煤完全燃燒時所產(chǎn)生的全部熱量

單位：SI制：J/g(kJ/kg,MJ/kg)

英制單位：Btu/lb(Britishthermalunit)

慣用單位：cal/g,kcal/kg，MJ/kg

1kcal/kg≈1.8Btu/g≈4.18J/g

用途：評價煤質(zhì)、煤炭計價的重要指標；

根據(jù)發(fā)熱量計算熱平衡、煤耗量、熱效率；

鍋爐設計：估算理論空氣量、煙氣量、可達到的理論燃燒溫度

煤炭分類指標

發(fā)熱量的測定：

氧彈法煤的分子結(jié)構(gòu)煤分子結(jié)構(gòu)的研究是煤化學的中心環(huán)節(jié)；

煤結(jié)構(gòu)及其受熱過程的變化是煤化學轉(zhuǎn)化（尤其是煉焦）的基礎

煤組成

復雜性、多樣性和不均一性

難于分離成簡單的物質(zhì)進行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究分析

目前煤結(jié)構(gòu)的研究方法

物理研究法如紅外光譜、核磁共振波譜、射線衍射、顯微分光光度法

掃描電鏡和各種物理性質(zhì)研究以及利用物理常數(shù)進行統(tǒng)計結(jié)構(gòu)分析

物理化學方法如溶劑抽提和吸附性能研究等

化學研究方法如氧化、加氫、鹵化、水解、熱解和官能團分析等方法

根據(jù)各種分析表征結(jié)果，提出煤的分子結(jié)構(gòu)模型

化學結(jié)構(gòu)模型和物理結(jié)構(gòu)模型；煤基本結(jié)構(gòu)單元采用煤的鏡質(zhì)組作為研究結(jié)構(gòu)的對象

煤顯微組分中多以鏡質(zhì)組分為主，它在成煤過程中變化比較均勻、礦物質(zhì)含量低煤的基本結(jié)構(gòu)單元

煤是以有機體為主、并具有不同的分子量及不同化學結(jié)構(gòu)的一組“相似化合物”的混合物

基本結(jié)構(gòu)單元包括規(guī)則部分和不規(guī)則部分

規(guī)則部分結(jié)構(gòu)單元的核心部分，由幾個或十幾個苯環(huán)、脂環(huán)、氧化芳香

環(huán)及雜環(huán)（含氮、氧、硫）組成

不規(guī)則部分在苯核的周圍連接著各種含氧基團和烷基側(cè)鏈

隨著煤的煤化程度的提高，苯核逐漸增多，而不規(guī)則部分則逐漸減少不同變質(zhì)程度煤的結(jié)構(gòu)單元(或部分)模型煤的物理性質(zhì)密度真密度、視密度、堆密度孔隙率機械性質(zhì)硬度、脆性、可磨性、抗碎強度、彈性、塑性煤的透光率煤的電性質(zhì)與磁性質(zhì)：導電性、介電常數(shù)、抗磁性磁化率…煤的熱性質(zhì)：比熱，導熱性，熱穩(wěn)定性煤的物理化學性質(zhì)潤濕性煤的性質(zhì)煤的物理及物理化學性質(zhì)，與煤炭加工、轉(zhuǎn)化方法和工藝緊密相關(guān)煤的化學性質(zhì)煤的化學性質(zhì)指煤與其它化學試劑在不同條件下反應的能力

常見的反應試劑：氧，氫，鹵素，硫酸，水，…

用化學反應的方法研究煤，可以：

獲取煤的化學結(jié)構(gòu)的信息

指導煤炭的轉(zhuǎn)化和加工煤炭氧化

煤炭的氧化，是煤與氧相互反應的過程

常用的氧化劑：O2，KMnO4，Na2Cr2O7，O3，H2O2，HNO3

煤炭氧化的意義：釋放能量，制取化工產(chǎn)品(苯羧酸、草酸)煤炭加氫煤液化的基礎煤炭磺化反應制取化學品（用作離子交換劑等）煤的工藝性質(zhì)煤不僅是重要的能源(燃料)，還是冶金、化工行業(yè)的重要原料

煤的工藝性質(zhì)指煤在一定的加工條件下，其轉(zhuǎn)化過程或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物所呈現(xiàn)出的性質(zhì)

由于成煤物質(zhì)、條件的不同，原煤本身在組成(煤巖組成、化學組成、元素組成等)、特性(物理、化學、物理化學等)上也呈現(xiàn)出復雜性、多樣性；進而在煤的加工、利用中表現(xiàn)出很大的差異

為了正確評價煤質(zhì)，合理利用煤炭資源、滿足各種工藝對煤質(zhì)量的要求，必須研究、掌握煤的工藝性質(zhì)

煤的工藝性質(zhì)

煤加工－粒度組成、密度組成、可選性(重選、浮選、特種選)

煤作為燃料－發(fā)熱量、燃點、機械強度、熱穩(wěn)定性、灰熔融性、結(jié)渣性、

可磨性、反應性，…