（有色金属冶金专业论文）褐煤与生物质两步法热解探索性试验研究.pdf

曼塑型三查堂堡圭兰竺堡兰 一! 里生 摘要 本文对煤与生物质的资源现状，应用趋势进行综述的前提下，结合前人做过 的许多研究，认为昭通褐煤在生物质热解气气氛下进行热解是一条值得探索的途 径。 在固定床中进行了云南昭通褐煤的热解研究，研究了加热速率、加热终温、 停留时间对昭通褐煤热解的影响。得出加热速率越大褐煤的热解效果越好，加热 终温越高褐煤的热解效果越好，而停留时间则是越短越好。经过大量的实验得出， 最佳的加热速率大约为3 0 。c r a i n ，同时在此加热速率下，最佳的加热终温为5 5 0 ，而停留时问大约为1 小时；并得出褐煤的热解大约分为四个阶段及每个阶段 大致的温度范围，以及褐煤热解气体成分变化趋势。 同时在固定床中进行了生物质的热解研究，研究了加热速率、加热终温、停 留时间对生物质热解的影响，得到生物质的热解分为四个阶段及每个阶段的大致 温度范围，以及每个热解因素对生物质热解气的影响。 通过对褐煤与生物质简单物理混和在固定床中进行热解，对热解产品进行分 析，得出由于生物质与昭通褐煤的热解温度范围不一样，在一个固定床热解炉中 进行热解时生物质的热解不会对昭通褐煤的热解起到促进作用。 褐煤与生物质两步法热解，分三种情况进行了分析比较，得到如果褐煤的热解 滞后予生物质的热解，即昭通褐煤的热解是在生物质开始热解后在其产生的热解 气氛中进行熟解的t 这时昭通褐煤的热解效果会更好一点。说明这时生物质的热 解气对昭通褐煤的热解起到了促进作用。也说明生物质热解气有可望取代昂贵的 纯氢进行煤的加氢热解。 关键词褐煤生物质热解加氢热解 垦塑型三查堂堡主堂篁堡苎i ! 墨 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e d t h eg e n e r a ls i t u a t i o no fd e v e l o p m e n ta n d a p p l i a n c e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa b o u tz h a o t o n g sb r o w c o a la n db i o m a s s ，a n d c o m b i n i n gt h em a n ys c i e n t i f i cr e s e a r c ha b o u to t h e rr e s e a r c h e r ，p u tf o r w a r dt h a t i ti s o n e g r o p i n ga p p r o a c h t o a p p l yb i o m a s s p y r o l y s i s i n t h e l i g n i t e s o f z h a o t o n g s p y r o l y s i s t h ea u t h e rs t u d i e dt h ez h a o t o n g sb r o w nc o a l p y r o l y s i si nt h ef i x e d - b e df u r n a c e f o rp y r o l y s i s ，m a n yf a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h ep y r o l y t i cr e s u l t sw e r ea n a l y z e d ，s u c h a st h er e a to ft h eh e a t ，p y r o l y s i st e m p e r a t u r e ，p y r o l y s i st i m e a n dw ec a nk n o wt h e d i f f e r e n c eo fp r o m i n e n c ea b o u te f f e c t so ff a c t o r sw e r ef o u n db y a n a l y s i s f o re x a m p l e i ft h e r ei sb i g g e ro ft h er a t eo fh e a t ，a n dt h e r ei st h eb e t t e rt h ee f f e c to f p y r o l y s i sf o r l i g n i t e s t h eh i g he n dt e m p e r a t u r ea n dl i t t l ep y r o l y s i st i m ei s b e t t e r a f t e rm a n y e x p e r i m e n t ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h eb e s tv o l t a g ei s2 2 0 v t h eb e s tr a t eo f h e a ti s2 0 m i n t h ep y r o l y s i st i m ei s6 0 r a i na n dt h ee n dt e m p e r a t u r ei s5 5 0 ( 2 i fw es e l e c t d i f f e r e n t v o l t a g e ，, t h a t t h ee n d t e m p e r a t u r e a n d p y r o l y s i s t i m ew i l l c h a n g e w e c o n c l u d et h a tt h e r ei sf o u rs t a g e si nt h ec o u r s eo fc o a l sp y r o l y s i s w ed os o m ee x p e r i m e n t sa b o u tb i o m a s sp y r o l y s i si nt h es a m ef u r n a c ea n ds t u d y t h ee f f e c to ft h ee n dt e m p e r a t u r e ，t h ep y r o l y s i st i m e ，t h er a t eo fh e a tf o rb i o m a s s t h e s a m ec o n c l u d ef o rb i o m a s st h e r ei sf o u r s t a g e si nt h ec o u r s eo f b i o m a s s sp y r o l y s i s b ys t u d yt h ep h y s i c a lm i x t u r eo fz h a o t o n g sb r o wc o a la n db i o m a s s sp y r o l y s i si n f i x e d b e d ，w ek n o wt h a tt h eb i o m a s s sp y r o l y s i sc a n ta f f e c ta n da c c e l e r a t ez h a o t o n g s b r o w nc o a l b e c a u s et h et e m p e r a t u r eo fb i o m a s sa n d c o a l p y r o l y s i si sd i f f e r e n t 。 i fw e p y r o l y s i sb r o w n c o a la n db i o m a s si nf u r n a c ei nd i f f e r e n t t i m e ，w ea n a l y s i s t h e r ec o n d i t i o n s w ec a nf i n dt h ee f f e c to fc o a l s p y r o l y s i si s b e t t e ri fw eb r o w n c o a l s p y r o l y s i sc o m ei nt h ea t m o s p h e r eo fb i o m a s s p y r o l y s i s t h i si n d i c a t et h a tt h e b i o m a s s sp y r o l y s i sa c c e l e r a t ec o a l s p y r o l y s i s w eh o p et h a tt h eg a so fb i o m a s s s p y r o l y s i sc a nr e p l a c et h ee x p e n s i v ep u r eh y d r o g e n k e y w o r d s ：b r o w nc o a lb i o m a s s p y r o l y s i s h y d r o p y r o l y s i s i i y 6 6 8 9 6 8 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：马林款 日期：竹厶年6 月工。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 导师签名：缯叠论文作者签名：堡避 日期：塑塾生旦兰! 旦 垦塑型三查兰堡主笙塞篁二兰! ! 鱼 第一章绪论 1 1 煤资源的特点 煤炭是世界上主要的化石燃料，我国有丰富的煤炭资源，如表1 i 所示，1 9 9 9 年可探明储量占世界的1 1 6 ，居世界第三位。我国又是产煤大国，我国的产煤量 从1 9 9 5 年已跃属世界第一位。我国还是用煤大国，煤炭在能源消费中占7 5 左右。 2 】【3 1 能源是经济发展的基础和关键，所以世界能源形势影响着各国政治经济动 向。二次大战之后石油消耗剧增。1 9 7 3 年石油涨价之后，人们开始注意到，石油 储量少，而煤炭能够用几百年。因此，近十多年来世界有关煤转化利用技术的研 究与开发有了很大发展。中国煤炭转化利用技术比较落后，大量煤炭直接燃烧， 利用效率低，城市污染十分严重。面对新世纪的能源新状况和生态环境，保持国 民经济持续、快速、健康地发展，合理、有效、洁净利用煤炭，就具有特别重大 的现实意义。 表1 11 9 9 9 年世界主要化石燃料的地理分布4 1 1 5 l 1 9 9 9 年前3 个国1 9 9 9 年前5 个国家 化右燃1 9 9 9 年储量的区域分布f 主要生产国及 家的储量在总储的储量在总储量中 料其储量在总储量中所占比例) ( ) 量中所占比例( )所占比例( ) 沙特阿拉伯2 4 8 ，伊拉克1 0 7 ，阿联酋 石油 4 4 86 2 5 9 3 ，科威特9 2 ，伊朗8 5 俄罗斯3 2 9 ，伊朗1 5 7 ，卡塔尔5 8 ， 天然气5 4 46 2 5 阿联酋4 1 ，沙特阿拉伯4 0 美国2 5 1 ，俄罗斯1 5 9 ，中国1 1 6 ，印 煤5 2 66 7 度7 6 ，德国6 8 1 2 世界褐煤资源 据国际地质学家预测：全世界硬煤( 包括烟煤和无烟煤) 地质储量约为6 万 亿t ，占煤炭总储量的6 0 还多；褐煤地质储量约有4 万亿t ，占煤炭储量的将近 4 0 。到目前为止，已探明的硬煤可采储量5 2 0 0 亿t ，褐煤及次烟煤5 l o o 亿t 。 褐煤资源又分为硬褐煤和软褐煤( 俗称土状褐煤) 两大类，其中硬褐煤主要 垦塑型三= ；苎兰堡圭堡壅 墨二兰! ! 垒 分布在欧洲地区，其次为亚洲和北美洲。美国、俄罗斯和中国三国硬褐煤储量最 多，分别为9 0 0 多亿t 、8 0 0 余亿t 和4 0 0 亿t 以上。俄罗斯的软褐煤储量最多，约 占世界软褐煤储量的3 0 左右；其次为德国，约占2 0 以上：澳大利亚和美国的 软褐煤约占世界的l o 左右；前南斯拉夫和波兰约各占5 左右。中国的软褐煤主 要赋存在云南省的晚第三纪地层牛，其中昭通煤田的储量最大，达8 0 亿t 以上。 表1 2 给出了到2 0 0 0 年各主要产煤国的褐煤可采储量。 表1 2 到2 0 0 0 年各主要产煤国的褐煤可采储量( 1 0 6 t ) 【6 国别前苏联德国澳大利亚美国印尼中国波兰台计 l 可采储 1 0 0 0 0 05 6 15 04 1 9 0 03 1 9 6 32 4 0 4 71 8 6 0 01 0 6 0 02 8 4 2 6 0 0 量 i 占世界 3 0 4 61 7 1 01 2 7 69 7 47 3 35 6 73 5 38 6 5 9 |储量 1 3 中国褐煤资源 中国褐煤资源主要分布在内蒙古自治区东部和西南部的云南省境内。这些省 区硬煤资源相对较少，褐煤在当地能源和经济发展中起着举足轻重的作用。因此 褐煤的合理和有效利用问题显得日益重要和突出。中国现已探明的储量达1 3 0 3 亿 t ，占全国煤炭储量的约1 3 。从中国褐煤形成时代看，以中生界侏罗纪褐煤储量 的比例最多，约占全国褐煤储量的4 1 5 ，主要分布在内蒙古东部与东北三省紧密相 连的东三盟地区。新生代第三纪褐煤资源约占全国褐煤储量的1 5 左右，主要赋存 在云南省境内。表1 3 列出了中国各大区褐煤储量分布。 表1 3 中国各大区褐煤储量分布【6 】 区名称华北东北 华东中南西南西北 占全国褐煤储量( )7 7 84 71 3 2 0i 2 5i 7 占本区煤炭总储量( )1 6 21 9 52 67 6 1 5 _ 32 9 云南省是我国的第- - 大褐煤产地，其主要特点是煤化度比内蒙古褐煤抵，且 成煤时代也与内蒙古的不同，均为第三纪褐煤，其中尤以晚第三纪褐煤为主，煤 层埋藏浅，多适于露天开采，同时矿点以分散的较多，仅昭通煤田储量较大，其 次为小龙潭和蒙自两煤田，储量分别在8 0 亿t 和l o 亿t 以上。小龙潭煤田的煤层 厚度最大可达1 1 7 m 以上。昭通煤田位于云南省东北部的昭通市境内，市区位于煤 星塑型三查兰堡主笙壅 笙二童! ! 鱼 田中部。昭通煤田为不规则的椭圆形含煤盆地，南北长约1 5 k m ，东西宽1 3 k m ， 含煤面积1 4 2 k m 2 。煤田内含煤地层为新生代晚第三纪昭通统( 组) ，共含煤3 层。 煤田内第四纪表土层厚在1 0 m 左右，适于露天开采，剥采比小于2 ，煤层倾角一 般小于1 0 0 ，顶、底板由粘土、砂质粘土、粘土质粉砂岩及炭质粘土等组成。该煤 田内水资源丰富，可供昭通市区生活用水和部分工业用水水源。昭通褐煤属土状 褐煤，水分大，灰分高，适于坑口电站使用。 1 4 煤炭在能源中的地位 煤炭在能源利用中有举足轻重的地位。图1 1 表示出了1 9 9 8 年世界一次能源 消费的构成。随着人民经济的发展，人类对能源的需求不断增长，同时随着科学 技术的进步和主要能源的日益消耗，煤炭再次逐渐受到了重视，而且因为人们总 是优先开发最适于利用和成本最低的能源，而其次才考虑它们天然储藏的数量。 因此世界煤炭产量快速增长，如表1 5 所示，1 9 9 6 年世界煤炭产量是1 9 5 0 年的4 1 4 倍。尤其是石油不乐观的时期，煤炭产量迅速增长，如1 9 9 0 年世界煤炭产量是1 9 7 0 年的1 6 1 倍。目前乃至将来世界能源需求中煤炭仍占有相当大的比例，国家计委 能源研究所曾对2 0 0 0 2 0 1 0 年的能源需求进行预测并且推荐了两种方案( 常规方 案是以现有的技术经济水平外推的能源需求预测，而综合方案则强化节能，较大 幅度提高能源利用效率，且特别是为了保护环境，减少温室气体的排放，较多地 利用了优质能源，改善和优化终端能源消费结构) 的对比，见表1 6 所示： 再生能源( 3 ) 图1 1 1 9 9 8 年世界一次畿源消费的构成7 1 垦塑堡三查兰堡主丝壅一塑二重堕鱼 表1 51 9 5 0 ，1 9 9 6 年世界煤炭产量变化，m t i 5 1 年份 褐煤 硬煤 总计 1 9 5 0 3 8 1 4 1 4 3 6 8 1 1 1 8 2 1 9 7 0 7 9 4 0 2 1 3 5 9 2 9 2 9 9 1 9 9 0 1 1 5 8 23 5 5 8 5 4 7 1 6 7 1 9 9 69 2 4 9 3 7 0 5 1 4 6 3 0 0 半个世纪以来，世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势，7 0 年代起石油已在世 界能源消费中占第一位。但是世界煤炭消费总量仍趋上升趋势，世界各国的能源 和电力消费也是逐年增长，尤其近年来亚洲和太平洋地区国家对煤炭的需求增长 加速，反映亚洲经济起飞对能源有更大的需求。从图1 2 中可以清楚地看到世界煤 炭按地区的消费构成变化，1 9 8 8 年皿洲环太平洋地区煤炭的消费构成比例为3 4 ， 而在1 9 9 8 年亚洲环太平洋地区煤炭的消费构成比例就增长为4 7 ，有l 3 的增长 点。这种秋炭消费构成的变化说明了亚洲地区经济发展对煤炭的巨大需求。从表 1 8 中可以清楚地看到我国原煤的生产总量和原煤的消费总量虽然在一定程度上有 所降低，但是在整个能源消费仍占有很大的比例，而且整个能源消费总量是在不 断降低的。这些数字都表明了我国的经济发展对煤炭的巨大需求。 表1 62 0 0 5 年一次能源需求预测和国内生产量【9 1 f o r e c a s tt ot h er e q u i r e m e n to fp r i m a r ye n e r g yi n2 0 0 5a n dt h es t a t i s t i co fi n t e r n a l o u t b u t 送给情况 需求量生产量 藉、常规方案综合方案 一次能源总量( 亿t 标准煤) 1 6 3 6l5 9 41 5 3 2 其中：煤炭亿t 1 61 5 01 5 5 原油，亿t 2 22 3 5i 8 天然气，亿t4 5 05 2 0 4 0 0 一次电力，亿k w h 3 3 0 03 3 0 03 3 0 0 _ 煤炭占一次能源6 9 96 7 】 7 2 3 原油占一次能源， 1 9 32 1 11 6 8 天然气占一次能源， 3 64 4 3 3 一次电力占一次能源，7 27 47 7 星塑型三查兰堡主笙兰 一一一壁兰邑i 坠 图1 2 世界煤炭按地域的消费构成( 左1 9 8 8 年，右1 9 9 8 年) 【” 表1 8 中国主要年份一次能源产量、消费量及构成f j o 】 年份能源生占能源生产总量能源消占能源消费总量 产总量原煤原油天然水电费总量原煤原油天然才t 电 气气 1 9 6 02 9 6 3 79 5 62 50 51 43 0 1 8 89 3 9 4 1 40 4 51 5 4 1 9 6 51 8 8 2 48 8 08 60 82 61 8 9 0 18 6 4 51 0 2 7o 6 32 6 5 1 9 7 03 0 9 ，9 08 i 61 4 11 23 12 9 2 9 18 0 8 91 4 6 70 9 23 5 3 1 9 7 54 8 7 ，5 47 0 62 2 62 44 44 5 4 2 57 1 8 52 1 0 72 5 14 5 7 1 9 8 06 3 7 3 56 9 42 3 t 83 03 86 0 2 7 57 2 1 52 0 7 63 1 0 3 9 9 1 9 8 58 5 5 4 67 2 - 82 0 92 o4 37 6 6 ，8 27 5 8 1 ，1 7 1 02 2 44 8 5 1 9 9 01 0 3 9 2 27 4 21 9 02 04 89 8 7 0 37 6 2 0 1 6 6 02 1 05 1 0 1 9 9 51 2 9 0 3 47 5 31 6 61 96 ，21 3 1 1 1 7 67 4 6 0 1 7 5 01 8 06 1 0 1 9 9 61 3 2 6 1 67 5 21 7 02 05 81 3 8 8 1 l7 4 71 8 0 0l _ 8 0 5 5 0 l9 9 713 2 4 1 07 4 11 7 32 16 5 1 3 8 1 7 37 1 5 02 0 4 01 7 06 2 0 1 9 9 81 2 4 0 0 07 2 o1 8 52 47 1 1 3 6 0 0 07 1 6 01 9 8 0 2 1 0 。 6 5 0 1 5 燃煤造成的环境污染 影响生态平衡和人类生存的重大环境问题中，极为突出并带有全球性潜在威 胁的四大问题是：酸雨在加重和蔓延；全球气候变暖；光化学烟雾；大 垦矍堡三查兰堡主堡壅一兰= 兰 氅堕 气平流层的臭瓴慰遭受破坏。此外，本体污染和十壤污染也对生态平衡和人类生 存环境造成了严重影响。 酸雨是指p h 值低于5 6 的降水。正常的雨水p h 值约为6 ，这是出于大。c 中 c 0 2 溶于雨水造成的。酸雨的形成是一个复杂的大气化学和物理过程，与人们将燃 烧含硫的煤炭、冶炼余属硫化矿、燃烧油料等产生的废气中s 0 2 、n o x 排入大气 有关，这些气体往大气中吸收水分形成亚硫酸和硝酸，随蕊水一起降落到地面。 温窜效应：大气中吸收长波辐射的分予，大部分是多原予分孑，如c 0 2 、n 2 0 、 h 2 0 、c h 4 和氟化氢等，所以这些气体又称为温室e 体。洁净的大气都有一个恒定 的化学组成，所以能保持相对稳定的气温。但是 _ ：| 于化石燃料的燃烧景剧增、人 l j 数量激增、人类活动频繁，加之绿色面积急剧减少，致使辛要的温室，e 体c 0 2 存大气中含量不断增加。据估计，c 0 2 年增长率为o 5 ，c h 4 和n 2 0 的年增长率 分别为0 9 和o 2 5 ，这些温寒气体浓度的增加，导致地表气温上升，造成温室 效应加剧，全球气候变暖。温宝效应的加剧导致全球气候变暖，会对气候、生态 平衡及人类健康等许多方面带米严熏影响。 光化学烟雾：排入大气中的碳氢化合物( h c ) 和氮氧化物( n o 。) 等为一次污染 物。在太阳光紫外线的照射f ，次污染物可以发生化学反应，衍生j = i _ j 种种二次 污染物。这种由。次污染物和二次污染物的混合物( 气体和颗粒物) 所形成的污染性 烟雾，称为光化学烟雾。 臭氧层空洞：臭氧层对于地球上的生命极其重要。臭氧层能吸收太阳紫外线 辐射( 波长为2 2 0 3 3 0 n m ) ，起着隔离紫外线的作用，保护地球表面免受过量的紫外 线照射，并将能蕈贮存在卜_ 层大气，起着调节气候的作用。紫外线对生物具有破 坏作性，会严重阻碍各种农作物和树木的正鬻生长；强烈的紫外线也会阻碍各种 鱼虾和其它水生生物的正常生存，甚至造成某些生物灭绝；对人的皮肤、眼睛乃 至免疫系统都会造成伤害：过多的紫外线将皮肤癌的发病率大大增加。撅联合幽 环境规划署对臭氧消耗对环境影响的估计，认为臭氧每减少1 ，具有生理破坏力 的紫外线将增加1 3 ，因此臭氧的减少对动植物，尤其是人类生存的危害已是公 认的事实。 我国每年以燃烧方式消耗的煤炭约1 1 亿t ，占煤炭总消费量的8 4 左右，用 于发i u 的占3 4 ，用于炼焦和制气转化的煤炭用量仪占1 1 1 3 ，如表1 9 所示。 燃烧这种传统、筠单丽沿用至今的煤利用方式，存在着能源利用率低、环境污染 重的弊端。我国h 前工业锅炉平均热效率比发达国家低1 5 2 0 ，单位产值的能 耗高，与国际先进水平相比，全国每年要多消耗3 亿t 标准煤，同时也加重了燃煤 6 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 对环境的污染。 表1 9 中国煤炭消费m t i 1年份消费量发电供热炼焦制气加工 1 9 8 06 1 0 0 9 51 2 6 ，4 8 46 6 8 2 21 3 1 01 9 4 6 1 6 i 1 9 9 614 4 7 3 4 44 8 8 0 8 66 3 6 5 71 8 4 5 5 8 5 8 2 07 4 2 1 2 1 我国因燃煤而排入到大气的烟尘及s 0 2 分别占烟尘和s 0 2 总排入量的7 7 和 9 0 。s 0 2 排放量的增加，使全国酸雨面积不断扩大，已占国土总面积的2 9 ，受 污染和耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 ，每年由于s 0 2 污染造成的 经济损失上千亿元，对人类赖以生存的生态环境造成危害。 由于直接燃煤对环境造成的污染是非常严重的，所以我们一直要想办法怎样 才能够洁净、高效的利用煤炭资源。 1 6 煤的转化利用途径 石油和天然气不可能永不枯竭。目前，酸雨和烟雾已经要求改变电站设计。 随着时间的推移，煤转化将变得愈来愈要。到那时，世界上大部分工程建设都将 基于用煤类型工艺。这就是煤转化的推动力。在中国的能源构成中，现在和将来 都是以煤为主的，因此，煤的转化技术，是一个重大课题。在煤的转化技术中， 如气化、液化、干镏和直接燃烧有了很大发展。煤转化利用生产出多种有用产品， 满足人类生存需要，现在和将来都会有很大的经济效益。由于转化利用，避免直 接燃煤的原始利用方法，减少或防止环境污染，促进技术和人类文明的发展，有 巨大的社会效益。为此，需要大力开发煤化工利用的新技术，以便尽早使我国的 煤炭利用完成向新技术的转变。 1 6 。l 煤燃烧前的处理和净化技术 1 6 1 1 选煤技术 我国商品煤的质量较差，原煤入选率低，仅为2 0 7 左右，与先进国家相比， 原煤入选率差距甚大，美国原煤质量较好其入选率为5 5 ，前苏联为6 0 ，南非 为6 0 ，澳大利亚为7 5 ，德国为9 5 ，所有动力和发电用煤均经过洗选，因此 提高原煤的洗选比重，改善商品煤的总体质量，已成为我国发展洁净煤技术的当 务之急和煤炭工业的重大战略举措。 选煤是提高商品煤总体质量的关键，是煤炭优化利用的前提，是改善环境质量、 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 提高能源利用的基础，对于提高煤炭行业的整体效益、减轻铁路运输力也具有重 要的意义。常规的物理选煤是一种十分成熟的工艺，可以除去5 0 - 8 0 的灰分和 3 0 4 0 的硫分。我国国有重点煤矿选煤厂平均设计能力1 4 0 万t ，a ，原煤平均硫 分为o 7 7 ，炼焦精煤平均灰分为1 0 0 3 ，硫分为0 ，6 7 。洗选后商品煤排除矸 石量约5 0 0 0 万t a ，节省铁路运量3 0 0 亿t k m ，节约运费2 0 亿元。同时脱除 5 0 7 0 的黄铁矿硫，每年减少s 0 2 排放量2 3 0 万，而选煤脱硫费用仅为燃煤电 厂脱硫费用的十分之一【”l 。 现在我国各类选煤厂的建设和改造取得了较大的成就，有些工艺指标己达到 或接近世界先进水平。我国大中型选煤厂技术改造的主要内容已由过去单纯的注 重降灰转化为降灰与脱硫并举而且还回收洗矸石中的黄铁矿。分选技术取得了若 干身重要的成果。 1 6 1 2 型煤技术 在各种煤的转化技术中，投资小、见效快、适宜普遍推广的当属型煤技术， 它与直接燃烧原煤相比，可以减少烟尘5 0 8 0 ，减少s o 的排放4 0 6 0 ，燃 烧效率可以提高2 0 - 3 0 ，节煤率达t 5 具有节能和环境保护的双重效益孙。 1 9 9 6 年，我国民用型煤技术的年生产能力由1 9 8 1 年的8 0 0 万t 发展到5 0 0 0 万t ， 大、中型城市型煤普及率达到6 0 。我国民用型煤技术相当成熟，已实现了商业 化。以无烟煤蜂窝煤为主体的民用型煤厂遍及全国各个城市。烟煤蜂窝煤消烟技 术也取得了很大进展，在无烟煤短缺地区得到应用。为锅炉、烧烤炭、暖炉煤球 等型煤已进入市场。我国民用型煤技术和设备出口到菲律宾、新加坡、泰国、蒙 古和印尼等国家。 工业型煤中化肥造气用石灰炭化煤球，以及型焦、炉前成型锅炉型煤等已有 小规模商业化生产，工业锅炉和机车用型煤已处于工业示范或商业性示范阶段。 我国的工业用型煤加工已有成熟技术，但我国型煤的普及率还很低，发展潜力仍 然很大。今后研究工作的重点是开发高强度、防水型煤，开发高固硫率型煤，开 发生物质型煤。 1 6 1 3 水煤桨 水煤桨是在原煤洗选加工技术的基础上发展起来的一种比较清洁的可以泵 送、雾化代油燃烧的煤基液体燃料。它是由6 2 7 0 的煤粉、2 9 3 7 1 拘水和1 左右的化学添加剂经过一定的工艺加工而形成的，是具有一定的流动性和稳定性 的流体。可作为炉窑燃料或合成气燃料，具有稳定、污染排放少等优点。 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 长期以来人们一直在考虑如煤炭也能像石油一样便于管道运输、燃烧和贮存， 同时又能减少污染物的排放，必然会有良好的经济、社会和环境效益，但由于有 大量廉价的石油供应，因而一直未能付诸行动。7 0 年代的石油危机对以石油为主 要能源供应的西方各国的冲击很大，于是人们竞相研究以煤代油的技术。煤炭的 气化与波化虽然已有成熟的技术，但投资大成本高，难以普遍推广替代现有的燃 油系统，因此通过物理加工获得的煤浆燃料受到人们的重视。 1 6 1 4 动力配煤 工业锅炉和窑炉使用动力配煤以后，不仅工况稳定，操作方便，还可以使煤 炭得以充分燃烧，平均节煤可达5 以上。这就大大地缓解了过去由于供煤的品种 和质量常不能符合锅炉设计要求，而需要用改造窑炉的方法来解决供应煤的矛盾。 计算机优化配方、自动控制配比、在线检测过程控制反馈、现代企业管理集于一 体的现代化配煤场，在配制过程中，可以根据原料煤的煤质、粒度组成等特点进 行筛分，添加固硫、降尘、助燃等添加剂，实现大块分离、降低硫分、改善煤质。 1 6 2 煤转化技术 1 6 2 1 煤气化技术 煤炭气化是指用煤炭作为原料来生产工业燃料气、民用煤气和化工原料气。 与传统的燃煤技术相比，煤气化不仅可以明显提高煤的利用率，而且能减轻环境 污染。它是洁净、高效利用煤炭的最主要的途径之一，是许多能源高新技术的关 键技术和重要环节。如燃料电池、煤气联合循环发电技术等，煤制气应用领域非 常广泛。 煤炭气化分为完全气化和部分气化。根据气化温度的高低又分为高温气化、 低温气化a 高温气化主要在治金工业中用于炼焦，焦炭是主产品。低温气化又称 温和气化。由于温和气化工气简单、加工条件温和、投资省、可获得煤气、焦油 和半焦而受到国内外的重视，是洁净煤技术的重要组成部分。世界各国都很重视 煤的气化技术，且煤的气化技术已经成熟，目前已大规模商业化生产。 1 6 2 2 煤液化技术 煤炭液化是指将通过化学加工得到的合格汽油、柴油、航空煤油或其它的化 工产品的技术，按工艺方式可分为直接液化和间接液化。煤的直接液化是在溶剂 存在和高温、高压条件下，煤直接与氢气反应，使煤分子变小，氢含量增加，转 变为液体燃料的过程。煤直接液化的主要产品是优质汽油、柴油和芳烃及炭素化 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 工原料，并副产燃料气，液化石油气等。煤的间接液化是以煤基合成气( c o + h a ) 为原料，在一定的温度和压力下，定向的催化合成烃类燃料油和化工原料的工艺。 在天然气石油日渐枯竭的条件下，煤液化将填补此项空缺。许多国家已投产并成 功运行【l3 1 。但由于煤液化技术复杂，生产消耗高，目前在经济上还不能与天然气、 石油竞争，许多工艺流程还有待改进【l4 1 ，所以现在煤液化技术仅属长远性、技术 储备性工作，短期内还看不到较大的工业应用。 1 6 2 3 燃料电池 燃料电池( f c ) 是一种不经过燃烧而以电化学反应将燃料的化学能直接转变为 电能的发电装置，必用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料，能量转化率高、 环境效果好。目前燃料电池作为一种发电系统，其容量还很小，基本上没有实现 商业化，生产能力也很小。但是随着越来越多的示范工程的进行，技术的发展， 燃料电池的生产能力提高，燃料电池的发电成本必然会降下来，并达到和其它发 电系统的成本可以竞争的水平。总之，燃料电池发电系统的发展前景是肯定的。 1 6 2 4 生产炭素材料 炭素材料一般是指从杂乱的无定形炭结构到有序的石墨晶体之间的过渡态结 构( 中间结构) 物质，可由含碳的煤( 碳含量6 0 9 0 ) 、煤沥青( 碳含量8 0 9 0 ) 、 木材( 碳含量5 0 左右) 等有机化合物炭化制得。 炭素材料作为结构材料和功能材料广泛地用于冶金、化工、机电等行业。近 几十年来出现的炭纤维素材料，具有优异的性能，用于原子能及宇航工业等。 1 6 3 新一代高效低污染煤燃烧技术 1 6 3 1 流化床燃烧技术 起源予固体流态化技术和流化床燃烧技术，具有燃烧适应性强，燃烧效率高， 污染低等突出的优点，因而得到了迅速发展，今后将成为主要的燃煤技术。 流化床燃烧技术是指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾的状态，高速气流 与所携带的悬浮颗粒充分接触燃烧的技术。流化床介于固定床和气流床之间，包 括鼓泡床和循环流化床两种燃烧方式。 按照运行压力区分，流化床燃烧系统有两种类型：( 1 ) 常压流化床燃烧( a f b c ) ， 在常压下运行：( 2 ) 加压流化床燃烧( p r a c ) ，在比常压离6 - 1 6 倍的压强下运行。 加压流化床燃烧的过程与常压流化床相似。在同样的流化速度下，加压下供 给流化床的空气和煤量增加。同时，e h 于高压空气的作用，可形成高达4 m 左右的 1 0 垦塑型三盔堂堕圭笙壅 ! 生! ! 堂 流化床层，在加压与恰当的空气比下燃烧，煤与空气有充分的停留时间，燃烧效 率可达9 9 。同时，加压可使碳粒的反应速率增大。 与常压流化床锅炉相比，加压流化床锅炉的燃烧负荷大，可在约4 m 高的流化 床内布置较多的传热管。床内传热管除直接受高温气体加热外，也与高温床料直 接接触，传热系数可高达4 0 0 w ( m 2 h ) 。在较高的压强下运行，流化速度可以较低， 约1 m s ，从而减少床内水蒸气埋管韵磨蚀。加压流化床由于床层较商，煤颗粒在 床层内的停留时间较长( 约4 s 左右) ，在低c a s 比下脱硫效率提高。此外由于床层 温度低( 8 6 0 8 7 0 ) ，n o 。的生成受到限制，在较高的床层中，气体与还原物质接 触机会增多，也有利于控制n o 。的生成量【l 引。 1 6 3 2 整体煤气化联合循环发电( i g c c ) i g c c ( i n t e g r a t e dc o a lg a s f i c a t i o nc o m b i n dc y c l e ) 实际上是指煤炭在加压的条 件下气化，产生的煤气燃烧后先驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生的高压 过热水蒸气驱动蒸汽轮机发电。i g c c 技术不仅可以明显提高整个发电系统的发电 效率，而且还有利于保护环境，因此，i g c c 技术作为一种高效、洁净的燃煤发电 技术，已经受到世界各国的重视。 典型的i g c c 工艺系统由煤料准备、空分制氧、煤炭气化、煤气净化、燃气轮机发 电、余热锅炉及蒸气轮机发电等子系统组成。煤料经过适当处理后送入气化炉， 煤炭气化过程所需的氧气来自空分制氧予系统，所需的水蒸气来自气化炉及后面 的余热锅炉产生的部分蒸汽。煤气出气化炉后经过除尘、脱硫、脱氮及脱碱金属 等一系列净化处理后进入燃烧室。先利用燃烧产生豹高温高压烟气驱动燃气轮机 发电，再利用高温烟气的余热在余热锅炉产生高压过热蒸汽，去驱动汽轮机发电。 i g c c 系统是由一系列单项技术组成的技术体系，其中的关键技术主要包括煤 炭气化技术、煤气净化技术、燃气轮机技术及余热回收技术等。 与常规燃煤发电技术相比，i g c c 技术主要有以下特点： ( 1 ) 具有提高燃煤发电厂供电效率的较大潜力。根据目前的技术水平和发展趋势， 在不久的将来i g c c 系统的供电效率可望达到5 0 以上。 ( 2 ) 可以较好的解决燃煤发电过程中污染问题，其污染物排放甚至能够满足2 l 世纪 相当长时期内日益严格的环保要求。 ( 3 ) 耗水量少，一般仅为p c f g d 电站耗水量的5 0 7 0 。 美国能源部预测了今后2 0 年内的i g c c 发电系统的技术水平、经济性和排放 值可能达到指标。见表2 1 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 表2 1i g c c 的发展目标预测【1 6 】 年份供电效率投资成本排放值( 1 b 1 0 b t u ) ( )( ￥k w )n o 。s o 。 粉尘 2 0 0 04 51 3 5 00 0 8o 2 0o 0 2 2 0 1 05 21 1 5 0o 0 7o 1 7 o 0 1 5 2 0 2 06 0h 0 0o 0 6o ，1 5o o i 1 7 生物质能源特点 生物质包括农作物秸秆、稻壳、林业加工残余物、制糖业蔗渣造纸业蔗髓、厨 余、动物粪便等。生物质是一种潜在的能源资源，是人类未来能源和化学原料的 重要来源，目前，作为能源利用的生物质仅为总生物质量的1 ，所生产的能量已 占世界总能耗的1 4 。生物质能是太阳能转换和积累的主要形态之，是唯一的 既有矿物燃料属性，又可储存，运输，可再生、可转化，并较少受到自然条件制 约的能源。 生物质能具有如下特点： 1 l 】 可再生性。每年都可再生，周期短，产量大。 低污染性，是一种洁净燃料。生物质的硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的 硫氧化物、氮氧化物都较少，所产生的c 0 2 可被植物吸收利用，因此也可以说c o ： 的净排量为零，可有效地减少温室效应气体的排放量，并且生物质灰分一般很低， 因而燃烧后，烟尘含量极低，产生的灰渣少，故被称为“绿色能源”。 广泛的分布性。凡是生长植物的地域都可利用，特别是缺乏煤炭的地域可充分 利用生物质能，可因地制宜地利用土地再生，就地取材。 能量密度低，这是生物质能的主要缺点，也是长期以来生物质没有得到很好的 开发利用的主要原因，所以，如何把生物质转化成高品位的能源是人们现在关注 的焦点，是生物质能源是否能得到广泛应用的影响因素之一。 生物质资源丰富，估计全球年产量为1 0 1 1 1 0 1 2 t 干物质，相当于目前所用能量 之数倍，薪材占世界能源的1 3 ，预计通过栽培“生物质能”，这一比例可提高到 15 2 0 。据估计，到2 0 5 0 年t 生物质能将占全球燃料直接用量的3 8 、垒球电 力的1 7 。 动物粪便是含有机固体最丰富的废物之一，它的充足来源和作为能源的价值， 显示了它“变废为宝”的潜力和可观的前景，我国的畜牧养殖业是农业的支柱产 业，养殖数量大，废物排出量也越来越大，是我国有机废物的个重要组成部分。 1 2 垦塑矍三查堂堡主堡奎塑二童! i 鱼 此外，还有数量可观的工业废弃物，如制糖业产出的蔗渣，造纸业在提取表纤维 后剩下的蔗髓等。 生物质能开发利用在我国能源结构中占有举足轻重的地位，农村能耗的8 0 是生物质能。目前，我国生物质大都用于直接燃烧或废弃于农田，造成这一资源 的浪费和环境污染。每年仅生活用就要烧掉2 7 亿t 秸秆和2 - 8 亿t 薪材，由于燃 烧效率低，农村能源短缺问题仍未解决。过量的森林砍伐和大量秸秆不能还田， 也严重地破坏了生态平衡。l ” 1 8 生物质能源的组成分析 生物质的基本组织是纤维素( 3 l 4 8 ) 、半纤维素( 3 5 4 8 ) 祁木质素 ( 15 2 5 ) 。生物质的挥发分高达( 7 0 9 0 ) 。生物质的含硫量一般低于0 2 ， 灰分一般低于2 0 。生物质燃料的元素分析表明，c 、h 、o 、n 、s 及灰分是生物 质的基本成分，生物质的碳含量比煤低得多，其h c 的原子比一般为1 5 左右 6 1 。 稻壳的结构呈纤维状，8 0 为纤维素和木质素的复合物，灰分以s i 0 2 为主， 还有少量的n 。c l 、k c l 及其它一些微量元素。 秸秆是由若干结构相似的基本结构单元通过各种桥键( 例如o 、c h 2 等) 连接 而成的，与煤分子结构相比，其基本结构单元中具有较少的缩台芳香环和较多的 脂肪烃结构以及更多数量和种类的含氧官能团，侧链较长。各种秸秆除灰分不同， 发热量有差异外，其主要的元素成分c 、h 、o 的含量基本相同，并且具有稳定的 原子比( c 和h 的原子比为c o4 h o 6 ) 。 木材废弃物的主要成分是纤维素、木质素、树脂、树胶和水分等，h c 原子比 为1 18 ，其自由可燃指数( c + h ) o 为4 左右。作为燃料利用，它是一种优质能源， 其挥发物含量高、灰分低、着火点低，具有优良的燃烧特性。i t 木材废弃物按发 热量计算相当于o 5 5 t 煤。 据有关专家估计，生物质能极有可能成为未来持续能源系统的重要组成部分 ”8 1 。我国生物质产量约为6 0 亿吨干物质，相当于年耗能的2 5 倍。现今世界的总 能耗中有1 4 是以生物质作为能源的，这部分生物质能源相当于1 2 5 7 m t 石油。当 前全世界仍有2 5 亿人口用生物质煮饭、取暖和照明。在我国生物质在能耗中更是 占着举足轻重的地位，是仅次于煤