煤转化的化学基础-1(概论及煤的基本性质)

1、煤炭转化的化学基础煤炭转化的化学基础刘振宇刘振宇自我介绍自我介绍 美国美国University of Pittsburgh石油化工系石油化工系 博士研究生（博士研究生（83-88） 美国美国West Virginia University化工系化工系 博士后、副研究员（博士后、副研究员（88-95） 中科院山西煤炭化学研究所中科院山西煤炭化学研究所 研究员、博士生导师（研究员、博士生导师（95-06） 北京化工大学北京化工大学 教授（教授（07-） 1983年以来从事煤炭转化研究年以来从事煤炭转化研究 煤液化（直接、间接）煤液化（直接、间接） 煤热解、气化煤热解、气化 煤基化学品合成与加工（甲

2、醇、低碳醇、油品加氢精制）煤基化学品合成与加工（甲醇、低碳醇、油品加氢精制） 煤中污染组分变迁煤中污染组分变迁 燃煤烟气净化燃煤烟气净化联系方式：联系方式：64421073/64421077（办），（办）学介绍同学介绍 姓名姓名 大学毕业情况大学毕业情况 现在从事研究领域及课题内容现在从事研究领域及课题内容授课思想授课思想 研究生课程与大学生课程的差别研究生课程与大学生课程的差别 鱼鱼与与渔渔 表象知识表象知识与与内在原因内在原因 样本记忆样本记忆与与规律认识规律认识 课程要求课程要求 基本知识的掌握基本知识的掌握 内在规律的认识内在规律的认识 核心问题的讨论核心问题

3、的讨论 对学习的认识对学习的认识 老师讲的不一定全对，属个人认识，意在促进讨论老师讲的不一定全对，属个人认识，意在促进讨论 对已有对已有知识知识的掌握、对已有知识的掌握、对已有知识局限性局限性的掌握的掌握 对本领域对本领域发展发展的认识的认识授课思想授课思想 煤化工、煤化学的特点煤化工、煤化学的特点 以原料为中心的不同加工和利用方法，内容很多以原料为中心的不同加工和利用方法，内容很多 工艺过程为主、化学信息局限、阶段性、知识工艺过程为主、化学信息局限、阶段性、知识“散散” 授课类似学术讲座授课类似学术讲座 目的是了解现状、认识发展方向和存在的目的是了解现状、认识发展方向和存在的“大大”问题问题

4、授课安排授课安排3月月06日：概论及煤的基本性质日：概论及煤的基本性质3月月13日：煤的组成结构及热解日：煤的组成结构及热解3月月20日：煤的气化日：煤的气化3月月27日：煤的液化直接液化日：煤的液化直接液化4月月03日：煤的液化间接液化日：煤的液化间接液化4月月10日：燃煤污染控制日：燃煤污染控制4月月17日：日：机动机动4月月24日：考试日：考试5月月01日：劳动节日：劳动节 自己提前看基本知识自己提前看基本知识 课堂讲授重点内容课堂讲授重点内容 突出对重要问题的分突出对重要问题的分析与讨论析与讨论19周，周六，周，周六，58节（节（1:305:15 pm），），321教室教室成绩：作业（

5、成绩：作业（50）考试（）考试（50）参参 考考 书书郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学1998郭树才郭树才煤化工工艺学煤化工工艺学2006陈鹏陈鹏中国煤炭性质、分类和利用中国煤炭性质、分类和利用2001高晋生，张德祥高晋生，张德祥煤液化技术煤液化技术2005袁权袁权能源化学进展能源化学进展2005中第一章中第一章煤化学煤化学Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981中文翻译：中文翻译：煤利用化学煤利用化学1991教材教材（化学工业出版社）概论概论生命、人类文明的基础生命、人类文明的基础生命的延续：生命的延续

6、： 依赖食物依赖食物社会的运行社会的运行： 依赖能源依赖能源人的吃、穿、住、行、文化、艺术人的吃、穿、住、行、文化、艺术社会的发展：社会的发展： 可持续能源（新能源）可持续能源（新能源）友好环境（大气变化）友好环境（大气变化）煤炭煤炭能量来源：太阳能能量来源：太阳能物质来源：物质来源：CO2、H2O环境条件：很窄环境条件：很窄 如如H2O的相态的相态地球上可用能源的种类？地球上可用能源的种类？1996年全球煤炭探明可采储量年全球煤炭探明可采储量 (economically recoverable reserve) 为为1万亿吨。万亿吨。在在2008年的使用量下，可用年的使用量下，可用212年。

7、年。主要能源的种类及全球需求主要能源的种类及全球需求 Mtoe 百万吨油当量百万吨油当量 10000 kcal/kg 标准煤标准煤 7000 kcal/kg 原煤原煤 5000 kcal/kg全球主要能源的年需求量全球主要能源的年需求量2008年年47亿吨标煤亿吨标煤全球煤炭全球煤炭探明可采储量探明可采储量（ 单位：十亿吨，单位：十亿吨，1996年）年）序号序号国别国别烟煤和无烟煤烟煤和无烟煤 次烟煤次烟煤褐煤褐煤总量总量%1美国美国111.3102.033.3246.625.12俄罗斯俄罗斯49.097.510.5157.016.03中国中国62.233.718.6114.511.64澳大利

8、亚澳大利亚47.31.941.290.49.25印度印度72.7-2.074.77.66德国德国24.0-43.067.06.87南非南非55.3-55.35.68乌克兰乌克兰16.416.01.934.43.59 哈萨克斯坦哈萨克斯坦31.0-3.034.03.510波兰波兰12.1-2.214.31.511巴西巴西-12.0-12.01.212加拿大加拿大4.51.32.88.00.9合计合计509.5279.0195.7984.292.5陈鹏陈鹏中国煤炭性质、分类和利用中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，2001探明可采储量？探明可采储量？煤炭的储量煤炭的

9、储量 煤炭储量的含意复杂煤炭储量的含意复杂 - 依据研究程度和可靠程度分级依据研究程度和可靠程度分级 - 包括根据少量数据推测的包括根据少量数据推测的 - 预测资源（根据地质理论预测的）预测资源（根据地质理论预测的）陈鹏陈鹏中国煤炭性质、分类和利用中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，2001根据对煤层位置、煤质、煤种、厚度、结构、工艺性质等的认识根据对煤层位置、煤质、煤种、厚度、结构、工艺性质等的认识我国我国50年代：年代：A、B、C、D、E、F、G（可靠程度变弱）（可靠程度变弱）已确定已确定基本确定基本确定推测，一般不致落空推测，一般不致落空工业储量（其中一部

10、分为工业储量（其中一部分为探明可采储量探明可采储量）煤炭的储量煤炭的储量 煤炭储量和煤炭储量和“真实真实”煤炭量的不同煤炭量的不同- 1974年国际能源会议规定资源量不包括：年国际能源会议规定资源量不包括： 厚度小于厚度小于0.6 m、深度大于、深度大于1500 m的煤层的煤层- 各国标准不同各国标准不同煤类煤类埋深（埋深（m）煤层厚度（煤层厚度（m）褐煤褐煤最小值最小值最大值最大值 50（加拿大）（加拿大） 700（土耳其）（土耳其）0.5（南非）（南非）1.5（乌克兰）（乌克兰）次烟煤次烟煤最小值最小值最大值最大值 300（加拿大）（加拿大）1800（乌克兰）（乌克兰）0.6（乌克兰）（乌

11、克兰）1.5（澳大利亚）（澳大利亚）烟煤和无烟煤烟煤和无烟煤最小值最小值最大值最大值 400（南非）（南非）1800（乌克兰）（乌克兰）0.2（美国）（美国）1.5（澳大利亚）（澳大利亚）陈鹏陈鹏中国煤炭性质、分类和利用中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，2001中国煤炭储量的计算中国煤炭储量的计算 中国计算标准中国计算标准 - 与与煤的价值、倾角和开采方式煤的价值、倾角和开采方式有关有关储量类别储量类别煤层煤层厚度厚度煤层煤层倾角倾角能能利用储量利用储量暂不能暂不能利用储量利用储量焦煤焦煤动力煤动力煤褐煤褐煤焦煤焦煤动力煤动力煤褐煤褐煤最低最低厚度厚度(m)4

12、5o0.50.60.80.40.50.6露天开采露天开采1.0露天开采露天开采0.5高高品位煤的品位煤的最低厚度最低厚度小小低低品位煤的品位煤的最低厚度最低厚度大大陈鹏陈鹏中国煤炭性质、分类和利用中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，2001对目前暂对目前暂不能利用的不能利用的条件放宽条件放宽我国的资源状况我国的资源状况 我国是能源缺乏的国家（从人口的角度看）我国是能源缺乏的国家（从人口的角度看） 煤炭、石油、天然气、水能、太阳能、风能等煤炭、石油、天然气、水能、太阳能、风能等 50 7 3 100 100 100 世界人均值世界人均值 煤炭的基础数据煤炭的基础数

13、据资源量资源量？探明储量探明储量20000 亿吨亿吨探明可采储量探明可采储量 1145 亿吨亿吨2009年产量年产量 29.6 亿吨亿吨1999年年2006年年 2050年年天然气天然气3.1%水电水电7.8%石油石油20.9%煤煤68.2%煤煤69.4石油石油20.4%天然气天然气3%水电水电7.2% 煤煤50其他其他10-7m的毛细孔中的水的毛细孔中的水- 内在水内在水在直径在直径10-7m的毛细孔中的水的毛细孔中的水 结晶水结晶水含于矿物质之中，如：含于矿物质之中，如：石膏石膏 CaSO42H2O高岭土高岭土 2Al2O34SiO24H2O 分析方法分析方法国家标准国家标准加热至加热至4

14、5-50oC：外在水：外在水加热至加热至105-110oC：全水：全水郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992无机组分无机组分水分煤分子结构中的水分煤分子结构中的“水水” 煤热解、液化等过煤热解、液化等过程中产生水程中产生水 这些这些“水水”在工业在工业分析中被定义为分析中被定义为“挥发分挥发分” 在元素分析中由在元素分析中由“O”含量度量含量度量O和和H水分的影响水分的影响 运输（特别是褐煤）运输（特别是褐煤） 转化过程（热解、气化、液化）转化过程（热解、气化、液化） 产物品质（油品、加工提质、应用）产物品质（油品、加工提质、应用） 生物质能源利用中生物质

15、能源利用中“水水”的影响的影响木材组成木材组成CHOWt%49744Mole比比11.70.7工业分析工业分析 - 灰分（灰分（A） 灰分是经验用词，源于燃烧；灰分是经验用词，源于燃烧； 灰分是灰分是某些某些无机组分燃烧后的残余无机组分燃烧后的残余 矿物质形态矿物质形态- 粘土（高岭土、伊利石等）粘土（高岭土、伊利石等）- 硫化物类（黄铁矿、白铁矿等）硫化物类（黄铁矿、白铁矿等）- 氧化物类（石英、氧化铁等）氧化物类（石英、氧化铁等）- 碳酸盐类（方解石、菱铁矿等）碳酸盐类（方解石、菱铁矿等） 形态与来源的关系？形态与来源的关系？ 原生矿物？原生矿物？ 污染物组分？污染物组分？某些无机物挥发某

16、些无机物挥发某些无机物氧化某些无机物氧化 灰分被认为来源于矿物质灰分被认为来源于矿物质- 原生矿物质原生矿物质 来源于成煤植物，一般不超过来源于成煤植物，一般不超过1-2%- 次生矿物质次生矿物质 成煤中进入的（风、水），一般在成煤中进入的（风、水），一般在10%- 外来矿物质外来矿物质 采掘中带入的，与开采方法有关采掘中带入的，与开采方法有关郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992灰分微量污染元素灰分微量污染元素 关注最多的是，美国关注最多的是，美国1990年颁布的洁净空气法修正案年颁布的洁净空气法修正案（Clean Air Act Amendments）

17、中的）中的11中无机元素：中无机元素：砷（砷（As）、锑（）、锑（Sb）、铍（）、铍（Be）、镉（）、镉（Cd）、）、铬（铬（Cr）、钴（）、钴（Co）、铅（）、铅（Pb）、锰（）、锰（Mn）、）、汞（汞（Hg）、镍（）、镍（Ni）、硒（）、硒（Se） 含量较低：含量较低：0.011500 g/g 之间，但煤的用量大之间，但煤的用量大袁权袁权能源化学进展能源化学进展化学工业出版社化学工业出版社2005 含量不是环境效应的唯一因素，更重要是赋存形态。含量不是环境效应的唯一因素，更重要是赋存形态。 虽然展开了不少研究，但目前对虽然展开了不少研究，但目前对:- 煤中微量元素的赋存状态煤中微量元素的赋

18、存状态- 赋存形态随成煤条件的变化赋存形态随成煤条件的变化- 在煤炭转化过程中的变迁在煤炭转化过程中的变迁 知之甚少知之甚少灰分的影响灰分的影响 煤利用中的很多问题直接与矿物质相关，不直接与有机组煤利用中的很多问题直接与矿物质相关，不直接与有机组分相关分相关 对工艺影响大的是熔融性（燃烧、气化、炼铁、电石）对工艺影响大的是熔融性（燃烧、气化、炼铁、电石）- 熔融性与其组成相关熔融性与其组成相关 对环境的影响对环境的影响 渣、尘、硫、硝、重金属、卤素、碱金属渣、尘、硫、硝、重金属、卤素、碱金属 能耗（运输、加工）能耗（运输、加工） 优点优点 催化剂（气化催化剂（气化 - 碱金属；液化碱金属；液化

19、 - 硫化铁）硫化铁） 建筑材料（水泥、砖、筑路）、提取有用成分建筑材料（水泥、砖、筑路）、提取有用成分 煤的洗选是脱除矿物质的重要方法煤的洗选是脱除矿物质的重要方法- 物理物理 利用性质差异（比重、表面性质等）利用性质差异（比重、表面性质等）- 化学化学 反应后分离（溶解）反应后分离（溶解）郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992工业分析工业分析 - 挥发分（挥发分（V） 挥发分是个挥发分是个“加工加工”概念，其值与加工条件有关概念，其值与加工条件有关 隔绝空气，隔绝空气，1克煤在克煤在900 oC加热加热7分钟（分钟（失重量失重量）- 值与基准有关值与基

20、准有关干燥基干燥基：失重量水分（：失重量水分（M） A + V + FC = 100%无水无灰基无水无灰基：失重量：失重量MA V + FC = 100% 挥发分不一定是煤中原有组分，大部分是热解产物挥发分不一定是煤中原有组分，大部分是热解产物 挥发分不等同有机物，还有挥发分不等同有机物，还有“水水”、挥发性无机物、挥发性无机物 定义与炼焦有关，但对燃烧、气化、液化有借鉴意义定义与炼焦有关，但对燃烧、气化、液化有借鉴意义 挥发分是总量，不反映过程中的挥发分是总量，不反映过程中的阶段释放行为、组成变化阶段释放行为、组成变化对煤液化、煤基化学品制备对煤液化、煤基化学品制备非常重要非常重要工业分析工

21、业分析 - 固定碳（固定碳（FC） 固定碳也是个固定碳也是个“加工加工”概念，其值也与加工条件有关概念，其值也与加工条件有关 固定碳的量是残留物减去灰分固定碳的量是残留物减去灰分 固定碳不是煤中原有的组分，是热解反应的产物固定碳不是煤中原有的组分，是热解反应的产物 部分源于部分源于“油油”和和“气气” 固定碳含有固定碳含有C、H、O、S、N及其他元素及其他元素 从无水无灰（从无水无灰（daf, dry and ash free）的角度看）的角度看FCV100煤热解留下多少、挥发了多少（针对炼焦过程）煤热解留下多少、挥发了多少（针对炼焦过程）不同煤种的工业分析差异不同煤种的工业分析差异褐煤褐煤超

22、无烟煤超无烟煤无烟煤无烟煤半无烟煤半无烟煤低挥发分低挥发分烟煤烟煤中挥发分中挥发分烟煤烟煤高挥发分高挥发分烟煤烟煤A高挥发分高挥发分烟煤烟煤B高挥发分高挥发分烟煤烟煤C次次烟煤烟煤A次次烟煤烟煤B次次烟煤烟煤C哪种煤的哪种煤的“挥发分挥发分”最多？最多？哪种煤的哪种煤的“加工加工”最复杂？最复杂？郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992“烟烟”煤？煤？不同煤性质之间的关系不同煤性质之间的关系郭崇涛煤化学化学工业出版社，北京，19920 02020404060608080404060608080100100 Cdaf (%)Vdaf (%)无烟煤无烟煤烟煤烟煤

23、褐煤褐煤 元素分析元素分析的碳含量的碳含量（Cdaf）与）与工业分析工业分析的挥发分（的挥发分（Vdaf）相）相关关不同煤中的不同煤中的C是是如何分布的？如何分布的？ 煤中的煤中的C不主要在不主要在V中，而主要在中，而主要在FC中中(Vdaf+FCdaf=100%)020406080020406080100 CV/Vdaf (%)Vdaf (%)挥发分挥发分(Vdaf)中的中的C无烟煤无烟煤烟煤烟煤褐煤褐煤Vdaf的品质不同的品质不同- 烟煤烟煤Vdaf含含C高高- 褐煤褐煤Vdaf含含C低低煤的工业分析说明了什么？煤的工业分析说明了什么？工业分析工业分析水分（水分（M）灰分（灰分（A）挥发分

24、（挥发分（V）固定碳（固定碳（FC）种类很多种类很多受环境影响受环境影响组成复杂组成复杂不代表矿物不代表矿物不反映污染物不反映污染物与熔点有些关系与熔点有些关系组成复杂组成复杂不是原煤组分不是原煤组分无组成信息无组成信息不全是有机物不全是有机物组成复杂组成复杂不全是碳不全是碳用于炼焦、燃烧，对其他过程有借鉴意义用于炼焦、燃烧，对其他过程有借鉴意义我国煤的元素组成（干燥无灰基，我国煤的元素组成（干燥无灰基，%）郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992煤种煤种CHON泥炭泥炭55-625.3-6.527-341-3.5低煤化程度褐煤低煤化程度褐煤60-705.5

25、-6.620-231.5-2.5高煤化程度褐煤高煤化程度褐煤70-76.54.5-6.015-201.0-2.5烟煤烟煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤77-8179-8582-8986.5-9188-92.588-92.74.5-6.05.4-6.04.8-6.04.5-5.54.3-5.04.0-4.710-158-124-93.5-6.53-52-50.7-2.21-1.121-2.01-2.00.9-2.00.7-1.8低变质无烟煤低变质无烟煤88-933.2-4.02-40.8-1.5中变质无烟煤中变质无烟煤93-952.0-3.22-30.6-1.0高变质无烟煤

26、高变质无烟煤95-980.8-2.01-20.3-1.0N=1?煤的元素分析煤的元素分析 碳（碳（C）、氢（）、氢（H）、氧（）、氧（O）、氮（）、氮（N）、硫（）、硫（S）与煤化程度与煤化程度有有关关与煤化程度与煤化程度无无关关为什么？为什么？（来源、在结构中的位置、煤化过程）（来源、在结构中的位置、煤化过程）煤的物理性质煤的物理性质煤的煤的比表面积比表面积郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992C (%)BET比表面积（比表面积（m2/g）N2 (-196 oC)CO2 (-78 oC)CO2 (25 oC)95.23424622490.0 014614

27、686.2 010712583.6 08010479.2119213272.712198139 气体向微孔内部扩散属于活性扩散过程，需一定的活化能气体向微孔内部扩散属于活性扩散过程，需一定的活化能 N2在在-196 oC下测定，只能测较大的孔隙，下测定，只能测较大的孔隙，不能测定微孔不能测定微孔 一般认为，一般认为，CO2在在78 oC可测出煤的总表面积可测出煤的总表面积是么？是么？ 煤中的孔？煤中的孔？煤的孔隙率和煤化程度的关系煤的孔隙率和煤化程度的关系郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，北京，化学工业出版社，北京，1992 孔隙率的定义孔隙率的定义 “介质介质”或或“探针分探针分子子”消失的量计算消失的量计算 粉末样品粉末样品 使用价值使用价值 ？ 孔径分布孔径分布- 微孔（微孔（ 30 nm）孔径？孔径？孔的形状？孔的形状？煤物理性质与煤阶的关系煤物理性质与煤阶的关系郭崇涛郭崇涛煤化学煤化学化学工业出版社，化学工业出版社，1992煤化程度与显微组分煤化程度与显微组分密度密度的关系的关系 80 90 100 C (%)密