煤化学导论-杜铭华

1、煤化学与煤化工基础导论煤化学与煤化工基础导论杜铭华杜铭华2006年年3月月提提 要要 1 煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础质基础 2 煤转化与利用煤转化与利用 3 发生在煤转化与利用中的共性过程发生在煤转化与利用中的共性过程 4 煤结构与热解煤结构与热解 5 研究细致与探究研究细致与探究1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础础 粮食与能源活着与过粮食与能源活着与过 着的基本物质着的基本物质 能源能源核能核能煤炭煤炭石石 油油天然气天然气可再生可再生能能 源源水能水能1、煤炭是中国国民经济运行和发展的

2、重要物质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础（1）煤炭是主要的化石能资源）煤炭是主要的化石能资源（2）煤炭占一次能源消费的）煤炭占一次能源消费的75（3）煤炭占一次能源生产的）煤炭占一次能源生产的67(1)、预测资源总量、预测资源总量5.57万亿吨（万亿吨（1999年）；年）；(2)、查明资源、查明资源/储量储量1.02万亿吨（万亿吨（2001年）；年）；(3)、查明资源储量中尚未利用资源储量、查明资源储量中尚未利用资源储量6563亿吨；亿吨；(4)、经济可采储量、经济可采储量1891亿吨（亿吨（2002年）；年）； 查明资源查明资源/储量储量 尚未利用资源尚未利用资源/储量储量经

3、济可经济可采储量采储量1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础中国煤炭探明可采储量居世界第二中国煤炭探明可采储量居世界第二查明资源储量丰富，查明资源储量丰富，可采分布面积可采分布面积60多万多万km2、占国土面积、占国土面积6，1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础中国煤炭资源特点：中国煤炭资源特点：u资源丰富，潜力巨大；u煤类齐全、煤质优良；u资源/储量区域分布不均匀；u勘探程度低，人均占有经济可采储量少；u产业集中度低，回采率低；u主要炼焦用煤稀缺。1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物

4、质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础褐煤烟煤无烟煤煤褐2褐1无烟煤3无烟煤2无烟煤1贫瘦煤瘦煤焦煤肥煤气肥煤气煤中粘煤弱粘煤不粘煤长焰煤1/3焦煤贫煤炼焦煤化工、发电等化工、发电等中国煤炭分类（中国煤炭分类（GB 5751GB 57518686）：三大类，十七小类）：三大类，十七小类挥发分：挥发分： 碳含量：碳含量：1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础电力电力,约约49%煤气化煤气化,约约4%工业锅炉、窑炉约工业锅炉、窑炉约30%1、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础、煤炭是中国国民经济运行和发展的重要物质基础民用民用

5、,4%炼焦约炼焦约13%煤浆制煤浆制备单元备单元加氢液化加氢液化450OC，20MPa分分 离离单单 元元 催化剂催化剂 制氢制氢 循环溶剂循环溶剂 残渣残渣 气体气体 煤煤 加氢加氢 精制精制 化工品化工品 油油 品品2 煤转化与利用煤转化与利用 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式- 直接液化直接液化2 煤转化与利用煤转化与利用 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式H2直接液化热解、直接液化热解、加氢加氢COCO2 技术发展中技术发展中450、20MPa20MPa，加氢液化，加氢液化煤破碎煤破碎混合混合焦化焦化9501050OC， 焦油焦油 加工加工 加压加压 焦渣

6、焦渣 煤气冷煤气冷 却分离却分离 煤煤 焦炭焦炭 冷却冷却 焦炭焦炭2 煤转化与利用煤转化与利用 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式- 煤炭焦化煤炭焦化化工品化工品 煤气煤气 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式焦化热解（干馏）焦化热解（干馏）CO H2CH4CO2煤气煤气焦油焦油焦炭产量焦炭产量2亿吨亿吨/年以上，用煤年以上，用煤约约3亿吨亿吨/年，世界第一焦炭生年，世界第一焦炭生产大国产大国2 煤转化与利用煤转化与利用95010502 煤转化与利用煤转化与利用 煤炭转化、利用的主要方式气化煤炭转化、利用的主要方式气化氧气、水蒸气氧气、水蒸气煤煤煤气煤气制氢制氢合成

7、甲醇合成甲醇合成油合成油气体燃料气体燃料合成氨合成氨加氢液化加氢液化燃料燃料其它其它二甲醚二甲醚燃料燃料其它化工品其它化工品汽油汽油柴油柴油其它化工品其它化工品发电发电工业燃料工业燃料民用燃料民用燃料其它其它气化炉气化炉CO、CH4、 H2气化热解、气化气化热解、气化 气化剂气化剂O2、HO2 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式煤气煤气CH4CO2 2 煤转化与利用煤转化与利用煤气煤气灰渣灰渣煤粉煤粉H2O、O2水水1000以上，气化剂以上，气化剂燃烧热解、氧化燃烧热解、氧化 煤炭转化、利用的主要方式煤炭转化、利用的主要方式CO、CH4、 H2 氧氧O2、CO2、HO2约约83煤

8、炭作燃料消费煤炭作燃料消费发电、民用、工业锅炉、窑炉、交通、发电、民用、工业锅炉、窑炉、交通、农业等。农业等。2 煤转化与利用煤转化与利用COCO2直接液化热解、直接液化热解、加氢加氢COCH4CO2煤气煤气焦焦油油焦化热解（干馏）焦化热解（干馏）CH4CO2气化热解、气化热解、 气化气化CO、CH4、 H2 氧氧O2、CO2、HO2燃烧热解、燃烧热解、 氧化氧化 O2、H2O煤煤气气3、发生在煤转化与利用中的共性过程、发生在煤转化与利用中的共性过程煤的热解是大部分热转化过程的共性表现；煤的热解是大部分热转化过程的共性表现；煤热解是有机化合物受热、内能升高、化学键断裂的结果，键能与结煤热解是有

9、机化合物受热、内能升高、化学键断裂的结果，键能与结构；构；煤热解与煤的结构有关，不同煤的热解特性有很大差别；煤热解与煤的结构有关，不同煤的热解特性有很大差别；研究煤的热解是研究其热转化性能的关键内容；研究煤的热解是研究其热转化性能的关键内容；3、发生在煤转化与利用中的共性过程、发生在煤转化与利用中的共性过程部分分子振动加剧引起化合键的断裂是热解，振动能按几率分配，当部分分子振动加剧引起化合键的断裂是热解，振动能按几率分配，当某一部分分子分裂时，有部分可能化合；随温度升高热解作用变得明某一部分分子分裂时，有部分可能化合；随温度升高热解作用变得明显；分子中键的强度不同，热分解的温度和分配也不同。显

10、；分子中键的强度不同，热分解的温度和分配也不同。4 煤结构与热解煤结构与热解几个基本概念几个基本概念（1）物质的特性取决于其结构（元素和构成形式）；）物质的特性取决于其结构（元素和构成形式）；（2）煤的特性取决于煤的结构；）煤的特性取决于煤的结构；（3）煤是有机岩石矿物，其基本特性符合有机化合物的基本）煤是有机岩石矿物，其基本特性符合有机化合物的基本规律；规律；（4）有机化合物状态特性与其分子量，气体、液体、固体；）有机化合物状态特性与其分子量，气体、液体、固体；（5）煤转化、利用的目标是：能量需求和物料需求；）煤转化、利用的目标是：能量需求和物料需求；（6）煤转化、利用的实质是：结构变化和能

11、量转换；）煤转化、利用的实质是：结构变化和能量转换；（7）热解是结构变化中的重要环节。）热解是结构变化中的重要环节。4 煤结构与热解煤结构与热解几个基本概念几个基本概念（4）有机化合物状态特性与其分子量，气体、液体、固体；）有机化合物状态特性与其分子量，气体、液体、固体； 气体：甲烷、乙烷、乙烯；气体：甲烷、乙烷、乙烯； 液体：汽油、柴油、煤油、苯、甲苯等，加压的丁烷；液体：汽油、柴油、煤油、苯、甲苯等，加压的丁烷； 固体：蜡、沥青、煤等；固体：蜡、沥青、煤等； 分子间力的影响：乙醇、甲醇等。分子间力的影响：乙醇、甲醇等。4 煤结构与热解煤结构与热解基本结构单元：基本结构单元：侧链：侧链：官能

12、团：官能团：桥键：桥键：小分子：小分子：4.1 煤结构的基本形式煤结构的基本形式 1 相似的基本结构单元缩合成大分子，桥键连接，相似的基本结构单元缩合成大分子，桥键连接，CH2、O等；等；2 周围有烷基侧链、含氧官能团，周围有烷基侧链、含氧官能团，CH3、OH等；等；3 存在独立的小分子，存在独立的小分子，CO、CO2、CH4等；等；4 三维立体结构，大分子量；三维立体结构，大分子量；5 相似性和不同性；相似性和不同性；4 煤结构与热解煤结构与热解4.1 热解是煤结构发生系列变化热解是煤结构发生系列变化 初步热解初步热解进步热解进步热解整体热解整体热解热解缩聚热解缩聚G-Tdg/dt1 热解首

13、先挥发出小分子，进而是不稳定的官能团和烷基侧链等；热解首先挥发出小分子，进而是不稳定的官能团和烷基侧链等；2 整体热解时，煤的大分子结构发生了强烈的热裂解，形成大小不等的碎片；整体热解时，煤的大分子结构发生了强烈的热裂解，形成大小不等的碎片；3 整体热解中以及随后，碎片发生了缩聚反应；整体热解中以及随后，碎片发生了缩聚反应；4 缩聚反应后形成固体产物（焦炭或半焦）；缩聚反应后形成固体产物（焦炭或半焦）；5 结构和过程条件影响热解和热解后产物的性质。结构和过程条件影响热解和热解后产物的性质。约约450500C4 煤结构与热解煤结构与热解加热加热加加热热初步热解，约初步热解，约300C整体热解，约

14、整体热解，约460C4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析典型热解煤结构发生变化的特征分析 加加氢氢气体气体渣渣油油气体气体半焦半焦焦油焦油加热加热热缩聚，大于热缩聚，大于460C不稳定的热解碎片缩聚成固体半不稳定的热解碎片缩聚成固体半焦；大三维结构和宏观尺度上形焦；大三维结构和宏观尺度上形态稳定；多孔的与煤外形变化不态稳定；多孔的与煤外形变化不大的块状半焦。大的块状半焦。年轻煤的结构单元年轻煤的结构单元以及热解碎片加氢以及热解碎片加氢后适合液体产品的后适合液体产品的分子量。分子量。4 煤结构与热解煤结构与热解4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析典型热解煤结构发生变化的特征分析 初步热解

15、初步热解整体热解整体热解缩聚反应缩聚反应成焦成焦1 1、中等变质煤（炼焦煤）具有较大的单元结构，较少的小分子，一定含量的侧链、中等变质煤（炼焦煤）具有较大的单元结构，较少的小分子，一定含量的侧链和官能团，挥发物比例由多到较多；和官能团，挥发物比例由多到较多；2 2、较少的桥键或桥联，整体分解时生成能够流动的物质，重新调整位置和关系，、较少的桥键或桥联，整体分解时生成能够流动的物质，重新调整位置和关系，聚合成较大分子量的半焦，进一步聚合成分子量更大的焦炭。聚合成较大分子量的半焦，进一步聚合成分子量更大的焦炭。4 煤结构与热解煤结构与热解4.2 典型热解煤结构发生变化的特征分析典型热解煤结构发生变

16、化的特征分析 1 1 较高变质的煤有更少的小分子、较大的结构单元，挥发分较低；较高变质的煤有更少的小分子、较大的结构单元，挥发分较低；2 2 热解时不能形成能够流动的分子量大小的中间产物，焦块的形状与煤相似；热解时不能形成能够流动的分子量大小的中间产物，焦块的形状与煤相似；3 3 燃烧时，首先是挥发分的点燃，然后是残焦的燃烧；燃烧时，首先是挥发分的点燃，然后是残焦的燃烧；4 4 完全燃烧后需要的时间与煤的原始结构及其在热解时的经历和变化有关。完全燃烧后需要的时间与煤的原始结构及其在热解时的经历和变化有关。热解热解氧化燃烧氧化燃烧O2CO2、H2O4 煤结构与热解煤结构与热解4.3从煤热失重曲线

17、分析煤结构从煤热失重曲线分析煤结构200 400 600 800 1 1 随变质程度升高，失重值总体趋于减少；随变质程度升高，失重值总体趋于减少；2 2 随变质程度升高，开始热解温度升高、热随变质程度升高，开始热解温度升高、热解温度区间加宽；最大失重对应温度升高；解温度区间加宽；最大失重对应温度升高；3 3 不同煤种主要热解阶段终了温度相近；不同煤种主要热解阶段终了温度相近；4 4 无烟煤的主要热解阶段失重很小；无烟煤的主要热解阶段失重很小；5 5 键能的分布不同。键能的分布不同。 dg/dt 20 /min N2褐煤褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤1/3焦煤焦煤 焦煤焦煤 瘦煤瘦煤 无烟煤无烟煤4

18、煤结构与热解煤结构与热解4.4 4.4 煤是不同显微组分的混合物煤是不同显微组分的混合物 不同显微组分的分子结构有很大差别，镜质组单元环数为不同显微组分的分子结构有很大差别，镜质组单元环数为2 24 4环，挥发分较高；丝质组在环，挥发分较高；丝质组在9 9环以上，挥发分低；过渡组分居中；环以上，挥发分低；过渡组分居中； 煤性质是显微组分性质的混合表示，是显微组分性质和组成的煤性质是显微组分性质的混合表示，是显微组分性质和组成的函数。函数。镜质组镜质组过渡组过渡组丝质组丝质组4 煤结构与热解煤结构与热解研究方法：研究方法：1 1 模型分子的热解实验；模型分子的热解实验；2 2 热解试验：恒温、变温；标准方法和特定方法；模拟热解试验：恒温、变温；标准方法和特定方法；模拟工业条件和实验室；各种热解条件变化，如气氛、加工业条件和实验室；各种热解条件变化，如气氛、加热速度、