煤及煤化工进展-new

1、2022-6-201煤煤 ? ? A black stone that would burn and was sometimes used by blacksmiths instead of charcoal. 有一种黑石头，可以燃烧，有时铁匠可用它来代替木炭， 并把这种可燃烧的石头称anthrax（anthracite)。摘自Theophrastus（西奥福来斯多斯）在公元前300年发表的De Lapidus(岩石学) 2022-6-202各种煤的基本结构单元各种煤的基本结构单元大致反映了各种煤的结构单元的特点和立体结构，大致反映了各种煤的结构单元的特点和立体结构，缺点是没有包括所有杂原子、

2、各种可能存在的官能缺点是没有包括所有杂原子、各种可能存在的官能团与侧链。团与侧链。2022-6-203包含的缩合芳香环包含的缩合芳香环数平均数平均9个，缩合个，缩合芳环数很高。代表芳环数很高。代表20世纪世纪60年代以前年代以前经典结构模型的特经典结构模型的特点。点。正确反映了年轻烟煤没有大的缩合芳香正确反映了年轻烟煤没有大的缩合芳香核（主要是萘环），分子呈线性排列，核（主要是萘环），分子呈线性排列，并有空间结构，有氢键和含氮杂环等存并有空间结构，有氢键和含氮杂环等存在。不足是没有考虑硫结构，没有醚键在。不足是没有考虑硫结构，没有醚键和两个碳原子以上的次甲基桥键。和两个碳原子以上的次甲基桥键。

3、2022-6-204迄今为止比较全面、合理迄今为止比较全面、合理的一个模型，它基本反映的一个模型，它基本反映了煤分子结构的现代概念，了煤分子结构的现代概念，可以解释煤的液化和其他可以解释煤的液化和其他化学反应性质。化学反应性质。最早考虑到低分子化合物最早考虑到低分子化合物的存在，缩合芳环以菲为的存在，缩合芳环以菲为主，之间有较长次甲基键主，之间有较长次甲基键连接，不足是没有考虑硫连接，不足是没有考虑硫和氮的存在。和氮的存在。2022-6-205煤是由通过煤是由通过C-C键直接连在一起的带有脂肪侧链的大的芳环和杂环键直接连在一起的带有脂肪侧链的大的芳环和杂环的核所构成，其中有含氧官能团和醚键。的

4、核所构成，其中有含氧官能团和醚键。2022-6-206煤分子结构的基本概念煤分子结构的基本概念煤是高分子化合物的复杂的混合物，每个高分子化合物的缩合程度各煤是高分子化合物的复杂的混合物，每个高分子化合物的缩合程度各不相同，构成煤的高分子化合物的基本结构单元彼此也不同，这不仅不相同，构成煤的高分子化合物的基本结构单元彼此也不同，这不仅明显地表现在不同成煤阶段的煤中以及同一成煤阶段不同显微组分上，明显地表现在不同成煤阶段的煤中以及同一成煤阶段不同显微组分上，即使是同一成煤阶段的煤或同一显微组分的分子间，其缩合程度和基即使是同一成煤阶段的煤或同一显微组分的分子间，其缩合程度和基本结构单元也不可能相同

5、。本结构单元也不可能相同。煤分子中的基本结构单元是由芳香族结构、脂芳族结构以及脂环族结煤分子中的基本结构单元是由芳香族结构、脂芳族结构以及脂环族结构组成的。此构组成的。此 外，还有醚型的氧在基本结构单元之间以氧桥的形式外，还有醚型的氧在基本结构单元之间以氧桥的形式存在。也可以说，煤分子的基本结构单元由两部分组成，规则部分的存在。也可以说，煤分子的基本结构单元由两部分组成，规则部分的缩合环结构称为核，在核的周围有各种侧链和官能团为不规则部分。缩合环结构称为核，在核的周围有各种侧链和官能团为不规则部分。基本结构单元中的芳香环结构有单环的苯环、双环的萘环、三环的菲基本结构单元中的芳香环结构有单环的苯

6、环、双环的萘环、三环的菲环和蒽环，还有四环和五环以上的缩合环的形式；脂环结构既有与芳环和蒽环，还有四环和五环以上的缩合环的形式；脂环结构既有与芳香环一起缩合的结构存在，又有单独存在的；而脂肪族结构是指结合香环一起缩合的结构存在，又有单独存在的；而脂肪族结构是指结合在芳香环或脂环上的那些以侧链存在的烷基。在芳香环或脂环上的那些以侧链存在的烷基。了解煤的分子结构对煤的有效、合理转化具有重要了解煤的分子结构对煤的有效、合理转化具有重要的指导作用。的指导作用。2022-6-207煤炭的生成煤炭的生成 植物经数千年到数万年复杂的生物化学变化过程形成泥炭植物经数千年到数万年复杂的生物化学变化过程形成泥炭（

7、一种松软有机质的堆积物）；（一种松软有机质的堆积物）； 泥炭在不太深的地下经数百万年因压力和温度等作用发生泥炭在不太深的地下经数百万年因压力和温度等作用发生一系列物理化学变化（成岩作用）转变成褐煤或烟煤；一系列物理化学变化（成岩作用）转变成褐煤或烟煤； 褐煤或烟煤在地下深处再经数千万年以上因压力、温度和褐煤或烟煤在地下深处再经数千万年以上因压力、温度和时间的化学物理作用（变质作用）形成烟煤或无烟煤。时间的化学物理作用（变质作用）形成烟煤或无烟煤。无烟煤烟煤褐煤泥炭植物煤炭是一种宝贵的不可再生的资源，必须煤炭是一种宝贵的不可再生的资源，必须加以高效、经济和合理地利用。加以高效、经济和合理地利用。

8、2022-6-208煤炭的种类煤炭的种类按大类分：按大类分： 腐植煤类：由高等植物形成。腐植煤类：由高等植物形成。 腐泥煤类：由低等植物形成。腐泥煤类：由低等植物形成。 腐植腐泥煤类：兼有两类植物的环境形成。腐植腐泥煤类：兼有两类植物的环境形成。按煤中含碳量或挥发分分：按煤中含碳量或挥发分分： 泥炭、褐煤（低煤阶褐煤和高煤阶褐煤）、烟煤（长泥炭、褐煤（低煤阶褐煤和高煤阶褐煤）、烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤、焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气中粘煤、气 煤、肥煤、煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤（低阶无烟煤、中阶无焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤（低阶无烟煤、中阶无烟煤、高阶无烟煤）、残植煤等

9、。烟煤、高阶无烟煤）、残植煤等。2022-6-209煤的分析煤的分析 工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳）工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳） 元素分析（元素分析（C、H、N、O、S） 发热量（弹筒、高位、低位）发热量（弹筒、高位、低位） 矿物质、灰成分和灰熔点矿物质、灰成分和灰熔点 分析基准：分析基准： 收到基（收到基（ar）、空气干燥基（）、空气干燥基（ad）、干燥基（）、干燥基（d）、干）、干燥无灰基（燥无灰基（daf）、干燥无矿物基（）、干燥无矿物基（dmmf）2022-6-2010煤的历史煤的历史-Ancient World 中国是最先大规模使用煤的国家，公元中国是最先大规模使用

10、煤的国家，公元300300年（西晋）煤用于冶金年（西晋）煤用于冶金( (铸造铸造) ) 和家庭和家庭取暖。取暖。 公元公元10001000年（北宋），煤已成为中国主要年（北宋），煤已成为中国主要燃料和能源。燃料和能源。 Marco PoloMarco Polo把中国人使用煤的方法传到西把中国人使用煤的方法传到西方，他在中国渡过了方，他在中国渡过了2424年，在年，在12951295年（元年（元朝）回到意大利朝）回到意大利VeniceVenice，“可以挖一种能可以挖一种能燃烧的黑石头作燃料燃烧的黑石头作燃料” 。 天工开物 1637 2022-6-2011煤的历史煤的历史-Middle Age

11、s 公元公元900年代，德国进行煤开采；年代，德国进行煤开采； 13世纪，商业化的煤开采遍布英国及欧洲大陆，煤世纪，商业化的煤开采遍布英国及欧洲大陆，煤开始用于过程加热开始用于过程加热( (如烧石灰如烧石灰CaCO3CaOCO2)，1226年，伦敦出现年，伦敦出现“ Lime Burners Lane or Sea coal Lane”街；街； 1414世纪，煤炭贸易开始世纪，煤炭贸易开始（13281328年从法国用船运送小麦到英国，英国年从法国用船运送小麦到英国，英国煤运回法国）煤运回法国）。但这以前煤的主要用途是家庭取暖或偶。但这以前煤的主要用途是家庭取暖或偶尔代替木炭用于金属加工；煤的用

12、途变得愈来愈广尔代替木炭用于金属加工；煤的用途变得愈来愈广泛，英国的煤矿也从南向北发展。泛，英国的煤矿也从南向北发展。 2022-6-2012环境问题环境问题 挖坑取煤留下的洞成为危险的陷井，导致不少人淹死挖坑取煤留下的洞成为危险的陷井，导致不少人淹死（其中在（其中在1243年年Ralph Ulger成为第一个记载的在煤坑成为第一个记载的在煤坑中淹死的人）；中淹死的人）； 煤的燃烧产生烟，使煤有了煤的燃烧产生烟，使煤有了“dirty fuel”的名声（第一的名声（第一个受到燃煤污染影响的重要人物是个受到燃煤污染影响的重要人物是Eleanor，英国，英国Edward I 的妻子，据说在的妻子，据

13、说在1257年，由于在城堡中烧煤年，由于在城堡中烧煤产生的烟使她放弃诺丁汉城堡）；产生的烟使她放弃诺丁汉城堡）； 伦敦成为严重空气污染最早的城市。由于烧石灰使用伦敦成为严重空气污染最早的城市。由于烧石灰使用大量煤造成空气质量的恶化，在大量煤造成空气质量的恶化，在1285和和1288年先后有年先后有人提出诉讼。迫使皇家发布了禁止用煤的告示。人提出诉讼。迫使皇家发布了禁止用煤的告示。 2022-6-2013Royal Proclamation Forbidding the use of sea coal because an “intolerable smell diffuses througho

14、ut the neighboring palaces and the air is greatly affected to the annoyance of the magnates, citizens, and others there dwelling and to the injury of their bodily health”.2022-6-2014煤的历史煤的历史-Renaissance 禁令禁令无法无法阻止煤的使用；阻止煤的使用； 1616世纪中，在英国开始大规模的采煤，但木材或木炭世纪中，在英国开始大规模的采煤，但木材或木炭仍然是优选燃料；仍然是优选燃料； 到到1717世纪初

15、，英国和欧洲大陆出现木材严重短缺，所世纪初，英国和欧洲大陆出现木材严重短缺，所以很多国家采用增加煤炭生产来弥补木材的减少，工以很多国家采用增加煤炭生产来弥补木材的减少，工厂也把煤作为主要能源。厂也把煤作为主要能源。2022-6-2015煤的历史煤的历史-Industrial Revolution 从木材向煤作为主要能源转移的一百年中，产生了二从木材向煤作为主要能源转移的一百年中，产生了二个重大的发现个重大的发现: :由于煤的开采向地球深层进发需要有动力来驱动水泵以保持矿井由于煤的开采向地球深层进发需要有动力来驱动水泵以保持矿井的干燥，这种需要导致的干燥，这种需要导致蒸汽机的发明蒸汽机的发明 ;

16、 ;由于木炭愈来愈少，需要有方法使在炼铁过程中用煤替代木炭，由于木炭愈来愈少，需要有方法使在炼铁过程中用煤替代木炭，炼铁工人学会了如何把煤转化为焦炭，这也使大规模炼铁工人学会了如何把煤转化为焦炭，这也使大规模廉价铁的生廉价铁的生产产成为可能。成为可能。 蒸汽机和便宜的铁为各种技术的广泛和惊人发展提供了基蒸汽机和便宜的铁为各种技术的广泛和惊人发展提供了基础。它也成为在西方文明史上的一个决定性的转折点础。它也成为在西方文明史上的一个决定性的转折点工工业革命业革命。2022-6-2016工业革命带来的重要变化工业革命带来的重要变化 从小规模的以家庭形式的制造业向大工厂的转变从小规模的以家庭形式的制造

17、业向大工厂的转变 : : 蒸汽机为大工厂的生产需要提供可靠的动力源，而蒸蒸汽机为大工厂的生产需要提供可靠的动力源，而蒸汽机的广泛应用又要求有大量廉价燃料的供给，而那汽机的广泛应用又要求有大量廉价燃料的供给，而那时能满足这一要求的只有煤炭。时能满足这一要求的只有煤炭。 在当时，具有丰富煤资源的国家是最能适应由工业革在当时，具有丰富煤资源的国家是最能适应由工业革命带来新的经济变化的国家，主要是英国、美国、德命带来新的经济变化的国家，主要是英国、美国、德国和法国。国和法国。 19世纪国家的政治力量大小对应于所拥有煤的多少，世纪国家的政治力量大小对应于所拥有煤的多少，在那个时代，煤就意味着在那个时代，

18、煤就意味着power，即动力和权力。，即动力和权力。 2022-6-2017Coal miners 1910Coal miners in Hazleton PA, USA, 1900 2022-6-2018煤炭生产量变化煤炭生产量变化 19世纪末，世界煤产量有很大增长，从世纪末，世界煤产量有很大增长，从1865年的年的1亿亿8千万吨到千万吨到 1905年达年达9亿亿3千万吨。千万吨。 但但1912年与年与1970 年世界的煤消耗量几乎不变，这期间年世界的煤消耗量几乎不变，这期间战时稍有增加，而在五十年代大萧条和衰退时下降。战时稍有增加，而在五十年代大萧条和衰退时下降。 1970年代发展中国家工

19、业化的增加以及中东石油危机年代发展中国家工业化的增加以及中东石油危机造成的石油价格冲击带动新的煤炭生产增长势头。造成的石油价格冲击带动新的煤炭生产增长势头。2022-6-2019Coal Production of the World, around 19056CountryYearShort TonsEurope United Kingdom1905236,128,936Germany (coal)121,298,167Germany (lignite)52,498,507France35,869,497Belgium21,775,280Austria (coal)12,585,263Aus

20、tria (lignite)22,692,076Hungary (coal)19041,031,501Hungary (lignite)5,447,283Spain19053,202,911Russia190419,318,000Holland466,997Bosnia (lignite)540,237Bosnia (lignite)540,237Romania110,000Serbia1904183,204Italy (coal and lignite)1905412,916Sweden322,384Greece (lignite)1904466,997AsiaIndia19058,417,

21、739Japan190310,088,845Sumatra1904207,280Africa Transvaal19042,409,033Natal19051,129,407Cape Colony1904154,272America United States1905350,821,000Canada19047,509,860Mexico700,000Peru190572,665Australasia New South Wales19056,632,138Queensland529,326Victoria153,135Western Australia127,364Tasmania51,99

22、3New Zealand1,585,7562022-6-2020石油、天然气对煤炭的影响石油、天然气对煤炭的影响石油、天然气的流体特性：易操作（用阀控制）；石油、天然气的流体特性：易操作（用阀控制）；可以用管道输送，易装卸；燃烧不产生灰。可以用管道输送，易装卸；燃烧不产生灰。United States1905350,821,000石油、天然气的出现，在西方国家煤炭的消耗比例逐石油、天然气的出现，在西方国家煤炭的消耗比例逐渐下降，如美国：渐下降，如美国： 194550年代末年代末196570年代末年代末65332520最大产煤国由最大产煤国由19世纪末以前的英国，世纪末以前的英国，19世纪末美国

23、，世纪末美国，1950年前苏联，到目前的中国。年前苏联，到目前的中国。United Kingdom1905236,128,9362022-6-2021煤使用量增长的几个因素煤使用量增长的几个因素 油和天然气迟早会供应不足；油和天然气迟早会供应不足； 更有效的燃煤及转化为合成燃料或化学品的新过程出更有效的燃煤及转化为合成燃料或化学品的新过程出现为煤的利用提供新的选择；现为煤的利用提供新的选择； 涉及到依靠从政治上不稳定地区进口能源的有关问题；涉及到依靠从政治上不稳定地区进口能源的有关问题； 第三世界的发展开辟了煤的新市场，而且已成为世界第三世界的发展开辟了煤的新市场，而且已成为世界用煤的焦点用煤

24、的焦点（1950年北美和西欧的煤生产量为世界年北美和西欧的煤生产量为世界65，到，到1987年美国和西欧只占年美国和西欧只占30，中国、前苏联、东德、波兰、捷克，中国、前苏联、东德、波兰、捷克占占65，目前，煤提供约，目前，煤提供约25的世界能源需求的世界能源需求(1950年是年是60) 。2022-6-2022未来能源未来能源 石油和天然气的供应将向少而贵的方向发展，必石油和天然气的供应将向少而贵的方向发展，必须开发须开发inexhaustible和和nonpolluting能源：能源： sunlight biomass wind nuclear fusionMore energy from

25、 sunlight strikes Earth in 1 hour than all of the energy consumed by humans in an entire year.2022-6-20232022-6-2024以石油为基础的经济向非污染和用之不尽的能源为以石油为基础的经济向非污染和用之不尽的能源为基础的经济过渡中的三个选择：基础的经济过渡中的三个选择： 接受新的生活方式，包括消耗更少的能源接受新的生活方式，包括消耗更少的能源( (难以难以接受接受) )； 增加利用核能增加利用核能( (舆论舆论) )； 增加利用煤增加利用煤( (唯一选择唯一选择) )。1970s煤炭工业的

26、口号：煤炭工业的口号：Coal is American Ace in the hole (备而未用的王牌备而未用的王牌) 2022-6-2025现代工业文明对能源的要求现代工业文明对能源的要求电力电力运输燃料运输燃料从矿物中提炼金属和化学品（如炼铁）从矿物中提炼金属和化学品（如炼铁）化工产品，包括塑料、药品、化肥化工产品，包括塑料、药品、化肥过程热，即在化学工业及金属加工中用于锅炉、过程热，即在化学工业及金属加工中用于锅炉、熔化、退火改型等所需的热熔化、退火改型等所需的热 结论：煤可以满足所有这些需要结论：煤可以满足所有这些需要 2022-6-2026煤化工的范畴煤化工的范畴 煤化工是以煤为原

27、料，经过化学加工使煤转化为气体、煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。液体和固体燃料以及化学品的过程。2022-6-2027一、从煤生产电一、从煤生产电 2022-6-20282022-6-20292022-6-20302022-6-20312022-6-20322022-6-2033中国中国2008年发年发电量电量: 34668.8 亿亿kwh水电水电:5851.9 亿亿kwh火电火电:27900.8 亿亿kwh核电：核电：1.3% 2022-6-2034Power BargeLM5000 Barge Mounted Power PlantMoore

28、d in Chittagong, Bangladesh2022-6-2035Mobile Type Gas Turbine Power PlantLM1500 Mobile Type Gas Turbine2022-6-2036Combined Cycle Power PlantCarson Energy LM5000 Combined Cycle Plant located in California, USA 2022-6-2037发电发电技术技术煤浆燃烧及传统的粉煤燃烧的热效率约为煤浆燃烧及传统的粉煤燃烧的热效率约为36-42%2022-6-20382022-6-2039IGCC的特点的

29、特点目标发电效率目标发电效率48%-50%， CO2排放达到燃油电厂水平。排放达到燃油电厂水平。2022-6-2040原料的灵活性原料的灵活性低的空气污低的空气污染物排放染物排放2022-6-2041炉渣的利用（可炉渣的利用（可用于沥青路面、用于沥青路面、水泥添加料）水泥添加料）与传统与传统PCF相比，冷却相比，冷却水降低水降低30%。降低设施用水消耗降低设施用水消耗（PCF中烟道气脱硫消中烟道气脱硫消耗大量水，在耗大量水，在IGCC中中处理的是燃气，其体积处理的是燃气，其体积远低于烟道气）。远低于烟道气）。2022-6-20422022-6-2043煤浆燃烧(slurry combustio

30、n) 燃水煤浆比燃原煤可提高燃烧效率5-10%，节能20%，并可降低烟尘排放量。 使用煤浆可改变传统的运煤方法（铁路、公路、水路），可通过管线输送。 在煤浆配比中减少或增加某些成份可以减少在燃烧过程中灰和硫的产生（如在褐煤浆中减少Na含量，可以减少在锅炉管是灰的沉积）。 水煤浆燃烧的关键问题关键问题是燃烧器的设计。2022-6-2044联合循环发电（联合循环发电（CCPCCP）系统类型）系统类型 煤在压力流化床锅炉中燃烧并脱硫，锅炉产生的蒸汽推动汽轮机； 高压下产生的热气体经除尘净化后供给气体透平，进透平气体温度不高于950oC; 热效率比常规同参数蒸汽循环机组可提高3-5%; 脱硫效率可达9

31、9; Ox排放只是常规电站的15-30; 耗水量只是常规电站的 1/2-1/3。增压流化床燃煤联合循环发电增压流化床燃煤联合循环发电 （PFBC-CCPFBC-CC）2022-6-2045煤气化联合循环发电煤气化联合循环发电(IGCC)(IGCC) 煤气化产生燃料气体供气体透平。 优点是较高的进口温度，提高气体透平的效率。 但按目前的透平技术进气最高温度不超过1100。 如允许更高进气温度的透平(如达到1400-1500，效率可达到43-45 ) 。 常压流化床燃煤联合循环发电常压流化床燃煤联合循环发电(AFBC-CC)(AFBC-CC)2022-6-2046流化床燃烧炉(Fluidized-

32、bed combustors) 燃料范围宽(不仅可用各种煤，还可烧石油、木材，废弃的燃料)，这大大增加安排燃料供应的灵活性。 操作灵活，输出范围设计满负荷甚至空运行。可根据外界供电需要随意调整。减少SOx和NOx的生成。由于它的床层温度一般在760-950，低于其它类型的燃烧炉。可采用炉内脱硫方法，排除烟道气脱硫系统(占1/3投资) 2022-6-2047煤煤热能热能机械能机械能电电2022-6-2048磁流体发电技术Magnetohydrodynamics (MHD) 燃煤直接产电(即没有介入机械能转变步骤)的技术 。原理：导体运动通过磁场产生电流 。过程：在燃煤的MHD中，煤用预热氧或富氧

33、空气燃烧产生温度多达2700 的燃烧气体；超热气体通过一个导管，导管的两面墙为电极，在导管的垂直方向设一个强的磁场，为了使燃烧气体导电，加入容易离子化的晶种(通常为钾K),离子化的传导燃烧气通过磁场产生电流，并由电极流出。2022-6-2049需要解决的问题由于高热气体(远远高于传统的燃烧系统，甚至气体透平)，对导管材料的选择成为关键，再加上导管的两壁为导体，其它两壁为绝缘体，使问题更复杂，更重要的是在商业化工厂，导管必须具备长的使用时间、最少的维护。用于晶种K(钾)的费用大于原煤。据估计，为达到经济的操作，钾的回收率必须达99。 2022-6-2050发电效率 加入蒸汽循环后的MHD系统大大

34、地改善了总的效率，据估计，对大规模的MHD加蒸汽循环发电厂的效率在45至55。 热功率热功率25兆瓦燃煤磁流体发电机实验装备兆瓦燃煤磁流体发电机实验装备 该实验装备于1990年基本建成，1992年底开始发电，迄今已经进行发电试验14次，最长连续发电达2小时10分钟，峰值发电功率130.8千瓦，成为研究燃煤磁流体发电机的燃烧室和发电通道的重要实验研究基地。 2022-6-2051电化学过程 (Electrochemical processes) 煤煤热能热能机械能机械能电电由煤直接生产电 煤煤热能热能机械能机械能电电2022-6-2052煤直接生产电 原理：原理：C+O2 CO2 最理想的过程是

35、碳、氧和最理想的过程是碳、氧和CO2都在同一温度，在一个都在同一温度，在一个几乎可逆的系统中进行，但不可能达到。几乎可逆的系统中进行，但不可能达到。 要达到近似的可逆系统，保持反应物和产物在相同温要达到近似的可逆系统，保持反应物和产物在相同温度的方法是把煤的氧化过程组成一个电池度的方法是把煤的氧化过程组成一个电池燃料电池燃料电池 。 在燃料电池中，反应剂与电极是分开的，只有需要产在燃料电池中，反应剂与电极是分开的，只有需要产电时，才与电极接触。电时，才与电极接触。 以煤为基础的燃料电池有两种选择：直接电池和间接以煤为基础的燃料电池有两种选择：直接电池和间接电池。电池。 2022-6-2053直

36、接电池 Carbon（煤）为负极（煤）为负极 铜和铁作为正极铜和铁作为正极 (但在研究中，用贵金属如铂、银、金但在研究中，用贵金属如铂、银、金为正极为正极) O2在正极电离在正极电离 以以NaOH或次氯酸钠为电介质或次氯酸钠为电介质 净化学反应是净化学反应是C+O2=CO2 研究焦点：用融熔盐作为电介质研究焦点：用融熔盐作为电介质2022-6-2054间接电池 用CO或由煤气化得到的CO+H2替代Carbon电极与O2反应；理论上，间接电池回收按由C转变为CO2的约65能量，但间接电池通常可产生较高的电压。 NiO正极Pt负极熔融Na2CO3+K2CO3H2+COO2研究的例子：熔融碳酸盐燃料

37、电池需要解决的技术问题：电介质对电极润湿和电极的腐蚀。 2022-6-2055电池类型电池类型碱性燃料碱性燃料电池电池质子交换膜质子交换膜燃料电池燃料电池磷酸燃料磷酸燃料电池电池熔融碳酸盐熔融碳酸盐燃料电池燃料电池固体氧化物固体氧化物燃料电池燃料电池简称简称AFCPEMFCPAECMCFCSOFC电解质电解质KOHPEM磷酸磷酸Li2 CO3- K2 CO3YSZ致密氧化物透氧膜电解质形态电解质形态液体液体固体固体液体液体液体液体固体固体阳极阳极Pt/NiPt/CPt/CNi/Al,Ni/CrNi/YSZ工作温度工作温度502006080150220约约6509001050应用应用空间，机动空

38、间，机动车车电站，机动电站，机动车便携式电车便携式电源源共发电，机共发电，机动车，轻便动车，轻便电源电源共发电共发电共发电共发电主要燃料电池及其特性表主要燃料电池及其特性表2022-6-2056Fuel Cells1MW MCFC (125 kW unit)熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池2022-6-2057O2O2O2O2-O2-O2-O2-O2-H2, COH2O,C O2负载负载e空气空气燃料燃料阴极阴极电解质电解质阳极阳极固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFCSOFC）反应）反应2022-6-2058煤煤低温热低温热分解分解气体气体精制精制送电送电CO2送电送电800C

39、O2 （H2O）气化炉气化炉10001000CO、H2空气空气燃料电池燃料电池油料油料空气空气分离分离CO2 无机膜无机膜2022-6-2059Vision 212022-6-2060Vision 212022-6-2061Vision 212022-6-2062Vision 212022-6-2063Vision 212022-6-2064从煤中得到运输燃料从煤中得到运输燃料(TRANSPORTATION FUELS FROM COAL)蒸汽：蒸汽：用于燃煤蒸汽机车用于燃煤蒸汽机车 。 采用串联流化床燃烧器（在第一个流化床中燃烧煤，采用串联流化床燃烧器（在第一个流化床中燃烧煤，而在第二个流化

40、床用石灰石捕捉氧化硫而在第二个流化床用石灰石捕捉氧化硫) )。这种系统不仅。这种系统不仅可使用高硫煤，而且由于相对较低的燃烧温度可排除氮可使用高硫煤，而且由于相对较低的燃烧温度可排除氮氧化物和大块灰渣的生成。氧化物和大块灰渣的生成。2022-6-2065煤浆煤浆（Coal Slurries）煤浆煤浆：目的是替代在内燃机车中使用的石油基燃料：目的是替代在内燃机车中使用的石油基燃料。在在内燃机车使用煤浆提出两个问题：内燃机车使用煤浆提出两个问题： 煤浆中的水引起较长的煤浆中的水引起较长的ignition delay，难以保证机车发动，难以保证机车发动机大约机大约1000 rpm 的高速运转。的高速

41、运转。 在燃烧中产生的灰将加速发动机的磨损。在燃烧中产生的灰将加速发动机的磨损。 2022-6-2066液体燃料液体燃料 (Liquid Fuels) 通过煤直接或间接液化生产液体燃料，可替代目前使通过煤直接或间接液化生产液体燃料，可替代目前使用的来自石油的燃料用的来自石油的燃料 。 成功例子：二次世界大战期间的德国，成功例子：二次世界大战期间的德国，1950年代以来年代以来的南非，都从煤中得到液体燃料。的南非，都从煤中得到液体燃料。 除了特定的环境以外，是否从煤中商业化生产液体燃除了特定的环境以外，是否从煤中商业化生产液体燃料取决于和来自石油的燃料价格的竟争而定。料取决于和来自石油的燃料价格

42、的竟争而定。 2022-6-2067在在1970 年代末提出的交叉点年代末提出的交叉点( cross-over point)估计：估计： 1 1桶原油必须达到的比一桶煤液化燃料要贵的价桶原油必须达到的比一桶煤液化燃料要贵的价格，这个交叉点因人因时在格，这个交叉点因人因时在40-8040-80美元之间。美元之间。 “Coal liquefaction is the technology of the future and always will be” 悲观论：这个交叉点永远也不可能达到悲观论：这个交叉点永远也不可能达到 。原油价格液化油价格价格年代交叉点2022-6-2068煤液化技术研究 与

43、石油价格密切相关。从与石油价格密切相关。从70年代初（石油危机）的快年代初（石油危机）的快速增长到速增长到80年代初（油价跌至年代初（油价跌至$10/barrel)$10/barrel)迅速下降迅速下降 ，到目前重新重视。到目前重新重视。 据估计，从煤中生产液体燃料在据估计，从煤中生产液体燃料在21世纪的某个时候以世纪的某个时候以前商业化是不可能的。前商业化是不可能的。 对煤分子结构，断键反应的基础研究结果可能会引发对煤分子结构，断键反应的基础研究结果可能会引发新的煤液化技术的开发新的煤液化技术的开发( (在温和的温度和压力下在温和的温度和压力下) )，这，这些技术开发可使设备费下降，从而有可

44、能得到低成本些技术开发可使设备费下降，从而有可能得到低成本的产品。的产品。 2022-6-2069煤变油的方法煤变油的方法 煤直接液化煤直接液化 煤间接液化（煤间接液化（F-T合成）合成） 煤热解煤热解2022-6-20702022-6-2071煤炭液化的原理煤炭液化的原理CH4原油原油苯苯煤煤H/C4210.50.8提高提高H/C比的方法：比的方法： 加氢加氢 或或/和和 脱碳脱碳煤炭的直接液化煤炭的直接液化是煤在溶剂、催化剂和氢气存在下，是煤在溶剂、催化剂和氢气存在下，通过高温（通过高温（400-500oC）、高压（）、高压（1025 MPa）反应）反应得到液体产品的过程。得到液体产品的过

45、程。结果：结果：煤的大分子结构分解成小分子、提高了煤的大分子结构分解成小分子、提高了H/C、脱除煤中的杂原子和无机矿物质。脱除煤中的杂原子和无机矿物质。2022-6-20722022-6-20732022-6-2074The Victonian Brown Coal Liquefaction 50T/D Pilot Plant2022-6-2075煤液化过程研究煤液化过程研究 改善热效率：增加煤油比；改善热效率：增加煤油比； 改善油产率：通过优化过程条件和煤预处理等改善油产率：通过优化过程条件和煤预处理等 。 改善过程可靠性：通过改善煤性质（如：预处理）防腐和改善过程可靠性：通过改善煤性质（如

46、：预处理）防腐和防垢。防垢。 液化油的提质：改善产品价值和安全性。液化油的提质：改善产品价值和安全性。2022-6-20762022-6-20772022-6-2078先进煤液化工艺基础研究先进煤液化工艺基础研究目标：改善油产率和热效率目标：改善油产率和热效率1.高活性和高分散催化剂的开发高活性和高分散催化剂的开发2.无残渣（完全转化）液化过程的开发无残渣（完全转化）液化过程的开发3.温和条件液化过程的开发温和条件液化过程的开发2022-6-2079Complete Conversion Process2022-6-2080中国煤炭直接液化的研究与开发中国煤炭直接液化的研究与开发 煤炭直接液化

47、高效催化剂的研究与开发煤炭直接液化高效催化剂的研究与开发 煤炭直接液化关键技术的研究与开发煤炭直接液化关键技术的研究与开发 神华煤直接液化技术的商业化神华煤直接液化技术的商业化2022-6-2081煤炭直接液化高效催化剂的研究与开发煤炭直接液化高效催化剂的研究与开发 得到国家得到国家863计划支持计划支持 低价格：因催化剂产生的吨油生产成本大约为低价格：因催化剂产生的吨油生产成本大约为20元元. 易操作：催化剂的合成在常压和常温下进行，安全性好，易操作：催化剂的合成在常压和常温下进行，安全性好，催化剂具有好的重复性。催化剂具有好的重复性。高的催化活性：催化剂的加入高的催化活性：催化剂的加入量只

48、有干煤的量只有干煤的0.5%1.0% ，煤，煤转化率大于转化率大于90 wt%daf, 油产率油产率大于大于 60 wt%daf。2022-6-2082煤炭直接液化关键技术的研究与开发煤炭直接液化关键技术的研究与开发 小试：小试：2002年7月-2003年底 建立0.12t/d的连续煤直接液化装置; 运转10次共207天（约5000 h) 煤直接液化试验.中试（中试（PDU） 2003年10月至2004年9月建立6 t/d PDU装置并在2004年12月成功地进行神华煤的液化试验. 在对PDU进行优化和改造的基础上，2005年11月进行第2次试验，并连续运转了18天。 2006年底成功地进行了

49、第3次试验（3000 h） ，基本解决了存在的问题，为工业化提供重要的保证。2022-6-20836 t/d PDU 试验结果试验结果 蒸馏油（蒸馏油（Distillate）产率）产率: 56%58% 转化率转化率: 90%92% 气体产率气体产率: 12%14% 水产率水产率: 11%13% 氢耗氢耗: 5%7%2022-6-2084神华煤直接液化技术的商业化神华煤直接液化技术的商业化 神华煤直接液化项目于神华煤直接液化项目于2004年年8月落地鄂尔多斯伊金霍月落地鄂尔多斯伊金霍洛旗。洛旗。2008年年12月月31日建成试车，运行日建成试车，运行300小时。小时。 神华煤直接液化项目总建设规

50、模为年产油品神华煤直接液化项目总建设规模为年产油品500万吨，万吨，分二期建设。分二期建设。 一期工程设计规模为年产油品一期工程设计规模为年产油品320万吨，由三条主生产万吨，由三条主生产线组成，包括煤液化、煤制氢、溶剂加氢、加氢改质、线组成，包括煤液化、煤制氢、溶剂加氢、加氢改质、催化剂制备等催化剂制备等14套主要生产装置。一期工程总占地面套主要生产装置。一期工程总占地面积积384公顷。公顷。 建设的第一条生产线，煤直接转液化示范总投资建设的第一条生产线，煤直接转液化示范总投资123亿亿元，建成投产后，每年用煤量元，建成投产后，每年用煤量345万吨，可生产各种油万吨，可生产各种油品品108吨

51、，其中液化石油气吨，其中液化石油气10.2万吨，柴油万吨，柴油72万吨、石万吨、石脑油脑油25万吨、酚等其他产品万吨、酚等其他产品0.8万吨。万吨。 2022-6-2085神华煤直接液化技术的商业化神华煤直接液化技术的商业化 神华集团的目标是：神华集团的目标是： 到到2010年煤炭生产大于年煤炭生产大于200 Mt/a，由煤炭液化得到的油，由煤炭液化得到的油和化学品达到和化学品达到10 Mt/a。 到到2020年煤炭生产大于年煤炭生产大于300 Mt/a，由煤炭液化得到的油，由煤炭液化得到的油和化学品达到和化学品达到30 Mt/a。2022-6-20862022-6-2087Demonstra

52、tion plant with capacity of 1 Mt/aPlanned construction period: 4 years2022-6-2088Shenhua DCL demonstration plant2022-6-2089Constructing Shenhua DCL demonstration plantTaken on June 18, 20082022-6-2090Constructing Shenhua DCL demonstration plant2022-6-2091Main Products of DCL Demonstration Plant Prod

53、uct: 100,000 t/a LPG 10.21 Naphtha 24.99 Diesel 71.46 Phenol 0.36 Total 107.022022-6-2092神华煤液化技术的主要特点神华煤液化技术的主要特点 设备超大型化，处理能力大设备超大型化，处理能力大, 效率高：单套原料煤效率高：单套原料煤处理能力达处理能力达6000 t/d；采用两个强制循环悬浮床反；采用两个强制循环悬浮床反应器。应器。 先进的煤液化工艺，温和的反应操作条件。先进的煤液化工艺，温和的反应操作条件。 新型高效的煤液化催化剂。新型高效的煤液化催化剂。 采用先进成熟的单元工艺技术的优化组合采用先进成熟的单元

54、工艺技术的优化组合 - 成熟的减压蒸馏技术进行固液分离，使残渣带走的油只占成熟的减压蒸馏技术进行固液分离，使残渣带走的油只占塔底物的塔底物的3%左右；左右； - 供氢溶剂全部加氢以提高溶剂的供氢能力；供氢溶剂全部加氢以提高溶剂的供氢能力； - 采用采用T-Star 工艺对液化粗油进行精制工艺对液化粗油进行精制。2022-6-2093项目采用的先进技术项目采用的先进技术煤液化反应器：煤液化反应器：2.25Cr-1Mo-1/4V, 反应器外径反应器外径5.5m, 壁厚壁厚335mm, 设备单体设备单体质量达质量达2050 t, 是目前世界上最大的反应器。是目前世界上最大的反应器。煤制氢装置：煤制氢

55、装置：Shell 粉煤加压气化工艺粉煤加压气化工艺, 气化炉有效气体气化炉有效气体( CO+H2) 生产能力为生产能力为150,000 m3/h。空分装置：德国林德公司空分技术空分装置：德国林德公司空分技术, 由两条生产线组成由两条生产线组成, 单条生产线制氧能力单条生产线制氧能力为为50,000m3/h。自备电站：神华煤直接液化项目一期工程第一条生产线用电负荷为自备电站：神华煤直接液化项目一期工程第一条生产线用电负荷为142MW, 需工业蒸汽需工业蒸汽400 t/h, 年排出油渣年排出油渣60万万t、洗中煤、洗中煤33万万t, 可燃性化工尾气可燃性化工尾气14,000m3/h30,000m3

56、/h。自备电站的燃料主要来源于煤直接液化所产生的。自备电站的燃料主要来源于煤直接液化所产生的油渣、洗中煤和可燃性化工尾气油渣、洗中煤和可燃性化工尾气, 不足部分补充洗中煤不足部分补充洗中煤, 电站总装机容量为电站总装机容量为500 MW, 其中一期工程装机容量为其中一期工程装机容量为200 MW。水处理装置：克劳斯法处理酸性气体进行硫回收。水处理装置：克劳斯法处理酸性气体进行硫回收。控制系统：控制系统：Honeywell为项目提供为项目提供9 套集散控制系统套集散控制系统( DCS) 、2 套紧急停车套紧急停车系统系统( ESD) 、3 套安全栅、套安全栅、9 套可燃气体及有毒气体检测报警系统

57、套可燃气体及有毒气体检测报警系统, 以及相关以及相关的机柜、系统接口、系统集成和备品备件的机柜、系统接口、系统集成和备品备件, 以保证项目的整体运行安全、可靠以保证项目的整体运行安全、可靠和高效。和高效。2022-6-2094State programming on coal chemical industry In Medium and Long Term Coal Chemical Industry Development Plan of NDRC: To invest more than US$128 billion to develop 7 alternative coal based

58、 synthesized fuel and chemicals technologies to reduce the import dependent of oil demand. To 2020, the capacity of coal to liquid will be 30 Mt/a, coal to methanol 66 Mt/a, coal to DME 20 Mt/a, and coal to olefins 8 Mt/a. Coal consumption in coal to oil and chemicals will be 252 Mt/a. More than 30

59、coal based projects are being planned or constructed. 2022-6-2095 In 11th Five-Year Plan (2006-2010) for Coal Industry Development of NDRC: To complete industrial demonstrations of CTL and coal to olefin in the “eleventh five year” period. 1) constructing a 1 Mt/a direct coal liquefaction demonstrat

60、ion plant and completing industrial demonstration of the self-owned direct coal liquefaction technology; 2) constructing a 3 Mt/a indirect coal liquefaction plant through importing the oversea mature technology and completing demonstration of commercial operation; 3) by using different technologies,