《能源概论》第2章-煤炭

常规能源篇第2章煤炭第3章石油第4章天然气第5章电能第2章煤炭2.1煤炭在我国能源结构中的地位2.2煤的形成2.3煤的组成结构与品质2.4煤的开采与运输2.5煤的燃烧和污染2.6煤的洁净技术2.7煤炭液化2.8煤的气化2.9煤的综合利用2.1煤炭在我国能源结构中的地位全球的化石燃料的总储量中，煤炭约占80%。另外，以现代开采和利用煤炭的速率计算，世界煤炭资源尚能使用几百年。总储量为107500亿吨标准煤。可采储量为10391亿吨。我国煤炭资源分布分布特点:极不均衡，东少西多、南少北多。我国是一个富煤、贫油、少气的能源大国。煤炭是我国的主要能源，其消费量占我国总能源的62%。我国和世界平均一次能源结构比较

煤是有机生物岩，它蕴藏于地层之中，由不同地质年代的植物所形成。远古植物遗体在地表湖沼或海湾环境中随着地壳的变动被埋入地下，长期处在温度、压力较高的环境中，原植物中的纤维素、木质素经脱水腐蚀，其含氧量不断减少，而碳质不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量高的固体碳氢燃料——煤。2.2煤的形成煤形成过程示意图在某些煤层中以及接近煤层的顶、底板岩层中，经常能找到保存完整的植物化石。在某些年轻褐煤中，有时还能找到外形保存颇为完整的树干（矿化木）。所有这一切都表明煤主要是由古代植物演变而来的。煤的形成条件示意图：形成煤田必须具备的四个条件：①气候温暖潮湿以及为植物的繁茂生长创造的有利条件；②植物死亡后大量残骸的堆积；③适宜的植物残骸堆积地形，如广阔的滨海、湖泊、沼泽地、盆地和地堑等低洼地带，有利于植物群落的发展及植物残骸浸没水中受厌氧菌作用发生变化并保存下来；④地壳运动，如地壳缓慢下降或海平面升高，使植物残骸容易积聚，并逐渐被泥沙等沉积物覆盖，从而发生一系列生物化学和地球化学作用，逐渐形成煤炭。煤的定义煤（coal）又称煤炭，棕色至黑色的可燃烧的类似岩石的固体。煤是由地史时期堆积的植物遗体（有时也含少量浮游生物遗体）经过复杂的物理、化学、生物和地质作用后转变而形成，是由多种结构极其复杂的有机化合物、矿物质和水分组成的混合物。其中有机物含量约为60％～90％，以碳（C）为主，其次是氢（H），并含有少量氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素，以这些元素组成的有机化合物称为煤的可燃化合物，或称为煤的可燃质。矿物质含量约为5％～40％，成分以硅、铝、钙、镁、铁等元素及其盐、氧化物以及微量氯元素和氯化物为主。矿物质在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物称为灰分；水分含量1％～60％，可分为化合结晶水及游离水。矿物质灰分及水分在燃烧过程中不产生热量，称为煤的杂质。泥煤（peat）又称泥炭、草炭。可燃性有机岩的一种，由植物遗骸在沼泽中受厌氧细菌的生物化学作用，逐步转变为具有芳香族结构的可燃物，是成煤作用初级阶段的产物，亦被称为最年轻的煤，在结构上还保留有植物遗体的痕迹。与其他煤种相比，泥煤含氧量最高，达28%～30%，含碳量较低。与煤炭相关的一些术语泥煤的颜色为黄褐色到棕黑色，质地疏松，吸水性强，含天然水分高达40%以上，为低热值燃料。在使用上，泥煤挥发性高，可燃性好，反应性强，含硫量低，机械性能很差，灰分熔点很低。泥煤既可作燃料又可作原料，并可制取肥料，还可精制药物等。工业上泥煤主要用于烧锅炉和作气化原料，但工业价值不大。褐煤（browncoal）植物经过成岩作用，没有或很少经过变质作用形成的煤。褐煤是泥煤经过进一步变化后生成的，由于能将热碱水染成褐色而得名。褐煤在性质上与泥煤有很大不同，它的密度较大，含碳量较高，氢和氧的含量较小，挥发分产率较低。褐煤粘结性弱，在空气中极易风化，并碎裂成小块，块煤加热后破碎严重；热稳定性差，极易氧化和自燃，吸水性较强。褐煤一般用作动力燃料，亦可作为气体、液体燃料和化工产品的原料。烟煤（bituminouscoal）煤化程度较高的煤，介于褐煤与无烟煤之间。外观一般为灰黑色至黑色，光泽强。与褐煤相比，挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳量增加，氢和氧的含量较低，燃烧时有烟，发热量高。烟煤是工业上的主要燃料，也是化学工业的重要原料。无烟煤（anthracite）煤化程度最高、年龄最老的煤种。无烟煤外观呈深灰色至钢灰色；粉末深黑色，具有似金属光泽，其特点是密度大、含碳量高、挥发分极少，组织密实、坚硬、吸水性小。发热量高，燃烧时多不冒烟，燃点高。无烟煤既是工业、民用的主要燃料，又是重要的化工和其他工业原料。煤的形成过程：

高等植物：

植物---泥炭---褐煤---烟煤---无烟煤

低等生物：

植物---腐泥---腐泥煤

成煤的三大作用1a.泥炭化作用（peatification）高等植物遗体在沼泽中堆积经历生物、化学作用形成泥炭的复杂而漫长过程。其经历的生物化学作用大致有：①植物遗体中的有机化合物经过氧化和水解作用降解为结构较简单的、化学性质较活泼的化合物；②降解产物相互作用进一步合成新的较稳定的有机化合物两个阶段。在泥炭化过程中，植物遗体中的化学组成和结构产生了根本的变化，蛋白质消失、木质及纤维素减少，而大量产生腐植酸，碳含量比植物增高，氮含量亦有增加，氧含量减少。1b.腐泥化作用（sapropelization）低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化形成腐泥的漫长过程。浮游软体动物及藻类等低等植物的遗体在缺氧的还原环境中被厌氧细菌分解，形成富含水分的絮状胶体物质，经进一步变化、脱水、致密而形成腐泥。

2.成岩作用（diagenesis）疏松的沉积物经过一定的物理、化学和生物化学变化而形成固结岩石的过程。成岩作用主要有压固、胶结和重结晶等作用方式。就煤的形成过程而言，特指泥炭转变为褐煤的作用。3.变质作用（metamorphism）煤层在温度、压力的作用下，向褐煤、烟煤、无烟煤变化的过程。经成岩作用所形成的煤层，随地壳运动与含煤岩系一起沉降到地表以下的不同深度，在温度、压力的作用下进一步发生变质，经褐煤阶段，转变为烟煤、无烟煤，乃至石墨或天然焦等。煤的形成过程：

高等植物：

植物---泥炭---褐煤---烟煤---无烟煤

泥炭化作用成岩作用变质作用低等生物：

植物---腐泥---腐泥煤

腐泥化作用煤的转变过程2.3煤的组成结构与品质煤炭不同于一般的高分子有机化合物或聚合物，它具有特别的复杂性、多样性和非均一性。即使在同一小块煤中，也不存在一个统一的化学结构。迄今为止尚无法分离出或鉴定出构成煤的全部化合物。图2-2煤的经典结构图2-3Wiser化学结构模型所含元素主要成分是碳、氢、氧元素；还有少量的氮，硫及微量的磷、砷、氯等元素。煤的元素组成碳是产生热量的重要元素，其热值可达34MJ/kg。氢的燃烧热约为碳的4.2倍。表2-1中国煤炭分类2.4煤的开采与运输《天工开物》中的采煤图采煤方法1：露天开采采煤方法2：矿井开采瓦斯，Gas，原意就是气体，包括各种可燃和不可燃气体。在煤炭行业，瓦斯特指煤矿中以甲烷（CH4）为主的混合气体。什么是瓦斯？矿井瓦斯爆炸是一种热链式反应（也叫链锁反应）。就本质而言，瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气产生的激烈氧化反应。

瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒伤亡。运输方式1：水运煤炭运输运输方式2：铁路煤炭运输运输方式3：公路运输煤炭运输管道输煤是当今世界先进的运输方式之一，它可以减少运输污染，提高发电用煤的质量，综合效益显著。2.5煤的燃烧和污染一次反应为：C（s）＋O2（g）→CO2（g）＋409.15kJ/molC（s）＋1/2O2（g）→CO（g）＋110.52kJ/mol二次反应为：C（s）＋CO2（g）→2CO（g）－162.63kJ/mol2CO（g）＋O2（g）→2CO2（g）＋571.68kJ/mol总反应为：xC（s）＋yO2（g）→mCO2（g）＋nCO（g）煤的燃烧反应煤燃烧后进入大气的悬浮粒子包括灰粒子、微量金属和碳氢化合物、烟等，是我国大气中最严重的空气污染物，对人的健康威胁最大。煤燃烧时排放的二氧化硫（SO2）是大气污染的元凶。1999年中国向空间排放的SO2总量为1857万吨，烟尘排放量为1159万吨。

煤中硫分燃烧时的主要化学反应如下：

3S+4O2→2SO2+2SO3

4FeS2+11O2→8SO2+2Fe2O3

CxHyS2＋(2+x+y/4)O2→2SO2+xCO2+y/2H2OSO2排放量的90%，NOx排放量的60%都来自于燃煤。全国SO2排放总量超过环境承载能力的70%左右。图1-4中国1981～2002年间SO2和烟尘排放情况2.6煤的洁净技术洁净技术解燃“煤”之急。燃烧前的处理和净化技术（1）洗选处理洗选处理是除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级，以满足不同用户需要。