煤炭加工利用

一、背景

我国是一个“富煤少油缺气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中，我国的煤炭占世界总量的12.6%，石油占1.4%，天然气占1.2%。全国石油探明可采剩余产量有限，但煤炭资源比较丰富，全国累计探明煤炭保有储量超过1万亿t，经济开采储量达1145亿t。这种化石能源资源的禀赋特点决定了我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家。煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的，含碳量一般为46%～97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。煤在地球上的储量非常丰富。二、煤炭简述煤的元素组成

煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳（C，82%~93%）、氢（H，3.6%~5%）、氧（O，1.3%~10%）、氮（N，1%~2%）四种元素构成，还有一些元素则组成煤中的无机物质，主要有硫（S）、磷（P）以及稀有元素等。世界上所有的元素均可在煤中找到。煤是黑色黄金。1.煤炭的氢含量和氢碳比比石油低，氧含量比石油高；2.煤炭的分子量大，有的甚至大于1000，石油约为200；3.煤炭的化学结构复杂，为高聚物，石油为烷烃、环烷烃和芳烃的混合物；4.煤炭含有大量以细分散组分形式存在的无机矿物质和吸附水，还含有数量不定的杂原子（氧、氮、硫）、碱金属和微量元素。煤炭和石油的区别煤炭和石油的元素含量百分比威斯化学结构模型煤炭的化学结构模型是各种结构参数和假设的统计平均模型。迄今为止，比较全面合理的煤炭的化学结构模型是威斯化学结构模型，它基本上反映了煤炭分子结构的现代概念，可以解释煤炭化学反应（包括液化）的许多性质。煤炭的化学结构三、煤的分类

煤的科学分类为煤炭的合理开发和利用提供了基础，通常最简单的分类方法是根据煤中干燥无灰基挥发分含量将煤分成褐煤、烟煤和无烟煤三大类。褐煤烟煤无烟煤煤种干燥无灰基挥发分含量（%）LHV（MJ/kg）无烟煤≤926~33烟煤9~4520~33褐煤40~6610~17煤的分类方法煤种干燥无灰基挥发分含量（%）LHV（MJ/kg）无烟煤≤9＞

20.9贫煤9~19＞

18.4低挥发分烟煤19~30＞16.3高挥发分烟煤30~40＞15.5褐煤40~50＞

11.7我国动力煤的分类方法各煤种的用途

无烟煤：是煤化程度最高的煤，含碳量90%以上。特点：挥发分低、比重大、硬度高、燃烧时烟少、火苗短、火力强。无烟煤通常作民用和动力燃料；质量好的无烟煤可作气化原料、高炉喷吹和烧结铁矿石的燃料以及作铸造燃料等；用优质无烟煤还可以制造碳化硅、碳粒砂、人造刚玉、人造石墨、电极、电石和炭素材料。中国无烟煤需求行业烟煤：燃烧时火焰较长而有烟的煤，煤化程度较大的煤。外观呈灰黑色至黑色，粉末从棕色到黑色。由有光泽的和无光泽的部分互相集合合成层状，沥青、油脂、玻璃、金属、金刚等光泽均有，具明显的条带状、凸镜状构造。该种煤含碳量为75％～90％，不含游离的腐殖酸。大多数具有粘结性；发热量较高。燃烧时火焰长而多烟。多数能结焦。根据挥发分含量、胶质层厚度或工艺性质，可分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤、瘦煤等。用作炼焦、炼油、气化、低温干馏及化学工业等的原料，也可直接用作燃料。褐煤：又名柴煤，是煤化程度最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。由于它富含挥发份，所以易于燃烧并冒烟。剖面上可以清楚地看出原来木质的痕迹。含有可溶于碱液内的腐殖酸。含碳量60％～77％。主要用于发电厂的燃料，也可作化工原料、催化剂载体、吸附剂、净化污水和回收金属等。代号等级名称技术要求Ad（%）SLA特低灰煤≤5LA低灰分煤5.01~10LMA低中灰煤10.01~20MA中灰分煤20.01~30MHA中高灰煤30.01~40HA高灰分煤40~50煤炭灰分等级划分标准其他分类方式煤的挥发分分级标准技术要求低挥发分中挥发分中高挥发分高挥发分Vdaf（%）≤2020.01~2828.01~37＞37代号等级名称技术要求Qnet,ar（MJ/kg）LC低热值煤8.5~12.5ML中低热值煤12.51~17MC中热值煤17.01~21MH中高热值煤21.01~24HC高热值煤24.01~27SH特高热值煤＞27煤的发热量等级划分标准代号等级名称技术要求Std（%）SLS特低硫煤≤0.5LS低硫分煤0.51~1LMS低中硫煤1.01~1.5MS中硫分煤1.51~2MHS中高硫煤2.01~3HS高硫分煤＞3煤炭硫分等级划分标准五、煤炭的利用途径根据煤炭的使用目的分为两大主要用途：(1)动力煤(2)炼焦煤。我国动力煤的主要用途有：

1)发电用煤：我国约1/3以上的煤用来发电，目前平均发电耗煤为标准煤370g/(kW·h)左右。电厂利用煤的热值，把热能转变为电能。

2)蒸汽机车用煤：占动力用煤2%左右，蒸汽机车锅炉平均耗煤指标为100kg/(万吨·km)左右。

3)建材用煤：约占动力用煤的l0%以上，以水泥用煤量最大，其次为玻璃、砖、瓦等。

4)一般工业锅炉用煤：除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业及取暖用的工业锅炉型号繁多，数量大且分散，用煤量约占动力煤的30%。

5)生活用煤：生活用煤的数量也较大，约占燃料用煤的20%。

6)冶金用动力煤：冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，其用量不到动力用煤量的1%。

炼焦煤的主要用途是炼焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成，一般1.3吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。焦炭多用于炼钢，是目前钢铁等行业的主要生产原料，被喻为钢铁工业的“基本食粮”。六、中国煤的利用方向提高价值洁净利用高效利用煤系共伴生资源利用···········七、煤炭加工技术煤炭洗选技术粉煤成型技术动力煤配煤技术水煤浆技术常规的物理选煤可除去煤中60%的灰分和1/3到1/2的黄铁矿硫(燃料时SOX的主要来源)。煤炭经洗选可大大提高燃烧效率，如电厂粉煤锅炉燃烧原煤的效率一般为28%左右，而燃洗精煤可达35%。煤炭经过洗选可大大降低污染物的排放。选煤是洁净煤技术的源头技术。1）煤炭洗选技术民用型煤工业型煤型煤技术的研究应着力于开发强度高、防水性好、适合于长途运输的型煤及其配套工艺设备和粘结剂以及研制固硫工业型煤等技术上。2）粉煤成型技术意义重大，主要表现在： 提高热效率节约煤炭； 充分利用煤炭资源，做到物尽其用； 可以利用劣质煤； 有利于拓展煤炭资源，减轻环境污染。3）动力煤配煤技术4）水煤浆技术石油产品供不应求，煤代油势在必行便于储运。水煤浆利用储量丰富、价格低廉的煤炭作为主要原料，使用浮选精煤或水洗煤进行研磨加工、细化，再辅以27%～35%的水和约1%的化学添加剂，经过多道严密工序，层层筛除煤炭中不能充分燃烧的成份及产生污染的硫、灰等杂质，只将炭本质留下来，制出性能像油的水煤浆成品。水煤浆具有浓度高、流变性好、耐储存等特点。它能象油一样泵送、雾化燃烧，燃烬率能达到98%以上，只产生极少的灰渣。水煤浆用储罐进行运输和储存，避免了运输和储存过程中的污染，并减少了储存时的占地面积，无论储存还是排放指标均能达到国家一类地区的环保要求。煤炭转化是指通过化学加工或热加工的方法，将煤转化成一系列气体、液体和固体等化学产品的过程。九、煤炭转化技术从煤的加工过程分，主要包括干馏(含炼焦和低温干馏)，气化，液化和合成化学品等；从产品上划分，煤化工包括焦炭、煤焦油等传统煤化工和煤制油、煤制烯烃和甲醇制二甲醚等新型煤化工；从加工深度上分，煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。煤化工的分类煤化工产业链煤化工产业链煤焦化焦炭煤焦油焦炉气电石乙炔粗苯精制BDO制氢煤气化合成气甲醇二甲醚烯烃醋酸车用燃料合成氨氮肥间接液化各类油品烯烃醇、醛酮、酸煤直接液化烯烃汽柴油传统煤化工现代煤化工煤在隔绝空气的条件下加热，将产生一系列的热分解过程，得到气态、液态和固体产物。干馏得到的固体产物：冶金焦炭从煤干馏得到的挥发分中可以回收煤焦油和煤气等产物。温度高于950℃的过程称为高温干馏，如采用合适的烟煤干馏可得冶金焦炭。1）煤炭的干馏技术煤炭的气化是指将煤与气化剂反应，使煤中的有机部分完全转化为煤气的过程。

2）煤炭气化技术

煤炭气化技术应用领域：

工业燃气 民用煤气 化工合成和燃料油合成原料气 冶金还原气 联合循环发电燃气 燃料电池 煤炭气化制氢 煤炭液化的气源

煤液化即煤制油，是以煤炭为原料生产液体燃料和化工原料的煤化工技术的简称。通常有两种技术路线：直接液化和间接液化。煤炭和石油都是碳氢化合物，典型烟煤的氢碳比为0.8，汽油、柴油的氢碳比为2（摩尔比），因此，无论采用何种技术路线，煤制油的关键都是增加氢碳比。3）煤液化技术直接液化：是在粉煤浆中加入气态氢，通过催化剂作用，提高氢碳比，生产液体燃料和化工原料。

加氢的作用：一是合成液化粗油（可简单表示为CH1.6），二是减少原料煤中的氧、硫和氮，把它们变成H2O、H2S、和

NH3

的形式除去。除去氧可以生成烃油，去除氮和硫化物以免下游精炼用的裂化催化剂中毒。（1）直接液化代表性技术原理将煤磨碎制浆，而后加入供氢溶剂及H2，在高压高温下加氢液化。国外德国IGOR工艺，日本NEDOL工艺，美国的HTI工艺国内神华工艺，在美国HTI技术基础上优化调整评价对煤种要求高，煤种适应性差反应条件苛刻，高温高（440~470℃,17~30MPa)，因此对设备材料要求高，关键设备需要进口直接液化得到的产物含少量S、N杂原子，需去除产品分布汽油16%、柴油67%、液化气10%、芳烃7%。汽油品质较好，辛烷值可达80；但柴油品质差，十六烷值不到20，需经过后续深度加氢精制才能达到45-50的指标煤直接液化制油产业化现状国外二战中德国发展了340万吨的煤直接液化制油生产规模，战后因石油工业发展而停止；20世纪70年代后新的加氢液化工艺目前国外只有工业性示范/试验装置，但在此基础上国外厂商完成了商业化生产的基础设计或施工设计。国内2004年8月神华集团煤直接液化项目一期开工建设，规模为年产油品320万吨，总投资245亿元，耗煤970万吨。评价国外没有进行大规模商业化的原因非技术问题，主要是经济问题，过去很长时间原油价格较低，煤制油投资大，成本高，缺乏竞争力。投资每万吨规模投资0.65~0.76亿元，最低经济规模200万吨/年成本神华估算~1457元/吨油品（相当于原油24$/桶），但这一估算是基于我国较低的煤价。资源消耗每生产1吨油品耗3~4吨煤每生产1吨油耗新鲜水5.2吨环境影响生产过程使用大量催化剂，造成固体废物污染；油品中芳烃含量高，环保性能较差。1913年，德国Friedrich

Bergius

发明了煤炭直接液化技术，并因此获得了诺贝尔化学奖。1927年，德国IG

公司开始建设世界上第一座商业化的煤炭直接液化工厂，并于1931年投入运转。二战期间，德国共拥有12座煤炭直接液化工厂。1950年，中东发现开采成本低廉、储量丰富的石油，因此，煤炭直接液化工厂因经济原因停产。1973年，石油危机爆发，阿拉伯世界对美国、德国和日本实行石油禁运，于是，美国、德国和日本恢复对煤炭直接液化的研发。1980年，国际油价暴跌，煤炭直接液化的研发工作再次降温。目前，典型的煤炭直接液化技术有：美国HTI工艺、德国IGOR工艺、日本NEDOL工艺和中国神华工艺。神华煤直接液化项目先期工程于2007年建成投产。南非的煤炭加工技术处于领先地位。发展历史间接液化：是将煤炭部分氧化成主要由CO和H2组成的合成气，然后进行催化反应，合成汽油与柴油等烃类燃料或氧化燃料。氢碳比的增加是通过水煤气变换反应并脱除反应过程中产生的CO2

实现的。（2）间接液化当前，煤炭间接液化最重要的3个产品是：烃类燃料、甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）。水煤气变换反应通过费-托合成工艺，把气化产生的小分子聚集成大的碳氢化合物分子，从而生成烃类（烯烃和烷烃）燃料。简单的描述如下：烃类燃料费-托合成工艺已经被南非SASOL公司商业化。由煤制乙烯、丙烯技术

制造甲醇在商业上已经是很成熟的技术，在中国有广泛应用。主要反应包括：（水煤气变换反应）（甲醇合成）

甲醇通过MOBIL工艺，可以进一步加工成汽油，这也是一项成熟的技术，或可以直接用作燃料。代表性技术原理煤先汽化变成合成气（含CO与H2），合成气在催化剂的作用下转变烷烃和烯烃（费托合成）得到产品；或转变成中间化学品，再转变成油品国外南非Sasol公司系列技术（有四种不同的反映器类型，分高温费托合成和低温费托合成两条路线，高温费托合成产品以汽、柴油和烯烃等化学品为主，低温费托合成产品以汽、柴油和石蜡为主）国内山西煤化所固定床费托合成技术；兖矿集团浆态床低温费拖合成技术评价对煤种要求不高，煤种适应性强；煤需要先气化，设备投资大；反应条件与直接液化相比较为温和（250~350℃,3.0MPa~5.0MPa);间接液化得到的产物不含S、N等杂原子产品中的汽油馏分品质很差，但可作为优质的乙烯生产原料；柴油馏分的十六烷值过高，达75～80，也需要进行后续加工。煤间接液化制油产业化现状国外二战中德国发展了57万吨的煤间接液化制油生产规模，战后因石油工业发展而停止；目前只有南非Sasol公司以煤为原料进行大规模商业化生产，年产油品450万吨和各种化学品310万吨，共耗煤4600万吨。Shell公司采用SMDG工艺1994年在马来西亚建成年产50万吨合成油的工厂，但是以天然气为原料。由于Shell公司同时掌握先进的煤气化技术，从理论上Shell公司具备以煤为原料生产合成的产业化能力；Mobil公司采用MTG技术1984年在新西兰建成75万吨规模的工厂，也是以天然气为原料，后因经济原因只产甲醇不产汽油。国内2004年9月，兖矿集团采用低温费托合成工艺完成每年4500吨油品工业装置试验；20世纪80年代采用固定床低温费托合成工艺完成2000吨规模的工业试验，具备了进行固定床万吨级工业示范和运行的技术条件。评价目前以煤为原料进行间接制油的实际只有南非一家，且是出于特殊的政治原因迫不得已而为之。投资每万吨规模投资1亿元，最低经济规模100万吨/年。与直接液化相比，间接液化的投资更大，经济性要差。成本兖州估算～1452元/吨油品，基于100元/吨的煤价资源消耗每生产1吨合成油耗煤5吨，资源利用效率较低每生产1吨合成油耗新鲜水20吨，耗水量较大环境影响煤气化产生大量固体废渣，每生产1吨油约产生0.7～1吨渣：生产同样多的油品，CO2排放量比传统石油炼制过程的排放量高50％。二甲醚是无毒、无致癌作用、环保的气体喷雾剂。制造方法是甲醇脱水：二甲醚21世纪清洁能源作为车用和民用燃料的替代品二甲醚与柴油性能比较十六烷值点火温度℃低发热值kJ/kg理论空气量kg/kg可燃范围％柴油40-5525042.514.60.6-6.5二甲醚55-6023528.493.4-18二甲醚液化气与液化石油气性能比较分子量蒸汽压/MPa(60℃)平均热值kJ/kg爆炸下限％理论空气量m3/kg预混气热值kJ/m3理论燃烧温度℃LPG56.61.92457601.711.3220552055二甲醚46.01.35314503.56.9642192250

大多数文献都从能源转化效率或者油品收率的角度，对直接液化和间接液化进行比较。但是，与石油和天然气相比，由于煤炭是一种低成本、大储量的化石能源，因此，比较直接液化和间接液化的能源转化效率或者油品收率容易产生误导。

直接液化的合成燃料转化效率较高，间接液化的产品使用效率较高；间接液化产品比直接液化产品的环保性能更好；间接液化比直接液化的副产品多；直接液化和间接液化彼此间没有排他性，其产品具有很强的互补性。（3）直接液化和间接液化比较26气化方法固定床

流化床气流床整体气化联合循环发电(IGCC)技术3）煤炭地下气化把煤的开采和转化结合起来，气化后残余灰渣仍滞留地下，减轻固体废渣对环境的污染，有利于提高煤炭资源回收率4）煤炭的直接液化煤直接加氢液化是采用高温、高压氢气，在催化剂和溶剂作用下进行裂解、加氢等反应，将煤直接转化为分子量较小的燃料油和化工原料。神华集团已经开始在内蒙古鄂尔多斯建设世界上第一条每天6000吨煤的商业液化生产线，最终每年可产油品500万吨以上。5）煤炭的间接液化