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我国面临的现状能源结构是“富煤、贫油、少气”节能减排政策的实施石油价格不断高涨天然气的需求增长如何高效利用煤资源？一、煤利用的必然趋势图1煤的开采和利用路线图图2煤充分利用的必然趋势图3煤利用循环经济产业链煤是地球上能得到的最丰富的化石燃料。煤的使用年限估计在几百年，它将是替代不断下降的石油资源的可靠资源。因此煤化学工业的发展将替代石油化学工业。中国是世界上煤炭资源丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。中国已探明的煤炭可采储量约为1140亿吨(6000亿吨)，已探明的石油可采储量约为40亿吨。煤炭储量：炼焦用煤，约42%；长焰煤、不黏煤和弱黏煤，约22%；褐煤，约14%，其他煤种22%。二、煤炭资源图4煤炭资源三、煤化学的发展煤化学的发展可分为四个阶段（1）萌芽阶段（1780~1830）把煤的研究作为一个科学问题来对待，大约可以追溯到将煤开始用于工业的工业革命时期（1780年）。在这一时期，人们争论的主要问题是煤的起源问题。至1830年左右，人们普遍承认是山植物生成的，并且主要是由陆生植物生成的。这时，产生了煤岩学和煤化学这两个煤炭研究的重要支柱。可以认为，1831年是科学煤炭研究的诞辰。（2）启蒙阶段（1831~1912年)大约在1830年，英国和德国差不多同时开展了用显微镜对煤进行的最早的系统研究。1837年，在法国开展了对煤的系统化学研究，提出了以元素组成为基础的煤分类。这些研究为后来煤岩学和煤化学的发展打下了良好的基础。（3）经典阶段（1913~1962）在这一时期，煤几乎是唯一的热源和能源，煤炭广泛用于机车、航行、炼焦、气化和发电等领域，人们对煤岩学和煤化学的研究产生了极大的兴趣①煤岩学——美国主要发展了薄片（透射光）技术，德国和法国主要发展了光片（反射光）技术。随后，德国又开发了薄光片技术，使得两种技术可在同一试样上进行比较。②煤化学——1913年，德国的费舍尔首先开发了F—T合成法。同时，德国的伯吉乌斯开发了煤的直接加氢液化法。（4）煤炭研究的衰落和复兴（1963~1990）60年代中期，煤炭工业逐渐衰落。大量的廉价石油和天然气动摇了煤炭的经济。煤炭研究几乎停滞不前。不久以后，由于几次石油危机的发生，有一次改变了燃料时间的面貌。石油价格的猛涨又恢复了煤在能源结构中的地位。因此，对煤进行深入研究的兴趣迅速恢复。与此同时，随着科学技术的发展，出现了许多先进的仪器设备，如色谱仪、红外光谱仪，核磁共振光谱仪等。图5煤化学四、煤化工的范畴气化煤气净化IGCC合成气合成氨甲醇合成F-T合成乙酐合成合成氨甲醇甲醇Mobil汽油液体燃料、化学品乙酐、乙酸甲酯直接液化液化油分离液化燃料、化学品炼焦焦炉煤气煤焦油焦炭分离煤气粗笨城市煤气苯、甲苯、二甲苯加工萘、蒽、吡啶、酚沥青、碳素制品冶金焦石灰石电石炉反应电石乙炔其他加工低温干馏煤气燃料气低温煤焦油加工液体燃料、酚半焦无烟燃料、还原剂、气化原料褐煤蜡、活性炭、炭分子筛煤图6煤化工的范畴传统煤化工与现代煤化工生产工艺与产品比较煤化工产业链煤焦化煤气化直接液化焦炉气煤焦油焦炭制氢粗苯精制电石BDO乙炔合成气甲醇氮肥烯烃二甲醚醋酸间接液化烯烃汽柴油合成氨传统煤化工现代煤化工BDO-1,4-丁二醇煤焦化主要生产炼钢用焦炭，同时生产焦炉煤气、苯、萘、蒽、沥青以及碳素材料等产品；煤气化生产合成气，是合成液体燃料、乙醇、乙酐等多种产品的原料；煤直接液化，即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和化学产品。煤间接液化是由煤气生产合成气，再经催化合成液体燃料和化学产品。煤低温干馏生产低温焦油，经过加氢生产液体燃料，低温焦油分离后可得有用的化学产品。低温干馏的半焦（兰炭）可用作无烟燃料，或用作气化原料、发电燃料以及碳质还原剂等。低温干馏煤气可做燃料气。五、煤干馏过程的不同阶段所发生的主要变化图7煤热解大型装置第一阶段（从室温~350℃）从室温到活泼热分解温度为干馏脱气阶段，煤的外形无变化。150℃前主要为干燥阶段，在150℃~200℃时放出吸附在煤中的气体主要为甲烷、二氧化碳和氮气；当温度达到200℃以上时有机质分解（褐煤脱羟基）；300℃左右开始热解，烟煤和无烟煤的原始分子结构仅发生有限的热作用（主要是缩合作用）第二阶段（350~550℃）活泼分解是主要特征。以解聚和分解反应为主，生成大量的挥发物（煤气及焦油），煤黏结成半焦。煤种的灰分几乎全部存在于半焦中。煤气成分除热解水、一氧化碳、二氧化碳外，主要是气态烃。烟煤在这一阶段经历了软化、熔融、流动和膨胀直到再固化等过程。出现了一系列特殊现象，形成气液固三相共存的胶质体。在分解的产物中出现烃类和焦油的蒸汽。在450℃左右时焦油量最大，在450~550℃内，气体析出量最多。黏结性差的气化用煤，胶质体不明显，半焦不能黏结为大块，而是松散的原粒度大小，或因受压受热而碎裂。第三阶段（超过550℃）在这一阶段，以缩聚反应为主，又称二次脱气阶段，半焦变成焦炭，析出的焦油量很少，挥发份主要是多种烃类气体、氢气和碳的氧化物。六、煤的低温干馏定义：煤在隔绝空气的条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦的过程，称为煤干馏（或称炼焦、焦化）分类：按照加热终温的不同，可以分为三种：500-600℃：低温干馏700-900℃：中温干馏900-1100℃：高温干馏发展：煤低温干馏始于19世纪，当时主要用于制取灯油和蜡。19世纪末因电灯的发明，煤低温干馏趋于衰落。但二战又刺激了低温干馏，用于生产煤焦油，进而得到汽油和柴油。二战后，大量廉价石油的开产，低温干馏又陷入停滞状态。低温干馏过程仅是一个加热过程，常压生产，不用加氢，不用氧气，即可制得煤气和焦油，实现煤的部分气化和液化，得到的半焦性能好。过程简单、加工条件温和、投资少、生产成本低。目前还有市场。产物：焦油6%-25%；半焦产率50%-70%；煤气产率80-200m3/t（原料干煤）半焦：低温干馏的固体产物。孔隙率：30%~50%；反应性和比电阻都比高温焦炭高得多；但强度稍低。煤焦油：低温干馏煤焦油是黑色液体，密度通常0.95~1.1g/cm3组成：酚类：35%；有机碱：1%~2%；烷烃：2%~10%；烯烃：3%~5%；环烷烃：10%；芳烃：15%~25%；中性含氧化合物(酮、酯、和杂环化合物)：20%~25%；中性含氮化合物(主要为五元杂环化合物)：2%~3%；沥青：10%低温干馏的产品煤在焦炉内隔绝空气加热到1000℃左右，可获得焦炭、化学产品和煤气。此过程成为高温干馏或高温炼焦。焦炭主要用于高炉炼铁。煤气可以用来合成氨，生产化肥或用作加热燃料。炼焦所得化学产品种类很多，特别是含有多种芳香族化合物，主要有硫酸铵、吡啶碱、苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽和沥青等。倒焰式焦炉→废热式焦炉→蓄热式焦炉。中国第一家焦化厂是1914年开始修建的石家庄焦化厂。七、炼焦煤的成焦过程随着温度的升高，连在核上的侧链不断脱落分解。芳核本身则缩合并稠环化，反应最终形成煤气、化学产品和焦炭。成焦过程可分为干燥预热阶段（＜350℃）、胶质体形成阶段（350~480℃）、半焦形成阶段（480~650℃）和焦炭形成阶段（650~950℃）。焦炭质量焦炭主要用于炼铁。为了加强高炉生产，要求焦炭可燃性好、发热值高、化学成分稳定，灰分低、硫和磷等杂质少、粒度均匀、机械强度高、耐磨性好以及有足够的气孔率等。物理性质：焦炭的真密度介于1.87~1.95g/cm3。焦炭块的视密度介于0.78~0.98g/cm3。化学成分高炉和铸铁的焦炭的化学成分•灰分焦炭的灰分越低越好，灰分每降低1%，炼铁焦比可降低2%，渣量较少2.7%~2.9%，高炉增产约2.0%~2.5%。•硫分硫分转移到生铁中，使生铁呈热脆性，加快生铁腐蚀。•挥发分焦炭挥发分是鉴别焦炭成熟的一个重要指标，成熟焦炭的挥发分为1%左右；当挥发分高于1.5%时，则为生胶。•水分焦炭水分一般为2%~6%。焦炭水分要稳定，否则将引起高炉炉温波动，并给焦炭转鼓指标带来误差。•碱性成分K2O、NaO对焦炭在高炉中的性状影响大，严重降低焦炭强度。间接液化•煤炭的间接液化是煤气化产生合成气（CO+H2），再以合成气为原料合成液体燃料和化学产品。•间接液化中的Fischer-Tropsch合成和MTG的Mobil工艺都已经工业化。•反应器类型：固定床反应器、气流床反应器、浆态床反应器。八、煤液化直接液化•煤炭的间接液化是将煤在较高温度和压力下与氢气反应使其降解和加氢，从而转化为液体油类的工艺。•直接液化与间接液化的对比：直接液化热效率较高，对原料的要求高，较适合于生产汽油和芳烃；间接液化允许液化采用高灰分的劣质煤，较适合于生产柴油、含氧的有机化工原料和烯烃等。•直接液化的代表性工艺：德国的IG工艺、美国的SRC-Ⅰ/Ⅱ工艺、日本的NEDOL法、神华煤直接液化工艺。九、煤气化及甲烷化技术1、煤气化煤制天然气的竞争力主要来自于可以采用低价劣质煤。例如含水含灰高、低热值的褐煤。这种煤不太适用于干粉或水煤浆的气流床气化。而比较适于碎煤加压固定床或流化床气化。1）固定床鲁奇炉是目前世界上应用最多的碎煤加压固定床煤气化炉。主要应用于生产城市煤气和化工合成气。其气化效率较高，氧耗低；煤种适用范围广。当用于煤制天然气时，可以大大减轻甲烷化单元的负荷。节约建设投资和运行成本；同时气化污水达标排放近年也取得了重大进展。2）流化床流化床气化炉(如U—gas及KBR等)技术也适用于劣质煤气化，但由于操作压力的限制，其单炉生产能力较小。3）BGLBGL(BritishGas—Lursi英国燃气一鲁奇)块／碎煤熔渣气化技术。具有建设投资少、建设周期短、产气率高、气体热值高、能耗低、资源利用率高、运行和维护成本低的综合优势，是一种既高效又经济的气化技术。但还缺少商业运行的业绩。新型煤气化技术流化床熔渣气化技术高气化率与高气化强度鲁齐固定床加压气化技术氧耗低与炉体结构廉价流化床熔渣气化技术高能耗鲁齐固定床加压气化技术低效率与废水处理成本高结合克服2、甲烷化托普索甲烷化技术托普索工艺TREMPTM工艺可以将生产甲烷的过程中放出的大量热量再次利用，在生产天然气的同时，产出高压过热蒸汽。戴维甲烷化技术Davy甲烷化工艺技术除具有托普索TREMPTM工艺可产出高压过热蒸汽和高品质天然气特点外，还具有如下特点：催化剂已经过工业化验证，拥有美国大平原等很多业绩。催化剂具有变换功能，合成气不需要调节H/C比，转化率高。鲁奇甲烷化技术鲁奇甲烷化技术首先由鲁奇公司、南非沙索公司在20世纪70年代开始在两个半工业化实验厂进行试验，其中CO转化率可达100％，CO2转化率可达98％，产品甲烷含量可达95％，完全满足生产天然气的需求。图14托普索甲烷化技术流程图图16鲁奇甲烷化技术流程图141516图15戴维甲烷化技术流程图第二章煤气化技术煤气化的定义煤气化是煤炭的一个热化学加工过程，以煤或煤焦为原料，以氧气（空气或富氧）、水蒸汽或氢气等作为汽化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的过程。气化时所得的可燃气体称为煤气，所用的设备称为煤气发生炉。十、煤化工技术核心—煤气化★煤气化生产合成气是煤化工的核心。煤气化技术始于20世纪30年代。气化的方法达70~80种，目前各国还在不断研发新的煤气化技术。按时代划分，包括第一代和第二代煤气化技术★第一代煤气化技术以鲁奇炉、温克勒炉和KT炉为代表，以鲁奇炉应用范围最广，但由于第一代气化炉技术缺陷，70年代第二代煤气化技术逐渐取代了第一代煤气化技术★第二代煤气化技术是六十年代末至70年代初开发的。其代表炉型为德士古水煤浆气化炉、壳牌粉煤气化炉、GSP气化炉、鲁奇MARK-IV型气化炉。U-GAS气化炉、PRENFLO炉等。第二代气化炉在各种煤的适应性、热效率的提高、单台炉能力的增加、环境污染的减少等方面均有很大的进展★国内的水煤浆多喷嘴对置气化炉已经实现产业化进程。1、煤气化主要用途煤气化是重要的洁净煤应用技术之一，也是发展现