煤炭利用与清洁煤技术

1煤炭利用与洁净煤技术2011年3月31日2第1章煤炭利用与环境问题1.1世界煤炭资源及其地位1.2中国煤炭资源及其地位1.3煤炭燃烧排放引起的环境问题1.4洁净煤技术31.1世界煤炭资源及其地位2004年（引自IPCC报告）41.2中国煤炭资源及其地位1.2.1中国能源的基本消费状况1.2.2中国煤炭的资源状况1.2.3中国煤炭目前消费状况1.2.4中国煤炭需求与生产预测51.2.1中国能源的基本消费状况0.E+005.E+041.E+052.E+052.E+053.E+053.E+05198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008年份能源消费量（万吨标准煤）水电、核电及其他天然气石油煤62008年中国能流图71.2.2中国煤炭的资源状况中国煤炭资源储量多，分布广，煤质较好，品种较全。根据第三次全国煤田预测资料，除台湾省外，我国垂深2000米以浅的煤炭资源总量为55697.49亿吨，其中探明保有资源量10176.45亿吨，预测资源量45521.04亿吨。在探明保有资源量中，生产、在建井占用资源量1916.04亿吨，尚未利用资源量8260.41亿吨。在探明储量中，炼焦用煤占36%，化工用无烟煤17%，动力煤占5%，石煤占2%。8中国煤炭资源分布特征和供求关系，具有明显的分带性和分区性；客观地质条件形成的这种不均衡分布格局，决定了中国北煤南运、西煤东调的长期发展态势。9煤炭分类中国煤分类和各主要工业国的煤炭分类均属于实用分类，即是按煤的工艺性质和用途分类根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类，然后又根据煤化度和工业利用的特点，进一步分类10煤化作用：泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤，或腐泥转变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。煤化度，即煤化作用的程度11炼焦用煤：需用洗选的精煤，其煤种既可用结焦性较好的煤种如气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等化工用无烟煤：煤化程度最深的煤，含碳量最多，灰分不多，水分较少，发热量很高，可达25000~32500kJ/kg，挥发分释出温度较高，其焦炭没有黏着性，着火和燃尽均比较困难动力煤：适用于锅炉燃烧，产生热力的煤主要有褐煤、长焰煤、不粘结煤、贫煤、气煤以及少量的无烟煤石煤：一种含碳少、发热值低的劣质无烟煤，又是一种低品位多金属共生矿。121.2.3中国煤炭目前消费状况0.E+005.E+041.E+052.E+052.E+053.E+053.E+0519951996199719981999200020012002200320042005200620072008年份中国煤炭消费量（万吨）制气炼焦供热发电终端消费131.2.4中国煤炭需求与生产预测EIA的预测结果如左图所示；根据《世界能源展望2007年》三种情景，即参考情景、替代政策情景和高增长情景预测，2015年和2030年中国的能源需求如右图所示2010年，中国煤炭工业发展研究中心主任贺佑国表示，未来几年，煤炭绝对增长量将大幅度增加，到2015年煤炭需求将达38亿吨。141.3煤炭利用引起的生态环境问题15煤的组成和结构的复杂性煤的组成：水分、灰分、挥发分、固定碳；碳、氢、氧、氮、硫等元素。煤的结构：物理结构：煤的显微组分、孔结构及煤中有机物分子间和分子内的非共价键作用力。化学结构：有机物各组分的分子结构及其相互间的共价键结构。16煤炭使用造成严重的大气污染问题中国以煤为基础的能源结构引发了严重的环境污染问题。2007年中国二氧化硫排放量为2468.1万吨，氮氧化物排放约2000万吨，二氧化碳排放居世界第2位，燃煤贡献分别为80%、70%和80%左右。17电力行业的煤炭消费占煤炭总消费量的52.6%。电力行业是二氧化硫、氮氧化物和工业烟尘排放的最大行业。2007年，二氧化硫和氮氧化物排放量分别占工业二氧化硫和氮氧化物排放量的58.2%和64.3%，占据主导地位，是二氧化硫、氮氧化物的排放大户。18酸雨仍以煤烟型污染为主，电力行业对酸雨污染影响较大。中国目前硫酸根与硝酸根（SO42-/NO3-）的比值仍处在5-3之间，表明煤烟来源的SO42-仍占有绝对优势。说明中国的酸雨还是以煤烟型污染为主。形成的主要原因是燃煤产生的二氧化硫排放。19落后的利用技术使煤成为主要污染源20落后的利用技术使煤成为主要污染源21落后的利用技术使煤成为主要污染源2010年，在监测的330个城市中，有273个城市空气质量达到二级以上（含二级）标准，占监测城市数的82.7%；有53个城市为三级，占16.1%；有4个城市为劣三级，占1.2%。国外专家的研究结果表明，大气污染造成的经济损失占GPD的3%~7%；如不能得到有效控制，到2020年，仅燃煤污染导致的疾病需付出的经济代价将达3900亿美元22小结一方面是能源的主要提供者，一方面是大气污染的主要污染源，煤炭对中国而言，无疑是两难选择能源资源禀赋特点和中国现状决定，洁净煤利用是两难选择中的必然23提高煤利用效率可显著减少碳排放中国煤产业链效率提高5%对CO2减排的贡献可达40.3%（NICE，2011）24政策导向加快发展高碳能源低碳化利用和低碳产业•——《全国人民代表大会常务委员会关于积极应对气候变化的决议》，2009.8.27大力发展低碳技术；努力建设以低碳排放为特征的产业体系和消费模式•——温家宝,《政府工作报告》，2010.3.5加强煤的清洁高效综合利用、煤转天然气、煤制重要化学品技术研发•——胡锦涛，在两院院士大会上的讲话，2010.6.7推进传统能源清洁高效利用•——中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议，2010.10.28积极推进煤炭清洁利用(节能环保产业)•——《国务院关于加快培育和发展战略性新型产业的决定》，国发【2010】32号251.4洁净煤技术洁净煤（CleanCoal）是20世纪80年代初，美国和加拿大关于解决两国边境酸雨问题谈判的特使德鲁.刘易斯和威廉姆.戴维斯提出的。261.4洁净煤技术洁净煤技术是指煤炭开发和利用过程中，旨在减少污染和提高效率的煤炭开采、加工、燃烧、转化和污染控制等一系列新技术的总称，是使煤炭作为一种能源应达到最大潜能的利用而释放的污染物控制在最低水平，实现煤的高效、洁净利用的目的技术。27中国洁净煤技术基本框架煤炭加工技术煤炭转化技术煤高效清洁燃烧技术污染控制与废弃物处理28煤炭加工技术煤炭加工技术煤炭洗选技术水煤浆技术型煤技术动力配煤技术–在煤炭利用之前，对可能排放的所有污染物进行有效控制29污染控制与废弃物处理污控制与废弃物处理烟气净化技术（FGD）煤层气（CBM）开发利用技术粉煤灰综合利用技术煤矸石及煤泥水利用与处理技术–在煤炭利用后，对副产物及污染物进行有效处理和净化30中国洁净煤技术基本框架煤炭加工技术煤炭转化技术煤高效清洁燃烧技术污染控制与废弃物处理31中国洁净煤技术基本框架煤炭加工技术煤炭转化技术煤高效清洁燃烧技术污染控制与废弃物处理煤化工煤发电32中国煤炭利用可以分为煤炭发电、工业锅炉和窑炉燃煤、煤化工三种类型。2007年，煤炭利用的比例是：发电50.5%，工业锅（窑）炉燃烧30%，煤化工18%，其它不足2%。33思考题中国煤炭的分布特点？煤炭利用过程中的污染物有哪些？洁净煤技术的含义？中国发展洁净煤技术的意义？中国煤炭的主要利用类型？34第二章煤化工35煤化工煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体，液体，固体燃料以及其他化学品的工业过程。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。36煤化工分传统和新型两种传统的涉及煤焦化、煤电石、煤合成氨（化肥）等领域新型煤化工通常指即以煤热解、气化为基础，以一碳化学为主线，以单元过程优化集成为途径，生产各种替代燃料和化工产品，如合成油、天然气、甲醇、二甲醚、烯烃、精细化学品等。37传统煤化工新型煤化工洁净煤技术38洁净煤领域的煤炭转化技术煤炭转化技术煤炭液化技术煤炭气化技术其他传统煤化工技术改进煤基炭材料39煤基炭材料以煤为原料生产炭材料的技术路线：活性炭、炭块、电极炭等传统炭材料；富勒烯、碳纳米管、碳分子筛等新型炭材料；以及用于催化剂的分子筛和航天工业需求的碳纤维、碳合金等多种新型炭材料参考书目：中国洁净煤技术丛书--煤基炭材料40洁净煤领域的煤炭转化技术煤炭转化技术煤炭液化技术煤炭气化技术其他传统煤化工技术改进煤基炭材料41煤炭液化技术煤的直接液化是指将煤（尤其是烟煤）磨碎成细粉后，和溶剂油制成煤浆，然后在高温、高压和催化剂存在的条件下，通过加氢裂化使煤中复杂的有机化学结构分子，直接转化为清洁的液体燃料和其他化工产品，又称为加氢液化。42煤炭液化原理煤和石油在结构、组成和性质上有很大差异：①石油的H/C比高于煤，原油为1.76而煤只有0.3～0.7，而煤氧含量显著高于石油，煤含氧2％～21％，而石油含氧极少；②石油的主体是低分子化合物，而煤的主体是高分子聚合物；③煤中有较多的矿物质。因此要把煤转化为油，需加氢，裂解和脱灰。关键步骤：热解+加氢+分离43煤直接液化工艺过程煤直接液化典型的工艺过程主要包括煤的破碎与干燥、煤浆制备、催化剂制备、氢制取、加氢液化、固液分离、液体产品分馏和精制，液化大规模制备氢气通常采用煤气化或者天然气转化。44煤直接液化工艺过程45煤直接液化分类46煤直接液化技术进展47神华煤制油示范工程48神华煤制油示范工程49煤炭气化工艺煤气化泛指各种煤（焦）与载氧的气化剂（O2、H2O、CO2）之间的一种不完全反应，最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。50煤气化分类煤炭气化过程可通过各种不同的气化炉实现51煤气化典型工艺现已工业化的先进技术包括壳牌（Shell）的煤气化过程（SCGP）德士古（Texaco）的煤气化过程（TCGP）德国未来能源公司的粉煤气化（GSP）鲁奇（Lurgi）固定床加压气化52煤气化原理主要的化学反应过程涉及到碳、二氧化碳、一氧化碳、氢气、水（蒸汽）以及甲烷总反应：煤的H/C比只有0.3～0.72222HnCOOHCmnmn合成气中的氢含量不能满足后续反应需求53提问如何得到氢气？？？哪些物质含有氢？54提问如何得到氢气？？？哪些物质含有氢？水（H2O)55电解水借助直流电的作用，将水分解产生氢气和氧气该方法虽然产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气，但是能耗高，生产成本较高22222HOOH56核能制氢一种有前景的大规模制氢方法利用其产生的高温工艺热通过核热辅助的蒸汽重整、热化学循环、高温蒸汽电解等技术制氢福岛第1核能发电站号机组和3号机组发生的爆炸都是氢气爆炸57水煤气变换水煤气变换反应（Watergasshift，WGS）是一个有机反应水和一氧化碳在催化剂作用下转化为氢气和二氧化碳。水煤气变换反应在工业中的应用价值在于提高产品中氢气的含量。在生产合成氨、甲醇、二甲醚、油等产品时，都需要应用这个反应来调节合成气的碳氢比使之符合生产需求。222HCOOHCO58煤气化工艺流程预处理空分O2原料煤煤气化合成气冷却&脱杂质粗合成气水煤气变换合成气净化(H2S&CO2脱除)硫回收产品分离或精制H2SCO2空气水S液体燃料水N2液体燃料合成59煤气化后续工艺及产品甲醇：缩写MeOH，分子式CH4O二甲醚：缩写DME，分子式(CH3)2OFT合成油：汽油、煤油、柴油天然气：分子式CH4……C5-10汽油C11-13煤油C14-17柴油OHCHHCO2222OHCHHCO322233223322433COHCHOCHHOCOHCHOCHCO2423C