常规能源开发与利用-煤炭

•煤炭•石油•天然气•水能二、常规能源第二节能源概述1、煤炭•掌握的知识点：•（1）煤的形成；•（2）煤的主要元素组成；•（3）煤的煤质指标；•（4）煤的分类；•（5）我国的煤炭资源情况；•（6）煤的利用途径。•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。第二节能源概述1、煤炭（1）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。（2）煤的成因煤是怎样形成的？在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化....当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同。•煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。根据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8％。•在我国，煤炭资源主要分布在山西、陕西、内蒙古、黑龙江、辽宁、山东、新疆等几个省区，著名的大型煤矿有大同煤矿、东胜煤矿、神府煤矿等。（3）中国煤炭资源中国煤炭资源总体特点资源总量相对分布不均煤炭资源与地区的经济发达程度呈逆向分布煤炭资源与水资源呈逆向分布煤种齐全，但不均衡优质动力煤丰富，优质无烟煤和优质炼焦用煤不多煤质较好含硫量小于1%的低硫煤约占65%煤层埋藏较深，适于露天开采的储量很少，适于露天开采的中、高变质煤更少共伴生矿产种类多，资源丰富我国的煤炭资源分布•中国煤炭资源和现有生产力呈逆向分布，造成了“北煤南运”和“西煤东调”的被动局面。大量煤炭自北向南、由西到东长距离运输，给煤炭生产和运输造成了极大的压力。•我国适合露天开采的煤炭资源不多，煤炭生产以地下开采为主。我国的人均煤炭资源现状•中国煤炭资源总量虽然较多，但探明程度低，人均占有储量较少，按1999年人均可采储量对比，中国人均可采储量仅为90.9吨，约为世界人均可采储量的55%。3）我国的煤炭消费•我国是世界上最大的煤炭消费国。•在我国煤炭消费中，煤炭的加工转换（包括洗选、发电、供热、炼焦、制气及煤制品加工等）增长迅速，而煤炭终端消费增长缓慢。（4）煤质指标与煤分类•水分（外部水、内部水和化合水）•灰分（煤完全燃烧后，其中矿物质的固体残余物）•挥发分（在隔绝空气的条件下，将煤加热到850℃左右，从煤中有机物质分解出来的液体和气体产物称为挥发分）•发热量（单位质量煤完全燃烧时所放出的热量）1）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拓展---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2）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？$煤燃烧？气化液化（5）煤的利用方式煤可以做什么？化工焦炭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”。（6）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···········（7）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1）煤炭洗选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%。（其他优点见P37）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。2）粉煤成型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。3）动力煤配煤技术（P38）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。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。（8）煤炭转化技术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。煤炭的干馏技术煤炭气化技术煤炭地下气化煤炭的直接液化1）煤炭的干馏技术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＆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。2）煤炭气化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。CO、H2、CH4碳的氧化反应C+O2=CO2－393.8KJ/mol碳的部分氧化反应2C+O2=2CO－231.4kJ/mol二氧化碳的还原反应C+CO2=2CO+162.4KJ/mol水蒸气分解反应水蒸气分解反应C+H2O(g)=CO+H2+131.5kJ/molC+2H2O(g)=CO2+2H2+90.0kJ/mol一氧化碳变换反应CO+H2O(g)=CO2+H2-41.5kJ/mol碳的加氢反应C+2H2=CH4-74.9kJ/mol甲烷化反应CO+3H2=CH4+H2O-206.4kJ/mol甲烷化反应2CO+2H2=CH2+CO2-247.4kJ/mol甲烷化反应CO2+4H2=CH4+2H2O-165.4kJ/mol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）煤炭的间接液化煤的间接液化是将煤气化得到的原料气，在一定条件下（温度＆压力），经催化合成石油及其他化学产品的加工过程，又称一氧化碳加氢法。从2003年7月起，兖矿集团开始在下属的鲁南化工厂建立万吨级中试装置，该装置从2004年4月开始出油，至今一直在平稳运行。兖矿计划设在新疆的煤制油厂采用兖矿研发的低温费托合成煤间接液化技术，设计的年产量为108万吨油品。6）燃料电池燃料电池（FuelCell）是发展中的发电技术，它利用电化学过程，将燃料（氢气）的化学能转化为电能，它的发电原理与常规化学电源类似，因为没有热力学上的限制，能量转换过程的热效率很高，可以将存在燃料和氧化剂中的化学能高效（50％～70％）、环境友好地转化为电能，发电过程不产生污染物。碱性（AFC）、质子交换膜（PEMFC）、磷酸（PAFC）、熔融碳酸盐（MCFC）和固体氧化物（SOFC）燃料电池。7）煤的多联产煤的多联产技术的实质是以煤炭为原料，通过把多种煤炭转化技术有机集成在一起，同时获得多种高附加值的化工产品（如脂肪烃和芳香烃等）、多种洁净的二次能源（气体燃料、液体燃料、电）及其他产品。以煤气化为核心的多产系统•气化单元•合成气利用及转化单元•热电生产单元浙江大学---煤的热、电、气、焦油多联产系统预期结果（9）未来煤的开发利用Vision21-TheUltimatePowerPlant煤炭利用