1、煤炭轉化的化學基礎煤炭轉化的化學基礎劉振宇劉振宇自我介紹自我介紹 美國美國University of Pittsburgh石油化工系石油化工系 博士研究生（博士研究生（83-88） 美國美國West Virginia University化工系化工系 博士后、副研究員（博士后、副研究員（88-95） 中科院山西煤炭化學研究所中科院山西煤炭化學研究所 研究員、博士生導師（研究員、博士生導師（95-06） 北京化工大學北京化工大學 教授（教授（07-） 1983年以來從事煤炭轉化研究年以來從事煤炭轉化研究 煤液化（直接、間接）煤液化（直接、間接） 煤熱解、氣化煤熱解、氣化 煤基化學品合成與加工（甲

2、醇、低碳醇、油品加氫精制）煤基化學品合成與加工（甲醇、低碳醇、油品加氫精制） 煤中污染組分變遷煤中污染組分變遷 燃煤煙氣凈化燃煤煙氣凈化聯系方式：聯系方式：64421073/64421077（辦），（辦）學介紹同學介紹 姓名姓名 大學畢業情況大學畢業情況 現在從事研究領域及課題內容現在從事研究領域及課題內容授課思想授課思想 研究生課程與大學生課程的差別研究生課程與大學生課程的差別 魚魚與與漁漁 表象知識表象知識與與內在原因內在原因 樣本記憶樣本記憶與與規律認識規律認識 課程要求課程要求 基本知識的掌握基本知識的掌握 內在規律的認識內在規律的認識 核心問題的討論核心問題

3、的討論 對學習的認識對學習的認識 老師講的不一定全對，屬個人認識，意在促進討論老師講的不一定全對，屬個人認識，意在促進討論 對已有對已有知識知識的掌握、對已有知識的掌握、對已有知識局限性局限性的掌握的掌握 對本領域對本領域發展發展的認識的認識授課思想授課思想 煤化工、煤化學的特點煤化工、煤化學的特點 以原料為中心的不同加工和利用方法，內容很多以原料為中心的不同加工和利用方法，內容很多 工藝過程為主、化學信息局限、階段性、知識工藝過程為主、化學信息局限、階段性、知識“散散” 授課類似學術講座授課類似學術講座 目的是了解現狀、認識發展方向和存在的目的是了解現狀、認識發展方向和存在的“大大”問題問題

4、授課安排授課安排3月月06日：概論及煤的基本性質日：概論及煤的基本性質3月月13日：煤的組成結構及熱解日：煤的組成結構及熱解3月月20日：煤的氣化日：煤的氣化3月月27日：煤的液化直接液化日：煤的液化直接液化4月月03日：煤的液化間接液化日：煤的液化間接液化4月月10日：燃煤污染控制日：燃煤污染控制4月月17日：日：機動機動4月月24日：考試日：考試5月月01日：勞動節日：勞動節 自己提前看基本知識自己提前看基本知識 課堂講授重點內容課堂講授重點內容 突出對重要問題的分突出對重要問題的分析與討論析與討論19周，周六，周，周六，58節（節（1:305:15 pm），），321教室教室成績：作業（

5、成績：作業（50）考試（）考試（50）參參 考考 書書郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學1998郭樹才郭樹才煤化工工藝學煤化工工藝學2006陳鵬陳鵬中國煤炭性質、分類和利用中國煤炭性質、分類和利用2001高晉生，張德祥高晉生，張德祥煤液化技術煤液化技術2005袁權袁權能源化學進展能源化學進展2005中第一章中第一章煤化學煤化學Martin ElliottChemistry of Coal UtilizationJohn Wiley & Sons，1981中文翻譯：中文翻譯：煤利用化學煤利用化學1991教材教材（化學工業出版社）概論概論生命、人類文明的基礎生命、人類文明的基礎生命的延續：生命的延續

6、： 依賴食物依賴食物社會的運行社會的運行： 依賴能源依賴能源人的吃、穿、住、行、文化、藝術人的吃、穿、住、行、文化、藝術社會的發展：社會的發展： 可持續能源（新能源）可持續能源（新能源）友好環境（大氣變化）友好環境（大氣變化）煤炭煤炭能量來源：太陽能能量來源：太陽能物質來源：物質來源：CO2、H2O環境條件：很窄環境條件：很窄 如如H2O的相態的相態地球上可用能源的種類？地球上可用能源的種類？1996年全球煤炭探明可采儲量年全球煤炭探明可采儲量 (economically recoverable reserve) 為為1萬億噸。萬億噸。在在2008年的使用量下，可用年的使用量下，可用212年。

7、年。主要能源的種類及全球需求主要能源的種類及全球需求 Mtoe 百萬噸油當量百萬噸油當量 10000 kcal/kg 標準煤標準煤 7000 kcal/kg 原煤原煤 5000 kcal/kg全球主要能源的年需求量全球主要能源的年需求量2008年年47億噸標煤億噸標煤全球煤炭全球煤炭探明可采儲量探明可采儲量（ 單位：十億噸，單位：十億噸，1996年）年）序號序號國別國別煙煤和無煙煤煙煤和無煙煤 次煙煤次煙煤褐煤褐煤總量總量%1美國美國111.3102.033.3246.625.12俄羅斯俄羅斯49.097.510.5157.016.03中國中國62.233.718.6114.511.64澳大利

8、亞澳大利亞47.31.941.290.49.25印度印度72.7-2.074.77.66德國德國24.0-43.067.06.87南非南非55.3-55.35.68烏克蘭烏克蘭16.416.01.934.43.59 哈薩克斯坦哈薩克斯坦31.0-3.034.03.510波蘭波蘭12.1-2.214.31.511巴西巴西-12.0-12.01.212加拿大加拿大4.51.32.88.00.9合計合計509.5279.0195.7984.292.5陳鵬陳鵬中國煤炭性質、分類和利用中國煤炭性質、分類和利用化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，2001探明可采儲量？探明可采儲量？煤炭的儲量煤炭的

9、儲量 煤炭儲量的含意復雜煤炭儲量的含意復雜 - 依據研究程度和可靠程度分級依據研究程度和可靠程度分級 - 包括根據少量數據推測的包括根據少量數據推測的 - 預測資源（根據地質理論預測的）預測資源（根據地質理論預測的）陳鵬陳鵬中國煤炭性質、分類和利用中國煤炭性質、分類和利用化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，2001根據對煤層位置、煤質、煤種、厚度、結構、工藝性質等的認識根據對煤層位置、煤質、煤種、厚度、結構、工藝性質等的認識我國我國50年代：年代：A、B、C、D、E、F、G（可靠程度變弱）（可靠程度變弱）已確定已確定基本確定基本確定推測，一般不致落空推測，一般不致落空工業儲量（其中一部

10、分為工業儲量（其中一部分為探明可采儲量探明可采儲量）煤炭的儲量煤炭的儲量 煤炭儲量和煤炭儲量和“真實真實”煤炭量的不同煤炭量的不同- 1974年國際能源會議規定資源量不包括：年國際能源會議規定資源量不包括： 厚度小于厚度小于0.6 m、深度大于、深度大于1500 m的煤層的煤層- 各國標準不同各國標準不同煤類煤類埋深（埋深（m）煤層厚度（煤層厚度（m）褐煤褐煤最小值最小值最大值最大值 50（加拿大）（加拿大） 700（土耳其）（土耳其）0.5（南非）（南非）1.5（烏克蘭）（烏克蘭）次煙煤次煙煤最小值最小值最大值最大值 300（加拿大）（加拿大）1800（烏克蘭）（烏克蘭）0.6（烏克蘭）（烏

11、克蘭）1.5（澳大利亞）（澳大利亞）煙煤和無煙煤煙煤和無煙煤最小值最小值最大值最大值 400（南非）（南非）1800（烏克蘭）（烏克蘭）0.2（美國）（美國）1.5（澳大利亞）（澳大利亞）陳鵬陳鵬中國煤炭性質、分類和利用中國煤炭性質、分類和利用化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，2001中國煤炭儲量的計算中國煤炭儲量的計算 中國計算標準中國計算標準 - 與與煤的價值、傾角和開采方式煤的價值、傾角和開采方式有關有關儲量類別儲量類別煤層煤層厚度厚度煤層煤層傾角傾角能能利用儲量利用儲量暫不能暫不能利用儲量利用儲量焦煤焦煤動力煤動力煤褐煤褐煤焦煤焦煤動力煤動力煤褐煤褐煤最低最低厚度厚度(m)4

12、5o0.50.60.80.40.50.6露天開采露天開采1.0露天開采露天開采0.5高高品位煤的品位煤的最低厚度最低厚度小小低低品位煤的品位煤的最低厚度最低厚度大大陳鵬陳鵬中國煤炭性質、分類和利用中國煤炭性質、分類和利用化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，2001對目前暫對目前暫不能利用的不能利用的條件放寬條件放寬我國的資源狀況我國的資源狀況 我國是能源缺乏的國家（從人口的角度看）我國是能源缺乏的國家（從人口的角度看） 煤炭、石油、天然氣、水能、太陽能、風能等煤炭、石油、天然氣、水能、太陽能、風能等 50 7 3 100 100 100 世界人均值世界人均值 煤炭的基礎數據煤炭的基礎數

13、據資源量資源量？探明儲量探明儲量20000 億噸億噸探明可采儲量探明可采儲量 1145 億噸億噸2009年產量年產量 29.6 億噸億噸1999年年2006年年 2050年年天然氣天然氣3.1%水電水電7.8%石油石油20.9%煤煤68.2%煤煤69.4石油石油20.4%天然氣天然氣3%水電水電7.2% 煤煤50其他其他10-7m的毛細孔中的水的毛細孔中的水- 內在水內在水在直徑在直徑10-7m的毛細孔中的水的毛細孔中的水 結晶水結晶水含于礦物質之中，如：含于礦物質之中，如：石膏石膏 CaSO42H2O高嶺土高嶺土 2Al2O34SiO24H2O 分析方法分析方法國家標準國家標準加熱至加熱至4

14、5-50oC：外在水：外在水加熱至加熱至105-110oC：全水：全水郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992無機組分無機組分水分煤分子結構中的水分煤分子結構中的“水水” 煤熱解、液化等過煤熱解、液化等過程中產生水程中產生水 這些這些“水水”在工業在工業分析中被定義為分析中被定義為“揮發分揮發分” 在元素分析中由在元素分析中由“O”含量度量含量度量O和和H水分的影響水分的影響 運輸（特別是褐煤）運輸（特別是褐煤） 轉化過程（熱解、氣化、液化）轉化過程（熱解、氣化、液化） 產物品質（油品、加工提質、應用）產物品質（油品、加工提質、應用） 生物質能源利用中生物質

15、能源利用中“水水”的影響的影響木材組成木材組成CHOWt%49744Mole比比11.70.7工業分析工業分析 - 灰分（灰分（A） 灰分是經驗用詞，源于燃燒；灰分是經驗用詞，源于燃燒； 灰分是灰分是某些某些無機組分燃燒后的殘余無機組分燃燒后的殘余 礦物質形態礦物質形態- 粘土（高嶺土、伊利石等）粘土（高嶺土、伊利石等）- 硫化物類（黃鐵礦、白鐵礦等）硫化物類（黃鐵礦、白鐵礦等）- 氧化物類（石英、氧化鐵等）氧化物類（石英、氧化鐵等）- 碳酸鹽類（方解石、菱鐵礦等）碳酸鹽類（方解石、菱鐵礦等） 形態與來源的關系？形態與來源的關系？ 原生礦物？原生礦物？ 污染物組分？污染物組分？某些無機物揮發某

16、些無機物揮發某些無機物氧化某些無機物氧化 灰分被認為來源于礦物質灰分被認為來源于礦物質- 原生礦物質原生礦物質 來源于成煤植物，一般不超過來源于成煤植物，一般不超過1-2%- 次生礦物質次生礦物質 成煤中進入的（風、水），一般在成煤中進入的（風、水），一般在10%- 外來礦物質外來礦物質 采掘中帶入的，與開采方法有關采掘中帶入的，與開采方法有關郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992灰分微量污染元素灰分微量污染元素 關注最多的是，美國關注最多的是，美國1990年頒布的潔凈空氣法修正案年頒布的潔凈空氣法修正案（Clean Air Act Amendments）

17、中的）中的11中無機元素：中無機元素：砷（砷（As）、銻（）、銻（Sb）、鈹（）、鈹（Be）、鎘（）、鎘（Cd）、）、鉻（鉻（Cr）、鈷（）、鈷（Co）、鉛（）、鉛（Pb）、錳（）、錳（Mn）、）、汞（汞（Hg）、鎳（）、鎳（Ni）、硒（）、硒（Se） 含量較低：含量較低：0.011500 g/g 之間，但煤的用量大之間，但煤的用量大袁權袁權能源化學進展能源化學進展化學工業出版社化學工業出版社2005 含量不是環境效應的唯一因素，更重要是賦存形態。含量不是環境效應的唯一因素，更重要是賦存形態。 雖然展開了不少研究，但目前對雖然展開了不少研究，但目前對:- 煤中微量元素的賦存狀態煤中微量元素的賦

18、存狀態- 賦存形態隨成煤條件的變化賦存形態隨成煤條件的變化- 在煤炭轉化過程中的變遷在煤炭轉化過程中的變遷 知之甚少知之甚少灰分的影響灰分的影響 煤利用中的很多問題直接與礦物質相關，不直接與有機組煤利用中的很多問題直接與礦物質相關，不直接與有機組分相關分相關 對工藝影響大的是熔融性（燃燒、氣化、煉鐵、電石）對工藝影響大的是熔融性（燃燒、氣化、煉鐵、電石）- 熔融性與其組成相關熔融性與其組成相關 對環境的影響對環境的影響 渣、塵、硫、硝、重金屬、鹵素、堿金屬渣、塵、硫、硝、重金屬、鹵素、堿金屬 能耗（運輸、加工）能耗（運輸、加工） 優點優點 催化劑（氣化催化劑（氣化 - 堿金屬；液化堿金屬；液化

19、 - 硫化鐵）硫化鐵） 建筑材料（水泥、磚、筑路）、提取有用成分建筑材料（水泥、磚、筑路）、提取有用成分 煤的洗選是脫除礦物質的重要方法煤的洗選是脫除礦物質的重要方法- 物理物理 利用性質差異（比重、表面性質等）利用性質差異（比重、表面性質等）- 化學化學 反應后分離（溶解）反應后分離（溶解）郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992工業分析工業分析 - 揮發分（揮發分（V） 揮發分是個揮發分是個“加工加工”概念，其值與加工條件有關概念，其值與加工條件有關 隔絕空氣，隔絕空氣，1克煤在克煤在900 oC加熱加熱7分鐘（分鐘（失重量失重量）- 值與基準有關值與基

20、準有關干燥基干燥基：失重量水分（：失重量水分（M） A + V + FC = 100%無水無灰基無水無灰基：失重量：失重量MA V + FC = 100% 揮發分不一定是煤中原有組分，大部分是熱解產物揮發分不一定是煤中原有組分，大部分是熱解產物 揮發分不等同有機物，還有揮發分不等同有機物，還有“水水”、揮發性無機物、揮發性無機物 定義與煉焦有關，但對燃燒、氣化、液化有借鑒意義定義與煉焦有關，但對燃燒、氣化、液化有借鑒意義 揮發分是總量，不反映過程中的揮發分是總量，不反映過程中的階段釋放行為、組成變化階段釋放行為、組成變化對煤液化、煤基化學品制備對煤液化、煤基化學品制備非常重要非常重要工業分析工

21、業分析 - 固定碳（固定碳（FC） 固定碳也是個固定碳也是個“加工加工”概念，其值也與加工條件有關概念，其值也與加工條件有關 固定碳的量是殘留物減去灰分固定碳的量是殘留物減去灰分 固定碳不是煤中原有的組分，是熱解反應的產物固定碳不是煤中原有的組分，是熱解反應的產物 部分源于部分源于“油油”和和“氣氣” 固定碳含有固定碳含有C、H、O、S、N及其他元素及其他元素 從無水無灰（從無水無灰（daf, dry and ash free）的角度看）的角度看FCV100煤熱解留下多少、揮發了多少（針對煉焦過程）煤熱解留下多少、揮發了多少（針對煉焦過程）不同煤種的工業分析差異不同煤種的工業分析差異褐煤褐煤超

22、無煙煤超無煙煤無煙煤無煙煤半無煙煤半無煙煤低揮發分低揮發分煙煤煙煤中揮發分中揮發分煙煤煙煤高揮發分高揮發分煙煤煙煤A高揮發分高揮發分煙煤煙煤B高揮發分高揮發分煙煤煙煤C次次煙煤煙煤A次次煙煤煙煤B次次煙煤煙煤C哪種煤的哪種煤的“揮發分揮發分”最多？最多？哪種煤的哪種煤的“加工加工”最復雜？最復雜？郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992“煙煙”煤？煤？不同煤性質之間的關系不同煤性質之間的關系郭崇濤煤化學化學工業出版社，北京，19920 02020404060608080404060608080100100 Cdaf (%)Vdaf (%)無煙煤無煙煤煙煤煙煤

23、褐煤褐煤 元素分析元素分析的碳含量的碳含量（Cdaf）與）與工業分析工業分析的揮發分（的揮發分（Vdaf）相）相關關不同煤中的不同煤中的C是是如何分布的？如何分布的？ 煤中的煤中的C不主要在不主要在V中，而主要在中，而主要在FC中中(Vdaf+FCdaf=100%)020406080020406080100 CV/Vdaf (%)Vdaf (%)揮發分揮發分(Vdaf)中的中的C無煙煤無煙煤煙煤煙煤褐煤褐煤Vdaf的品質不同的品質不同- 煙煤煙煤Vdaf含含C高高- 褐煤褐煤Vdaf含含C低低煤的工業分析說明了什么？煤的工業分析說明了什么？工業分析工業分析水分（水分（M）灰分（灰分（A）揮發分

24、（揮發分（V）固定碳（固定碳（FC）種類很多種類很多受環境影響受環境影響組成復雜組成復雜不代表礦物不代表礦物不反映污染物不反映污染物與熔點有些關系與熔點有些關系組成復雜組成復雜不是原煤組分不是原煤組分無組成信息無組成信息不全是有機物不全是有機物組成復雜組成復雜不全是碳不全是碳用于煉焦、燃燒，對其他過程有借鑒意義用于煉焦、燃燒，對其他過程有借鑒意義我國煤的元素組成（干燥無灰基，我國煤的元素組成（干燥無灰基，%）郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992煤種煤種CHON泥炭泥炭55-625.3-6.527-341-3.5低煤化程度褐煤低煤化程度褐煤60-705.5

25、-6.620-231.5-2.5高煤化程度褐煤高煤化程度褐煤70-76.54.5-6.015-201.0-2.5煙煤煙煤長焰煤長焰煤氣煤氣煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤貧煤貧煤77-8179-8582-8986.5-9188-92.588-92.74.5-6.05.4-6.04.8-6.04.5-5.54.3-5.04.0-4.710-158-124-93.5-6.53-52-50.7-2.21-1.121-2.01-2.00.9-2.00.7-1.8低變質無煙煤低變質無煙煤88-933.2-4.02-40.8-1.5中變質無煙煤中變質無煙煤93-952.0-3.22-30.6-1.0高變質無煙煤

26、高變質無煙煤95-980.8-2.01-20.3-1.0N=1?煤的元素分析煤的元素分析 碳（碳（C）、氫（）、氫（H）、氧（）、氧（O）、氮（）、氮（N）、硫（）、硫（S）與煤化程度與煤化程度有有關關與煤化程度與煤化程度無無關關為什么？為什么？（來源、在結構中的位置、煤化過程）（來源、在結構中的位置、煤化過程）煤的物理性質煤的物理性質煤的煤的比表面積比表面積郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992C (%)BET比表面積（比表面積（m2/g）N2 (-196 oC)CO2 (-78 oC)CO2 (25 oC)95.23424622490.0 014614

27、686.2 010712583.6 08010479.2119213272.712198139 氣體向微孔內部擴散屬于活性擴散過程，需一定的活化能氣體向微孔內部擴散屬于活性擴散過程，需一定的活化能 N2在在-196 oC下測定，只能測較大的孔隙，下測定，只能測較大的孔隙，不能測定微孔不能測定微孔 一般認為，一般認為，CO2在在78 oC可測出煤的總表面積可測出煤的總表面積是么？是么？ 煤中的孔？煤中的孔？煤的孔隙率和煤化程度的關系煤的孔隙率和煤化程度的關系郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，北京，化學工業出版社，北京，1992 孔隙率的定義孔隙率的定義 “介質介質”或或“探針分探針分子子”消失的量計算消失的量計算 粉末樣品粉末樣品 使用價值使用價值 ？ 孔徑分布孔徑分布- 微孔（微孔（ 30 nm）孔徑？孔徑？孔的形狀？孔的形狀？煤物理性質與煤階的關系煤物理性質與煤階的關系郭崇濤郭崇濤煤化學煤化學化學工業出版社，化學工業出版社，1992煤化程度與顯微組分煤化程度與顯微組分密度密度的關系的關系 80 90 100 C (%)密