1、2022-6-201煤煤 ? ? A black stone that would burn and was sometimes used by blacksmiths instead of charcoal. 有一種黑石頭，可以燃燒，有時鐵匠可用它來代替木炭， 并把這種可燃燒的石頭稱anthrax（anthracite)。摘自Theophrastus（西奧福來斯多斯）在公元前300年發表的De Lapidus(巖石學) 2022-6-202各種煤的基本結構單元各種煤的基本結構單元大致反映了各種煤的結構單元的特點和立體結構，大致反映了各種煤的結構單元的特點和立體結構，缺點是沒有包括所有雜原子、

2、各種可能存在的官能缺點是沒有包括所有雜原子、各種可能存在的官能團與側鏈。團與側鏈。2022-6-203包含的縮合芳香環包含的縮合芳香環數平均數平均9個，縮合個，縮合芳環數很高。代表芳環數很高。代表20世紀世紀60年代以前年代以前經典結構模型的特經典結構模型的特點。點。正確反映了年輕煙煤沒有大的縮合芳香正確反映了年輕煙煤沒有大的縮合芳香核（主要是萘環），分子呈線性排列，核（主要是萘環），分子呈線性排列，并有空間結構，有氫鍵和含氮雜環等存并有空間結構，有氫鍵和含氮雜環等存在。不足是沒有考慮硫結構，沒有醚鍵在。不足是沒有考慮硫結構，沒有醚鍵和兩個碳原子以上的次甲基橋鍵。和兩個碳原子以上的次甲基橋鍵。

3、2022-6-204迄今為止比較全面、合理迄今為止比較全面、合理的一個模型，它基本反映的一個模型，它基本反映了煤分子結構的現代概念，了煤分子結構的現代概念，可以解釋煤的液化和其他可以解釋煤的液化和其他化學反應性質。化學反應性質。最早考慮到低分子化合物最早考慮到低分子化合物的存在，縮合芳環以菲為的存在，縮合芳環以菲為主，之間有較長次甲基鍵主，之間有較長次甲基鍵連接，不足是沒有考慮硫連接，不足是沒有考慮硫和氮的存在。和氮的存在。2022-6-205煤是由通過煤是由通過C-C鍵直接連在一起的帶有脂肪側鏈的大的芳環和雜環鍵直接連在一起的帶有脂肪側鏈的大的芳環和雜環的核所構成，其中有含氧官能團和醚鍵。的

4、核所構成，其中有含氧官能團和醚鍵。2022-6-206煤分子結構的基本概念煤分子結構的基本概念煤是高分子化合物的復雜的混合物，每個高分子化合物的縮合程度各煤是高分子化合物的復雜的混合物，每個高分子化合物的縮合程度各不相同，構成煤的高分子化合物的基本結構單元彼此也不同，這不僅不相同，構成煤的高分子化合物的基本結構單元彼此也不同，這不僅明顯地表現在不同成煤階段的煤中以及同一成煤階段不同顯微組分上，明顯地表現在不同成煤階段的煤中以及同一成煤階段不同顯微組分上，即使是同一成煤階段的煤或同一顯微組分的分子間，其縮合程度和基即使是同一成煤階段的煤或同一顯微組分的分子間，其縮合程度和基本結構單元也不可能相同

5、。本結構單元也不可能相同。煤分子中的基本結構單元是由芳香族結構、脂芳族結構以及脂環族結煤分子中的基本結構單元是由芳香族結構、脂芳族結構以及脂環族結構組成的。此構組成的。此 外，還有醚型的氧在基本結構單元之間以氧橋的形式外，還有醚型的氧在基本結構單元之間以氧橋的形式存在。也可以說，煤分子的基本結構單元由兩部分組成，規則部分的存在。也可以說，煤分子的基本結構單元由兩部分組成，規則部分的縮合環結構稱為核，在核的周圍有各種側鏈和官能團為不規則部分。縮合環結構稱為核，在核的周圍有各種側鏈和官能團為不規則部分。基本結構單元中的芳香環結構有單環的苯環、雙環的萘環、三環的菲基本結構單元中的芳香環結構有單環的苯

6、環、雙環的萘環、三環的菲環和蒽環，還有四環和五環以上的縮合環的形式；脂環結構既有與芳環和蒽環，還有四環和五環以上的縮合環的形式；脂環結構既有與芳香環一起縮合的結構存在，又有單獨存在的；而脂肪族結構是指結合香環一起縮合的結構存在，又有單獨存在的；而脂肪族結構是指結合在芳香環或脂環上的那些以側鏈存在的烷基。在芳香環或脂環上的那些以側鏈存在的烷基。了解煤的分子結構對煤的有效、合理轉化具有重要了解煤的分子結構對煤的有效、合理轉化具有重要的指導作用。的指導作用。2022-6-207煤炭的生成煤炭的生成 植物經數千年到數萬年復雜的生物化學變化過程形成泥炭植物經數千年到數萬年復雜的生物化學變化過程形成泥炭（

7、一種松軟有機質的堆積物）；（一種松軟有機質的堆積物）； 泥炭在不太深的地下經數百萬年因壓力和溫度等作用發生泥炭在不太深的地下經數百萬年因壓力和溫度等作用發生一系列物理化學變化（成巖作用）轉變成褐煤或煙煤；一系列物理化學變化（成巖作用）轉變成褐煤或煙煤； 褐煤或煙煤在地下深處再經數千萬年以上因壓力、溫度和褐煤或煙煤在地下深處再經數千萬年以上因壓力、溫度和時間的化學物理作用（變質作用）形成煙煤或無煙煤。時間的化學物理作用（變質作用）形成煙煤或無煙煤。無煙煤煙煤褐煤泥炭植物煤炭是一種寶貴的不可再生的資源，必須煤炭是一種寶貴的不可再生的資源，必須加以高效、經濟和合理地利用。加以高效、經濟和合理地利用。

8、2022-6-208煤炭的種類煤炭的種類按大類分：按大類分： 腐植煤類：由高等植物形成。腐植煤類：由高等植物形成。 腐泥煤類：由低等植物形成。腐泥煤類：由低等植物形成。 腐植腐泥煤類：兼有兩類植物的環境形成。腐植腐泥煤類：兼有兩類植物的環境形成。按煤中含碳量或揮發分分：按煤中含碳量或揮發分分： 泥炭、褐煤（低煤階褐煤和高煤階褐煤）、煙煤（長泥炭、褐煤（低煤階褐煤和高煤階褐煤）、煙煤（長焰煤、不粘煤、弱粘煤、焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、氣中粘煤、氣 煤、肥煤、煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤（低階無煙煤、中階無焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤（低階無煙煤、中階無煙煤、高階無煙煤）、殘植煤等

9、。煙煤、高階無煙煤）、殘植煤等。2022-6-209煤的分析煤的分析 工業分析（水分、灰分、揮發分、固定碳）工業分析（水分、灰分、揮發分、固定碳） 元素分析（元素分析（C、H、N、O、S） 發熱量（彈筒、高位、低位）發熱量（彈筒、高位、低位） 礦物質、灰成分和灰熔點礦物質、灰成分和灰熔點 分析基準：分析基準： 收到基（收到基（ar）、空氣干燥基（）、空氣干燥基（ad）、干燥基（）、干燥基（d）、干）、干燥無灰基（燥無灰基（daf）、干燥無礦物基（）、干燥無礦物基（dmmf）2022-6-2010煤的歷史煤的歷史-Ancient World 中國是最先大規模使用煤的國家，公元中國是最先大規模使用

10、煤的國家，公元300300年（西晉）煤用于冶金年（西晉）煤用于冶金( (鑄造鑄造) ) 和家庭和家庭取暖。取暖。 公元公元10001000年（北宋），煤已成為中國主要年（北宋），煤已成為中國主要燃料和能源。燃料和能源。 Marco PoloMarco Polo把中國人使用煤的方法傳到西把中國人使用煤的方法傳到西方，他在中國渡過了方，他在中國渡過了2424年，在年，在12951295年（元年（元朝）回到意大利朝）回到意大利VeniceVenice，“可以挖一種能可以挖一種能燃燒的黑石頭作燃料燃燒的黑石頭作燃料” 。 天工開物 1637 2022-6-2011煤的歷史煤的歷史-Middle Age

11、s 公元公元900年代，德國進行煤開采；年代，德國進行煤開采； 13世紀，商業化的煤開采遍布英國及歐洲大陸，煤世紀，商業化的煤開采遍布英國及歐洲大陸，煤開始用于過程加熱開始用于過程加熱( (如燒石灰如燒石灰CaCO3CaOCO2)，1226年，倫敦出現年，倫敦出現“ Lime Burners Lane or Sea coal Lane”街；街； 1414世紀，煤炭貿易開始世紀，煤炭貿易開始（13281328年從法國用船運送小麥到英國，英國年從法國用船運送小麥到英國，英國煤運回法國）煤運回法國）。但這以前煤的主要用途是家庭取暖或偶。但這以前煤的主要用途是家庭取暖或偶爾代替木炭用于金屬加工；煤的用

12、途變得愈來愈廣爾代替木炭用于金屬加工；煤的用途變得愈來愈廣泛，英國的煤礦也從南向北發展。泛，英國的煤礦也從南向北發展。 2022-6-2012環境問題環境問題 挖坑取煤留下的洞成為危險的陷井，導致不少人淹死挖坑取煤留下的洞成為危險的陷井，導致不少人淹死（其中在（其中在1243年年Ralph Ulger成為第一個記載的在煤坑成為第一個記載的在煤坑中淹死的人）；中淹死的人）； 煤的燃燒產生煙，使煤有了煤的燃燒產生煙，使煤有了“dirty fuel”的名聲（第一的名聲（第一個受到燃煤污染影響的重要人物是個受到燃煤污染影響的重要人物是Eleanor，英國，英國Edward I 的妻子，據說在的妻子，據

13、說在1257年，由于在城堡中燒煤年，由于在城堡中燒煤產生的煙使她放棄諾丁漢城堡）；產生的煙使她放棄諾丁漢城堡）； 倫敦成為嚴重空氣污染最早的城市。由于燒石灰使用倫敦成為嚴重空氣污染最早的城市。由于燒石灰使用大量煤造成空氣質量的惡化，在大量煤造成空氣質量的惡化，在1285和和1288年先后有年先后有人提出訴訟。迫使皇家發布了禁止用煤的告示。人提出訴訟。迫使皇家發布了禁止用煤的告示。 2022-6-2013Royal Proclamation Forbidding the use of sea coal because an “intolerable smell diffuses througho

14、ut the neighboring palaces and the air is greatly affected to the annoyance of the magnates, citizens, and others there dwelling and to the injury of their bodily health”.2022-6-2014煤的歷史煤的歷史-Renaissance 禁令禁令無法無法阻止煤的使用；阻止煤的使用； 1616世紀中，在英國開始大規模的采煤，但木材或木炭世紀中，在英國開始大規模的采煤，但木材或木炭仍然是優選燃料；仍然是優選燃料； 到到1717世紀初

15、，英國和歐洲大陸出現木材嚴重短缺，所世紀初，英國和歐洲大陸出現木材嚴重短缺，所以很多國家采用增加煤炭生產來彌補木材的減少，工以很多國家采用增加煤炭生產來彌補木材的減少，工廠也把煤作為主要能源。廠也把煤作為主要能源。2022-6-2015煤的歷史煤的歷史-Industrial Revolution 從木材向煤作為主要能源轉移的一百年中，產生了二從木材向煤作為主要能源轉移的一百年中，產生了二個重大的發現個重大的發現: :由于煤的開采向地球深層進發需要有動力來驅動水泵以保持礦井由于煤的開采向地球深層進發需要有動力來驅動水泵以保持礦井的干燥，這種需要導致的干燥，這種需要導致蒸汽機的發明蒸汽機的發明 ;

16、 ;由于木炭愈來愈少，需要有方法使在煉鐵過程中用煤替代木炭，由于木炭愈來愈少，需要有方法使在煉鐵過程中用煤替代木炭，煉鐵工人學會了如何把煤轉化為焦炭，這也使大規模煉鐵工人學會了如何把煤轉化為焦炭，這也使大規模廉價鐵的生廉價鐵的生產產成為可能。成為可能。 蒸汽機和便宜的鐵為各種技術的廣泛和驚人發展提供了基蒸汽機和便宜的鐵為各種技術的廣泛和驚人發展提供了基礎。它也成為在西方文明史上的一個決定性的轉折點礎。它也成為在西方文明史上的一個決定性的轉折點工工業革命業革命。2022-6-2016工業革命帶來的重要變化工業革命帶來的重要變化 從小規模的以家庭形式的制造業向大工廠的轉變從小規模的以家庭形式的制造

17、業向大工廠的轉變 : : 蒸汽機為大工廠的生產需要提供可靠的動力源，而蒸蒸汽機為大工廠的生產需要提供可靠的動力源，而蒸汽機的廣泛應用又要求有大量廉價燃料的供給，而那汽機的廣泛應用又要求有大量廉價燃料的供給，而那時能滿足這一要求的只有煤炭。時能滿足這一要求的只有煤炭。 在當時，具有豐富煤資源的國家是最能適應由工業革在當時，具有豐富煤資源的國家是最能適應由工業革命帶來新的經濟變化的國家，主要是英國、美國、德命帶來新的經濟變化的國家，主要是英國、美國、德國和法國。國和法國。 19世紀國家的政治力量大小對應于所擁有煤的多少，世紀國家的政治力量大小對應于所擁有煤的多少，在那個時代，煤就意味著在那個時代，

18、煤就意味著power，即動力和權力。，即動力和權力。 2022-6-2017Coal miners 1910Coal miners in Hazleton PA, USA, 1900 2022-6-2018煤炭生產量變化煤炭生產量變化 19世紀末，世界煤產量有很大增長，從世紀末，世界煤產量有很大增長，從1865年的年的1億億8千萬噸到千萬噸到 1905年達年達9億億3千萬噸。千萬噸。 但但1912年與年與1970 年世界的煤消耗量幾乎不變，這期間年世界的煤消耗量幾乎不變，這期間戰時稍有增加，而在五十年代大蕭條和衰退時下降。戰時稍有增加，而在五十年代大蕭條和衰退時下降。 1970年代發展中國家工

19、業化的增加以及中東石油危機年代發展中國家工業化的增加以及中東石油危機造成的石油價格沖擊帶動新的煤炭生產增長勢頭。造成的石油價格沖擊帶動新的煤炭生產增長勢頭。2022-6-2019Coal Production of the World, around 19056CountryYearShort TonsEurope United Kingdom1905236,128,936Germany (coal)121,298,167Germany (lignite)52,498,507France35,869,497Belgium21,775,280Austria (coal)12,585,263Aus

20、tria (lignite)22,692,076Hungary (coal)19041,031,501Hungary (lignite)5,447,283Spain19053,202,911Russia190419,318,000Holland466,997Bosnia (lignite)540,237Bosnia (lignite)540,237Romania110,000Serbia1904183,204Italy (coal and lignite)1905412,916Sweden322,384Greece (lignite)1904466,997AsiaIndia19058,417,

21、739Japan190310,088,845Sumatra1904207,280Africa Transvaal19042,409,033Natal19051,129,407Cape Colony1904154,272America United States1905350,821,000Canada19047,509,860Mexico700,000Peru190572,665Australasia New South Wales19056,632,138Queensland529,326Victoria153,135Western Australia127,364Tasmania51,99

22、3New Zealand1,585,7562022-6-2020石油、天然氣對煤炭的影響石油、天然氣對煤炭的影響石油、天然氣的流體特性：易操作（用閥控制）；石油、天然氣的流體特性：易操作（用閥控制）；可以用管道輸送，易裝卸；燃燒不產生灰。可以用管道輸送，易裝卸；燃燒不產生灰。United States1905350,821,000石油、天然氣的出現，在西方國家煤炭的消耗比例逐石油、天然氣的出現，在西方國家煤炭的消耗比例逐漸下降，如美國：漸下降，如美國： 194550年代末年代末196570年代末年代末65332520最大產煤國由最大產煤國由19世紀末以前的英國，世紀末以前的英國，19世紀末美國

23、，世紀末美國，1950年前蘇聯，到目前的中國。年前蘇聯，到目前的中國。United Kingdom1905236,128,9362022-6-2021煤使用量增長的幾個因素煤使用量增長的幾個因素 油和天然氣遲早會供應不足；油和天然氣遲早會供應不足； 更有效的燃煤及轉化為合成燃料或化學品的新過程出更有效的燃煤及轉化為合成燃料或化學品的新過程出現為煤的利用提供新的選擇；現為煤的利用提供新的選擇； 涉及到依靠從政治上不穩定地區進口能源的有關問題；涉及到依靠從政治上不穩定地區進口能源的有關問題； 第三世界的發展開辟了煤的新市場，而且已成為世界第三世界的發展開辟了煤的新市場，而且已成為世界用煤的焦點用煤

24、的焦點（1950年北美和西歐的煤生產量為世界年北美和西歐的煤生產量為世界65，到，到1987年美國和西歐只占年美國和西歐只占30，中國、前蘇聯、東德、波蘭、捷克，中國、前蘇聯、東德、波蘭、捷克占占65，目前，煤提供約，目前，煤提供約25的世界能源需求的世界能源需求(1950年是年是60) 。2022-6-2022未來能源未來能源 石油和天然氣的供應將向少而貴的方向發展，必石油和天然氣的供應將向少而貴的方向發展，必須開發須開發inexhaustible和和nonpolluting能源：能源： sunlight biomass wind nuclear fusionMore energy from

25、 sunlight strikes Earth in 1 hour than all of the energy consumed by humans in an entire year.2022-6-20232022-6-2024以石油為基礎的經濟向非污染和用之不盡的能源為以石油為基礎的經濟向非污染和用之不盡的能源為基礎的經濟過渡中的三個選擇：基礎的經濟過渡中的三個選擇： 接受新的生活方式，包括消耗更少的能源接受新的生活方式，包括消耗更少的能源( (難以難以接受接受) )； 增加利用核能增加利用核能( (輿論輿論) )； 增加利用煤增加利用煤( (唯一選擇唯一選擇) )。1970s煤炭工業的

26、口號：煤炭工業的口號：Coal is American Ace in the hole (備而未用的王牌備而未用的王牌) 2022-6-2025現代工業文明對能源的要求現代工業文明對能源的要求電力電力運輸燃料運輸燃料從礦物中提煉金屬和化學品（如煉鐵）從礦物中提煉金屬和化學品（如煉鐵）化工產品，包括塑料、藥品、化肥化工產品，包括塑料、藥品、化肥過程熱，即在化學工業及金屬加工中用于鍋爐、過程熱，即在化學工業及金屬加工中用于鍋爐、熔化、退火改型等所需的熱熔化、退火改型等所需的熱 結論：煤可以滿足所有這些需要結論：煤可以滿足所有這些需要 2022-6-2026煤化工的范疇煤化工的范疇 煤化工是以煤為原

27、料，經過化學加工使煤轉化為氣體、煤化工是以煤為原料，經過化學加工使煤轉化為氣體、液體和固體燃料以及化學品的過程。液體和固體燃料以及化學品的過程。2022-6-2027一、從煤生產電一、從煤生產電 2022-6-20282022-6-20292022-6-20302022-6-20312022-6-20322022-6-2033中國中國2008年發年發電量電量: 34668.8 億億kwh水電水電:5851.9 億億kwh火電火電:27900.8 億億kwh核電：核電：1.3% 2022-6-2034Power BargeLM5000 Barge Mounted Power PlantMoore

28、d in Chittagong, Bangladesh2022-6-2035Mobile Type Gas Turbine Power PlantLM1500 Mobile Type Gas Turbine2022-6-2036Combined Cycle Power PlantCarson Energy LM5000 Combined Cycle Plant located in California, USA 2022-6-2037發電發電技術技術煤漿燃燒及傳統的粉煤燃燒的熱效率約為煤漿燃燒及傳統的粉煤燃燒的熱效率約為36-42%2022-6-20382022-6-2039IGCC的特點的

29、特點目標發電效率目標發電效率48%-50%， CO2排放達到燃油電廠水平。排放達到燃油電廠水平。2022-6-2040原料的靈活性原料的靈活性低的空氣污低的空氣污染物排放染物排放2022-6-2041爐渣的利用（可爐渣的利用（可用于瀝青路面、用于瀝青路面、水泥添加料）水泥添加料）與傳統與傳統PCF相比，冷卻相比，冷卻水降低水降低30%。降低設施用水消耗降低設施用水消耗（PCF中煙道氣脫硫消中煙道氣脫硫消耗大量水，在耗大量水，在IGCC中中處理的是燃氣，其體積處理的是燃氣，其體積遠低于煙道氣）。遠低于煙道氣）。2022-6-20422022-6-2043煤漿燃燒(slurry combustio

30、n) 燃水煤漿比燃原煤可提高燃燒效率5-10%，節能20%，并可降低煙塵排放量。 使用煤漿可改變傳統的運煤方法（鐵路、公路、水路），可通過管線輸送。 在煤漿配比中減少或增加某些成份可以減少在燃燒過程中灰和硫的產生（如在褐煤漿中減少Na含量，可以減少在鍋爐管是灰的沉積）。 水煤漿燃燒的關鍵問題關鍵問題是燃燒器的設計。2022-6-2044聯合循環發電（聯合循環發電（CCPCCP）系統類型）系統類型 煤在壓力流化床鍋爐中燃燒并脫硫，鍋爐產生的蒸汽推動汽輪機； 高壓下產生的熱氣體經除塵凈化后供給氣體透平，進透平氣體溫度不高于950oC; 熱效率比常規同參數蒸汽循環機組可提高3-5%; 脫硫效率可達9

31、9; Ox排放只是常規電站的15-30; 耗水量只是常規電站的 1/2-1/3。增壓流化床燃煤聯合循環發電增壓流化床燃煤聯合循環發電 （PFBC-CCPFBC-CC）2022-6-2045煤氣化聯合循環發電煤氣化聯合循環發電(IGCC)(IGCC) 煤氣化產生燃料氣體供氣體透平。 優點是較高的進口溫度，提高氣體透平的效率。 但按目前的透平技術進氣最高溫度不超過1100。 如允許更高進氣溫度的透平(如達到1400-1500，效率可達到43-45 ) 。 常壓流化床燃煤聯合循環發電常壓流化床燃煤聯合循環發電(AFBC-CC)(AFBC-CC)2022-6-2046流化床燃燒爐(Fluidized-

32、bed combustors) 燃料范圍寬(不僅可用各種煤，還可燒石油、木材，廢棄的燃料)，這大大增加安排燃料供應的靈活性。 操作靈活，輸出范圍設計滿負荷甚至空運行。可根據外界供電需要隨意調整。減少SOx和NOx的生成。由于它的床層溫度一般在760-950，低于其它類型的燃燒爐。可采用爐內脫硫方法，排除煙道氣脫硫系統(占1/3投資) 2022-6-2047煤煤熱能熱能機械能機械能電電2022-6-2048磁流體發電技術Magnetohydrodynamics (MHD) 燃煤直接產電(即沒有介入機械能轉變步驟)的技術 。原理：導體運動通過磁場產生電流 。過程：在燃煤的MHD中，煤用預熱氧或富氧

33、空氣燃燒產生溫度多達2700 的燃燒氣體；超熱氣體通過一個導管，導管的兩面墻為電極，在導管的垂直方向設一個強的磁場，為了使燃燒氣體導電，加入容易離子化的晶種(通常為鉀K),離子化的傳導燃燒氣通過磁場產生電流，并由電極流出。2022-6-2049需要解決的問題由于高熱氣體(遠遠高于傳統的燃燒系統，甚至氣體透平)，對導管材料的選擇成為關鍵，再加上導管的兩壁為導體，其它兩壁為絕緣體，使問題更復雜，更重要的是在商業化工廠，導管必須具備長的使用時間、最少的維護。用于晶種K(鉀)的費用大于原煤。據估計，為達到經濟的操作，鉀的回收率必須達99。 2022-6-2050發電效率 加入蒸汽循環后的MHD系統大大

34、地改善了總的效率，據估計，對大規模的MHD加蒸汽循環發電廠的效率在45至55。 熱功率熱功率25兆瓦燃煤磁流體發電機實驗裝備兆瓦燃煤磁流體發電機實驗裝備 該實驗裝備于1990年基本建成，1992年底開始發電，迄今已經進行發電試驗14次，最長連續發電達2小時10分鐘，峰值發電功率130.8千瓦，成為研究燃煤磁流體發電機的燃燒室和發電通道的重要實驗研究基地。 2022-6-2051電化學過程 (Electrochemical processes) 煤煤熱能熱能機械能機械能電電由煤直接生產電 煤煤熱能熱能機械能機械能電電2022-6-2052煤直接生產電 原理：原理：C+O2 CO2 最理想的過程是

35、碳、氧和最理想的過程是碳、氧和CO2都在同一溫度，在一個都在同一溫度，在一個幾乎可逆的系統中進行，但不可能達到。幾乎可逆的系統中進行，但不可能達到。 要達到近似的可逆系統，保持反應物和產物在相同溫要達到近似的可逆系統，保持反應物和產物在相同溫度的方法是把煤的氧化過程組成一個電池度的方法是把煤的氧化過程組成一個電池燃料電池燃料電池 。 在燃料電池中，反應劑與電極是分開的，只有需要產在燃料電池中，反應劑與電極是分開的，只有需要產電時，才與電極接觸。電時，才與電極接觸。 以煤為基礎的燃料電池有兩種選擇：直接電池和間接以煤為基礎的燃料電池有兩種選擇：直接電池和間接電池。電池。 2022-6-2053直

36、接電池 Carbon（煤）為負極（煤）為負極 銅和鐵作為正極銅和鐵作為正極 (但在研究中，用貴金屬如鉑、銀、金但在研究中，用貴金屬如鉑、銀、金為正極為正極) O2在正極電離在正極電離 以以NaOH或次氯酸鈉為電介質或次氯酸鈉為電介質 凈化學反應是凈化學反應是C+O2=CO2 研究焦點：用融熔鹽作為電介質研究焦點：用融熔鹽作為電介質2022-6-2054間接電池 用CO或由煤氣化得到的CO+H2替代Carbon電極與O2反應；理論上，間接電池回收按由C轉變為CO2的約65能量，但間接電池通常可產生較高的電壓。 NiO正極Pt負極熔融Na2CO3+K2CO3H2+COO2研究的例子：熔融碳酸鹽燃料

37、電池需要解決的技術問題：電介質對電極潤濕和電極的腐蝕。 2022-6-2055電池類型電池類型堿性燃料堿性燃料電池電池質子交換膜質子交換膜燃料電池燃料電池磷酸燃料磷酸燃料電池電池熔融碳酸鹽熔融碳酸鹽燃料電池燃料電池固體氧化物固體氧化物燃料電池燃料電池簡稱簡稱AFCPEMFCPAECMCFCSOFC電解質電解質KOHPEM磷酸磷酸Li2 CO3- K2 CO3YSZ致密氧化物透氧膜電解質形態電解質形態液體液體固體固體液體液體液體液體固體固體陽極陽極Pt/NiPt/CPt/CNi/Al,Ni/CrNi/YSZ工作溫度工作溫度502006080150220約約6509001050應用應用空間，機動空

38、間，機動車車電站，機動電站，機動車便攜式電車便攜式電源源共發電，機共發電，機動車，輕便動車，輕便電源電源共發電共發電共發電共發電主要燃料電池及其特性表主要燃料電池及其特性表2022-6-2056Fuel Cells1MW MCFC (125 kW unit)熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池2022-6-2057O2O2O2O2-O2-O2-O2-O2-H2, COH2O,C O2負載負載e空氣空氣燃料燃料陰極陰極電解質電解質陽極陽極固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFCSOFC）反應）反應2022-6-2058煤煤低溫熱低溫熱分解分解氣體氣體精制精制送電送電CO2送電送電800C

39、O2 （H2O）氣化爐氣化爐10001000CO、H2空氣空氣燃料電池燃料電池油料油料空氣空氣分離分離CO2 無機膜無機膜2022-6-2059Vision 212022-6-2060Vision 212022-6-2061Vision 212022-6-2062Vision 212022-6-2063Vision 212022-6-2064從煤中得到運輸燃料從煤中得到運輸燃料(TRANSPORTATION FUELS FROM COAL)蒸汽：蒸汽：用于燃煤蒸汽機車用于燃煤蒸汽機車 。 采用串聯流化床燃燒器（在第一個流化床中燃燒煤，采用串聯流化床燃燒器（在第一個流化床中燃燒煤，而在第二個流化

40、床用石灰石捕捉氧化硫而在第二個流化床用石灰石捕捉氧化硫) )。這種系統不僅。這種系統不僅可使用高硫煤，而且由于相對較低的燃燒溫度可排除氮可使用高硫煤，而且由于相對較低的燃燒溫度可排除氮氧化物和大塊灰渣的生成。氧化物和大塊灰渣的生成。2022-6-2065煤漿煤漿（Coal Slurries）煤漿煤漿：目的是替代在內燃機車中使用的石油基燃料：目的是替代在內燃機車中使用的石油基燃料。在在內燃機車使用煤漿提出兩個問題：內燃機車使用煤漿提出兩個問題： 煤漿中的水引起較長的煤漿中的水引起較長的ignition delay，難以保證機車發動，難以保證機車發動機大約機大約1000 rpm 的高速運轉。的高速

41、運轉。 在燃燒中產生的灰將加速發動機的磨損。在燃燒中產生的灰將加速發動機的磨損。 2022-6-2066液體燃料液體燃料 (Liquid Fuels) 通過煤直接或間接液化生產液體燃料，可替代目前使通過煤直接或間接液化生產液體燃料，可替代目前使用的來自石油的燃料用的來自石油的燃料 。 成功例子：二次世界大戰期間的德國，成功例子：二次世界大戰期間的德國，1950年代以來年代以來的南非，都從煤中得到液體燃料。的南非，都從煤中得到液體燃料。 除了特定的環境以外，是否從煤中商業化生產液體燃除了特定的環境以外，是否從煤中商業化生產液體燃料取決于和來自石油的燃料價格的竟爭而定。料取決于和來自石油的燃料價格

42、的竟爭而定。 2022-6-2067在在1970 年代末提出的交叉點年代末提出的交叉點( cross-over point)估計：估計： 1 1桶原油必須達到的比一桶煤液化燃料要貴的價桶原油必須達到的比一桶煤液化燃料要貴的價格，這個交叉點因人因時在格，這個交叉點因人因時在40-8040-80美元之間。美元之間。 “Coal liquefaction is the technology of the future and always will be” 悲觀論：這個交叉點永遠也不可能達到悲觀論：這個交叉點永遠也不可能達到 。原油價格液化油價格價格年代交叉點2022-6-2068煤液化技術研究 與

43、石油價格密切相關。從與石油價格密切相關。從70年代初（石油危機）的快年代初（石油危機）的快速增長到速增長到80年代初（油價跌至年代初（油價跌至$10/barrel)$10/barrel)迅速下降迅速下降 ，到目前重新重視。到目前重新重視。 據估計，從煤中生產液體燃料在據估計，從煤中生產液體燃料在21世紀的某個時候以世紀的某個時候以前商業化是不可能的。前商業化是不可能的。 對煤分子結構，斷鍵反應的基礎研究結果可能會引發對煤分子結構，斷鍵反應的基礎研究結果可能會引發新的煤液化技術的開發新的煤液化技術的開發( (在溫和的溫度和壓力下在溫和的溫度和壓力下) )，這，這些技術開發可使設備費下降，從而有可

44、能得到低成本些技術開發可使設備費下降，從而有可能得到低成本的產品。的產品。 2022-6-2069煤變油的方法煤變油的方法 煤直接液化煤直接液化 煤間接液化（煤間接液化（F-T合成）合成） 煤熱解煤熱解2022-6-20702022-6-2071煤炭液化的原理煤炭液化的原理CH4原油原油苯苯煤煤H/C4210.50.8提高提高H/C比的方法：比的方法： 加氫加氫 或或/和和 脫碳脫碳煤炭的直接液化煤炭的直接液化是煤在溶劑、催化劑和氫氣存在下，是煤在溶劑、催化劑和氫氣存在下，通過高溫（通過高溫（400-500oC）、高壓（）、高壓（1025 MPa）反應）反應得到液體產品的過程。得到液體產品的過

45、程。結果：結果：煤的大分子結構分解成小分子、提高了煤的大分子結構分解成小分子、提高了H/C、脫除煤中的雜原子和無機礦物質。脫除煤中的雜原子和無機礦物質。2022-6-20722022-6-20732022-6-2074The Victonian Brown Coal Liquefaction 50T/D Pilot Plant2022-6-2075煤液化過程研究煤液化過程研究 改善熱效率：增加煤油比；改善熱效率：增加煤油比； 改善油產率：通過優化過程條件和煤預處理等改善油產率：通過優化過程條件和煤預處理等 。 改善過程可靠性：通過改善煤性質（如：預處理）防腐和改善過程可靠性：通過改善煤性質（如

46、：預處理）防腐和防垢。防垢。 液化油的提質：改善產品價值和安全性。液化油的提質：改善產品價值和安全性。2022-6-20762022-6-20772022-6-2078先進煤液化工藝基礎研究先進煤液化工藝基礎研究目標：改善油產率和熱效率目標：改善油產率和熱效率1.高活性和高分散催化劑的開發高活性和高分散催化劑的開發2.無殘渣（完全轉化）液化過程的開發無殘渣（完全轉化）液化過程的開發3.溫和條件液化過程的開發溫和條件液化過程的開發2022-6-2079Complete Conversion Process2022-6-2080中國煤炭直接液化的研究與開發中國煤炭直接液化的研究與開發 煤炭直接液化

47、高效催化劑的研究與開發煤炭直接液化高效催化劑的研究與開發 煤炭直接液化關鍵技術的研究與開發煤炭直接液化關鍵技術的研究與開發 神華煤直接液化技術的商業化神華煤直接液化技術的商業化2022-6-2081煤炭直接液化高效催化劑的研究與開發煤炭直接液化高效催化劑的研究與開發 得到國家得到國家863計劃支持計劃支持 低價格：因催化劑產生的噸油生產成本大約為低價格：因催化劑產生的噸油生產成本大約為20元元. 易操作：催化劑的合成在常壓和常溫下進行，安全性好，易操作：催化劑的合成在常壓和常溫下進行，安全性好，催化劑具有好的重復性。催化劑具有好的重復性。高的催化活性：催化劑的加入高的催化活性：催化劑的加入量只

48、有干煤的量只有干煤的0.5%1.0% ，煤，煤轉化率大于轉化率大于90 wt%daf, 油產率油產率大于大于 60 wt%daf。2022-6-2082煤炭直接液化關鍵技術的研究與開發煤炭直接液化關鍵技術的研究與開發 小試：小試：2002年7月-2003年底 建立0.12t/d的連續煤直接液化裝置; 運轉10次共207天（約5000 h) 煤直接液化試驗.中試（中試（PDU） 2003年10月至2004年9月建立6 t/d PDU裝置并在2004年12月成功地進行神華煤的液化試驗. 在對PDU進行優化和改造的基礎上，2005年11月進行第2次試驗，并連續運轉了18天。 2006年底成功地進行了

49、第3次試驗（3000 h） ，基本解決了存在的問題，為工業化提供重要的保證。2022-6-20836 t/d PDU 試驗結果試驗結果 蒸餾油（蒸餾油（Distillate）產率）產率: 56%58% 轉化率轉化率: 90%92% 氣體產率氣體產率: 12%14% 水產率水產率: 11%13% 氫耗氫耗: 5%7%2022-6-2084神華煤直接液化技術的商業化神華煤直接液化技術的商業化 神華煤直接液化項目于神華煤直接液化項目于2004年年8月落地鄂爾多斯伊金霍月落地鄂爾多斯伊金霍洛旗。洛旗。2008年年12月月31日建成試車，運行日建成試車，運行300小時。小時。 神華煤直接液化項目總建設規

50、模為年產油品神華煤直接液化項目總建設規模為年產油品500萬噸，萬噸，分二期建設。分二期建設。 一期工程設計規模為年產油品一期工程設計規模為年產油品320萬噸，由三條主生產萬噸，由三條主生產線組成，包括煤液化、煤制氫、溶劑加氫、加氫改質、線組成，包括煤液化、煤制氫、溶劑加氫、加氫改質、催化劑制備等催化劑制備等14套主要生產裝置。一期工程總占地面套主要生產裝置。一期工程總占地面積積384公頃。公頃。 建設的第一條生產線，煤直接轉液化示范總投資建設的第一條生產線，煤直接轉液化示范總投資123億億元，建成投產后，每年用煤量元，建成投產后，每年用煤量345萬噸，可生產各種油萬噸，可生產各種油品品108噸

51、，其中液化石油氣噸，其中液化石油氣10.2萬噸，柴油萬噸，柴油72萬噸、石萬噸、石腦油腦油25萬噸、酚等其他產品萬噸、酚等其他產品0.8萬噸。萬噸。 2022-6-2085神華煤直接液化技術的商業化神華煤直接液化技術的商業化 神華集團的目標是：神華集團的目標是： 到到2010年煤炭生產大于年煤炭生產大于200 Mt/a，由煤炭液化得到的油，由煤炭液化得到的油和化學品達到和化學品達到10 Mt/a。 到到2020年煤炭生產大于年煤炭生產大于300 Mt/a，由煤炭液化得到的油，由煤炭液化得到的油和化學品達到和化學品達到30 Mt/a。2022-6-20862022-6-2087Demonstra

52、tion plant with capacity of 1 Mt/aPlanned construction period: 4 years2022-6-2088Shenhua DCL demonstration plant2022-6-2089Constructing Shenhua DCL demonstration plantTaken on June 18, 20082022-6-2090Constructing Shenhua DCL demonstration plant2022-6-2091Main Products of DCL Demonstration Plant Prod

53、uct: 100,000 t/a LPG 10.21 Naphtha 24.99 Diesel 71.46 Phenol 0.36 Total 107.022022-6-2092神華煤液化技術的主要特點神華煤液化技術的主要特點 設備超大型化，處理能力大設備超大型化，處理能力大, 效率高：單套原料煤效率高：單套原料煤處理能力達處理能力達6000 t/d；采用兩個強制循環懸浮床反；采用兩個強制循環懸浮床反應器。應器。 先進的煤液化工藝，溫和的反應操作條件。先進的煤液化工藝，溫和的反應操作條件。 新型高效的煤液化催化劑。新型高效的煤液化催化劑。 采用先進成熟的單元工藝技術的優化組合采用先進成熟的單元

54、工藝技術的優化組合 - 成熟的減壓蒸餾技術進行固液分離，使殘渣帶走的油只占成熟的減壓蒸餾技術進行固液分離，使殘渣帶走的油只占塔底物的塔底物的3%左右；左右； - 供氫溶劑全部加氫以提高溶劑的供氫能力；供氫溶劑全部加氫以提高溶劑的供氫能力； - 采用采用T-Star 工藝對液化粗油進行精制工藝對液化粗油進行精制。2022-6-2093項目采用的先進技術項目采用的先進技術煤液化反應器：煤液化反應器：2.25Cr-1Mo-1/4V, 反應器外徑反應器外徑5.5m, 壁厚壁厚335mm, 設備單體設備單體質量達質量達2050 t, 是目前世界上最大的反應器。是目前世界上最大的反應器。煤制氫裝置：煤制氫

55、裝置：Shell 粉煤加壓氣化工藝粉煤加壓氣化工藝, 氣化爐有效氣體氣化爐有效氣體( CO+H2) 生產能力為生產能力為150,000 m3/h。空分裝置：德國林德公司空分技術空分裝置：德國林德公司空分技術, 由兩條生產線組成由兩條生產線組成, 單條生產線制氧能力單條生產線制氧能力為為50,000m3/h。自備電站：神華煤直接液化項目一期工程第一條生產線用電負荷為自備電站：神華煤直接液化項目一期工程第一條生產線用電負荷為142MW, 需工業蒸汽需工業蒸汽400 t/h, 年排出油渣年排出油渣60萬萬t、洗中煤、洗中煤33萬萬t, 可燃性化工尾氣可燃性化工尾氣14,000m3/h30,000m3

56、/h。自備電站的燃料主要來源于煤直接液化所產生的。自備電站的燃料主要來源于煤直接液化所產生的油渣、洗中煤和可燃性化工尾氣油渣、洗中煤和可燃性化工尾氣, 不足部分補充洗中煤不足部分補充洗中煤, 電站總裝機容量為電站總裝機容量為500 MW, 其中一期工程裝機容量為其中一期工程裝機容量為200 MW。水處理裝置：克勞斯法處理酸性氣體進行硫回收。水處理裝置：克勞斯法處理酸性氣體進行硫回收。控制系統：控制系統：Honeywell為項目提供為項目提供9 套集散控制系統套集散控制系統( DCS) 、2 套緊急停車套緊急停車系統系統( ESD) 、3 套安全柵、套安全柵、9 套可燃氣體及有毒氣體檢測報警系統

57、套可燃氣體及有毒氣體檢測報警系統, 以及相關以及相關的機柜、系統接口、系統集成和備品備件的機柜、系統接口、系統集成和備品備件, 以保證項目的整體運行安全、可靠以保證項目的整體運行安全、可靠和高效。和高效。2022-6-2094State programming on coal chemical industry In Medium and Long Term Coal Chemical Industry Development Plan of NDRC: To invest more than US$128 billion to develop 7 alternative coal based

58、 synthesized fuel and chemicals technologies to reduce the import dependent of oil demand. To 2020, the capacity of coal to liquid will be 30 Mt/a, coal to methanol 66 Mt/a, coal to DME 20 Mt/a, and coal to olefins 8 Mt/a. Coal consumption in coal to oil and chemicals will be 252 Mt/a. More than 30

59、coal based projects are being planned or constructed. 2022-6-2095 In 11th Five-Year Plan (2006-2010) for Coal Industry Development of NDRC: To complete industrial demonstrations of CTL and coal to olefin in the “eleventh five year” period. 1) constructing a 1 Mt/a direct coal liquefaction demonstrat

60、ion plant and completing industrial demonstration of the self-owned direct coal liquefaction technology; 2) constructing a 3 Mt/a indirect coal liquefaction plant through importing the oversea mature technology and completing demonstration of commercial operation; 3) by using different technologies,