煤炭综合利用与环境污染

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：煤炭可以直接燃烧，但这样只利用了煤炭应有价值的一半，对环境污染也比较严重。所以如何合理利用煤炭资源是很重要的问题，要了解煤炭的综合利用，有必要先了解煤炭的形成及其组成。此外还有煤灰和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。煤的气化过程涉及10个基本化学反应：其中H2，CO，CH4都是可燃气体，也是重要的化工原料。

随着蒸汽机的发明和推广应用，煤逐渐成为能源的“主角”。最先大量用煤做能源的是英国。英伦三岛森林资源有限而又是产业革命的发源地，对煤炭有着迫切的需要。世界各地虽然都有煤炭资源，但分布并不均匀，绝大部分都埋藏在北纬30o以上地区。预测储量前苏联最多，美国次之，我国为第三，三者之和占全球煤资源的90%。煤炭作为化石燃料是非再生能源，按现在的开采速度估计，煤只能用几百年。煤炭可以直接燃烧，但这样只利用了煤炭应有价值的一半，对环境污染也比较严重。所以如何合理利用煤炭资源是很重要的问题，要了解煤炭的综合利用，有必要先了解煤炭的形成及其组成。

煤是由远古时代的植物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用转变而成的固体可燃物。人们在煤层及其附近发现大量保存完好的古代植物化石；在煤层中可以发现炭化了的树干；在煤层顶部岩石中可以发现植物根、茎、叶的遗迹；把煤磨成薄片，置于显微镜下可以看到植物细胞的残留痕迹。这些现象都说明成煤的原始物质是植物。

这些古代植物是怎样变成煤的呢？按生物演化过程，地球的历史可以分为古生代、中生代和新生代三大时期。气候温湿植物茂盛始于古生代中期，距今已有3亿年之久。植物从生长到死亡，其残骸堆积埋藏、演变成煤的过程当然是非常复杂的。经地质学家、煤田学家、化学家们的共同努力，现代的成煤理论认为煤化过程是：植物（泥炭（腐蚀泥）（褐煤（烟煤（无烟煤，这个过程称煤化作用。

植物生长茂盛并能大量繁殖的地方一般是沼泽、湖泊、浅海地区，气候湿润。枯死的植物残骸不断堆积，在细菌作用下腐败分解，表面部分能充分接触空气，完全分解为CO2和H2O。但埋藏在下层的则在缺氧甚至无氧的条件下腐败，慢慢地形成黑色的腐殖质。随植物残骸的继续堆积和深埋，这些腐殖质就在无氧条件下脱水，以及在分解产物间的互相作用下生成了腐殖酸，并变成棕褐色的凝胶状物质，称为泥煤（或泥炭），其中腐殖酸的含量可达55%~60%。随着地壳的下沉，粘土砂石堆积在泥煤之上形成一块顶板，在地热和顶板压力条件下，这些泥煤继续发生失水，并有硬结、紧缩等现象。这个过程很漫长，并使泥煤中的腐殖酸减少，氢和氧含量也减少，而碳含量增加，这就形成了褐煤。当它继续沉降到较深的地方时，煤层所受压力可以达105~106kPa，地热温度可达200℃（左右，此时褐煤的腐殖酸含量、氢和氧的含量继续减少，碳含量不断增加，逐渐形成了烟煤，然后变成无烟煤。所以烟煤和无烟煤是老年煤，形成的时间最长，合碳量高，发热量高；而褐煤和泥煤则比较年轻，合碳量较低，发热量也较低。它们的含碳量范围大致如下：

此外，它们的挥发物、水分、灰分和发热量也有差别。由于发生变化的环境不同，煤的组成差别可以很大，在煤炭工业界有多种详细的分类和牌号。总之，煤是古代植物遗骸埋藏在地下，经过漫长的时间，处于空气不足的条件下逐渐形成的。“漫长”是万万年或千万年，这样漫长，无法在短期内重演，所以把煤看作不可再生能源。“空气不足”意味着植物中所含的碳和氢没有完全氧化（尤其是碳），这就是煤所含的潜在能量。植物生长借叶绿素吸收太阳能发生光合作用：

植物吸收太阳能，储存太阳能。腐殖过程和煤化过程，实际都是氧化过程，即上述反应的逆过程，并逐步释放能量。在缺氧的条件下，水分可以逸出，但碳就不能全部变成CO2，而以碳原子相结合的形式固定下来。从煤的形成推本溯源，其能量乃是来自太阳能。煤的化学组成虽然各有差别，目前公认的平均组成是：

煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占70%），煤的年消费量在10亿吨以上，其中30%用于发电和炼焦，50%用于各种工业锅炉、窑炉，20%用于人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中C、H、S及N分别变成CO2，H2O，SO2及NOx。这样热效率的利用并不高，如煤球热效率只有20%~30%；蜂窝煤高一点，可达50%，而碎煤则还不到20%。至于工业锅炉用煤的热效率不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。煤开采后应该就地进行筛分、破碎，洗选除去一些无用的杂质。随着机械化采煤的发展，煤粉的比例提高，所以还应将煤粉在加压加温条件下成型（球、民砖等），然后供应用户，以减少运输量，提高热效率。直接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（SO2），氮的氧化物（NOx）等是造成酸雨的罪魁，大量CO2的产生是全球气温变暖的祸首。

此外还有煤灰和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题，合理利用和综合利用煤资源的办法不断出现和不断推广，其中最令人关心的一是如何使煤转化为清洁的能源，二是如何提取分高煤中所含宝贵的化工原料。

现在已有实用价值的办法是煤的气化、煤的焦化和煤的液化。

（一）煤的气化

是让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体，以气体燃料的方式经管道输送到车间、实验室、厨房等，也可以作为原料气体送进反应塔。

煤的气化过程涉及10个基本化学反应：(www.chuimin.cn)

其中H2，CO，CH4都是可燃气体，也是重要的化工原料。例如化肥厂在合成氨时，需要原料H2，可利用反应④和③；供居民用燃料时最好的是CH4，以反应①最理想，反应④生成的水煤气（CO＋H2），虽然热值也很高，但CO毒性大，H2又易爆，所以不如CH4气安全。根据煤气的不同用途，工程师们调节煤和空气、水和空气的比例，改进汽化炉的结构，控制反应温度和压力等条件以达到强化需要的反应，抑制不需要的反应的目的，作为燃料用的煤气实际是H2，CO，CO2，CH4，N2（由空气带人）的混合气体，它若作为化工原料对气体纯度有一定的要求，则对条件的控制要求更高，并还要适当地分离提纯。

（二）煤的焦化

也叫煤的干馏。这是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。随加热温度不同，产品的数量和质量都不同，有低温（500℃~600℃）、中温（750℃~800℃）和高温（1000℃~1100℃）干馏之分。

低温干馏所得焦炭的数量和质量都较差，但焦油产率较高，其中所含轻油部分，经过加氢可以制成汽油，所以在汽油不足的地方，可采用低温干馏。中温法的主要产品是城市煤气，而高温法的主要产品则是焦炭。

焦炭的主要用途是炼铁，少量用作化工原料制造电石、电极等。煤焦油是黑色粘稠性的油状液体，其中含有苯、酚、萘、蒽、菲等重要化工原料，它们是医药、农药、炸药、染料等行业的原料，经适当处理可以一一加以分离。

此外，还可以从煤焦油中分离出吡啶和喹啉，以及马达油和建筑和铺路用的沥青等。从煤焦油里分离鉴定的化合物已有400余种。从炼焦炉出来的气体，温度至少在700℃以上，其中除了含有可燃气体CO，H2，CH4之外，还有乙烯（C2H4），苯（C6H6），氨（NH3）等。在上述气体冷却的过程中氨气溶于水而成氨水，进而可加工成化肥；苯等芳烃化合物不溶于水而冷凝为煤焦油；乙烯等沸点高的气体，根据煤气的不同用途酌情处理。总之，煤经过焦化加工，使其中各成分都能得到有效利用，而且用煤气作燃料要比直接烧烘干净得多。

（三）煤的液化

煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由C，H，O等元素组成的有机物，但煤的平均表现分子量大约是石油的10倍，煤的含氮量比石油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢（450℃~480℃，12MPa~30MPa）可以得到多种燃料油。原理似乎简单，实际工艺还是相当复杂的，涉及裂解、缩合、加氢、脱氧、脱氮、脱硫、异构化等多种化学反应。不同的煤又有不同的要求。

上述这种先裂解再氢化的方法称直接液化法。另外还有一类方法称间接液化法，它是先使煤气化得到CO和H2等气体小分子，然后在一定的温度、压力和催化剂的作用下合成各种烷烃（CnH2n＋2）、烯烃（CnH2n）和乙醇（C2H5OH）、乙醛（CH3CHO）等。第一个采用间接液化法的工厂建成于1935年，至今已有70年历史。目前还有少数缺油富煤的国家采用这种方法。

综上所述，煤既是能源，也是重要的化工原料。

煤炭综合利用与环境污染

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