煤及煤化工进展

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煤的分析
• • • • • 工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳） 元素分析（C、H、N、O、S） 发热量（弹筒、高位、低位） 矿物质、灰成分和灰熔点 ……
分析基准：
收到基（ar）、空气干燥基（ad）、干燥基（d）、 干燥无灰基（daf）、干燥无矿物基（dmmf）
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环境问题
• 挖坑取煤留下的洞成为危险的陷井，导致不少人淹死 （其中在1243年Ralph Ulger成为第一个记载的在煤坑 中淹死的人）；
• 煤的燃烧产生烟，使煤有了“dirty fuel”的名声（第一 个受到燃煤污染影响的重要人物是Eleanor，英国 Edward I 的妻子，据说在1257年，由于在城堡中烧煤 产生的烟使她放弃诺丁汉城堡）；
煤炭是一种宝贵的不可再生的资源，必须 加以高效、经济和合理地利用。
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煤炭的种类
• 按大类分：
腐植煤类：由高等植物形成。 腐泥煤类：由低等植物形成。 腐植腐泥煤类：兼有两类植物的环境形成。
•
按煤中含碳量或挥发分分：
泥炭、褐煤（低煤阶褐煤和高煤阶褐煤）、烟煤（长 焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气 煤、肥煤、 焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤（低阶无烟煤、中阶无 烟煤、高阶无烟煤）、残植煤等。
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工业革命带来的重要变化
从小规模的以家庭形式的制造业向大工厂的转变 :
• 蒸汽机为大工厂的生产需要提供可靠的动力源，而蒸 汽机的广泛应用又要求有大量廉价燃料的供给，而那 时能满足这一要求的只有煤炭。 • 在当时，具有丰富煤资源的国家是最能适应由工业革 命带来新的经济变化的国家，主要是英国、美国、德 国和法国。 • 19世纪国家的政治力量大小对应于所拥有煤的多少， 在那个时代，煤就意味着power，即动力和权力。
• 煤分子中的基本结构单元是由芳香族结构、脂芳族结构以及脂环族结 构组成的。此 外，还有醚型的氧在基本结构单元之间以氧桥的形式 存在。也可以说，煤分子的基本结构单元由两部分组成，规则部分的 缩合环结构称为核，在核的周围有各种侧链和官能团为不规则部分。 •了解煤的分子结构对煤的有效、合理转化具有重要 基本结构单元中的芳香环结构有单环的苯环、双环的萘环、三环的菲 环和蒽环，还有四环和五环以上的缩合环的形式；脂环结构既有与芳 的指导作用。 香环一起缩合的结构存在，又有单独存在的；而脂肪族结构是指结合 在芳香环或脂环上的那些以侧链存在的烷基。
从木材向煤作为主要能源转移的一百年中，产生了二 个重大的发现:
• 由于煤的开采向地球深层进发需要有动力来驱动水泵以保持矿井 的干燥，这种需要导致蒸汽机的发明 ; • 由于木炭愈来愈少，需要有方法使在炼铁过程中用煤替代木炭， 炼铁工人学会了如何把煤转化为焦炭，这也使大规模廉价铁的生 产成为可能。
蒸汽机和便宜的铁为各种技术的广泛和惊人发展提供了基 础。它也成为在西方文明史上的一个决定性的转折点－工 业革命。
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Coal miners in Hazleton PA, USA, 1900
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Coal miners 1910
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煤炭生产量变化
• 19世纪末，世界煤产量有很大增长，从1865年的1亿8 千万吨到 1905年达9亿3千万吨。 • 但1912年与1970 年世界的煤消耗量几乎不变，这期间 战时稍有增加，而在五十年代大萧条和衰退时下降。 • 1970年代发展中国家工业化的增加以及中东石油危机 造成的石油价格冲击带动新的煤炭生产增长势头。
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《天工开物》 1637
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煤的历史-Middle Ages
• 公元900年代，德国进行煤开采； • 13世纪，商业化的煤开采遍布英国及欧洲大陆，煤 开始用于过程加热(如烧石灰CaCO3→CaO＋CO2)， 1226年，伦敦出现“ Lime Burners Lane or Sea coal Lane”街； • 14世纪，煤炭贸易开始（1328年从法国用船运送小麦到英国，英国 煤运回法国）。但这以前煤的主要用途是家庭取暖或偶 尔代替木炭用于金属加工；煤的用途变得愈来愈广 泛，英国的煤矿也从南向北发展。
1945 65％ 50年代末 33％ 1965 25％ 70年代末 20％
最大产煤国由19世纪末以前的英国，19世纪末美国， 1950年前苏联，到目前的中国。
United States
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பைடு நூலகம்
1905 1905
350,821,000 236,128,936
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United Kingdom
煤使用量增长的几个因素
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煤炭的生成
植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤
• 植物经数千年到数万年复杂的生物化学变化过程形成泥炭 （一种松软有机质的堆积物）； • 泥炭在不太深的地下经数百万年因压力和温度等作用发生 一系列物理化学变化（成岩作用）转变成褐煤或烟煤； • 褐煤或烟煤在地下深处再经数千万年以上因压力、温度和 时间的化学物理作用（变质作用）形成烟煤或无烟煤。
煤的历史-Ancient World
• 中国是最先大规模使用煤的国家，公元 300年（西晋）煤用于冶金(铸造) 和家庭 取暖。 • 公元1000年（北宋），煤已成为中国主要 燃料和能源。 • Marco Polo把中国人使用煤的方法传到 西方，他在中国渡过了24年，在1295年 （元朝）回到意大利Venice，“可以挖一 种能燃烧的黑石头作燃料” 。
Romania
110,000
Germany (lignite) France
52,498,507 35,869,497
Australasia
New South Wales 190 5 6,632,138
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540,237
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石油、天然气对煤炭的影响
石油、天然气的流体特性：易操作（用阀控制）； 可以用管道输送，易装卸；燃烧不产生灰。 石油、天然气的出现，在西方国家煤炭的消耗比例逐 渐下降，如美国：
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未来能源
石油和天然气的供应将向少而贵的方向发展，必 须开发inexhaustible和nonpolluting能源： ── sunlight ── biomass ── wind ── nuclear fusion More energy from sunlight strikes Earth in 1 hour than all of the energy consumed by humans in an entire year.
正确反映了年轻烟煤没有大的缩合芳香 核（主要是萘环），分子呈线性排列， 并有空间结构，有氢键和含氮杂环等存 在。不足是没有考虑硫结构，没有醚键 和两个碳原子以上的次甲基桥键。
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迄今为止比较全面、合理 的一个模型，它基本反映 了煤分子结构的现代概念， 可以解释煤的液化和其他 化学反应性质。
油和天然气迟早会供应不足； 更有效的燃煤及转化为合成燃料或化学品的新过程出 现为煤的利用提供新的选择；
涉及到依靠从政治上不稳定地区进口能源的有关问题；
第三世界的发展开辟了煤的新市场，而且已成为世界 用煤的焦点 （1950年北美和西欧的煤生产量为世界65％，到
1987年美国和西欧只占30％，中国、前苏联、东德、波兰、捷克 占65％，目前，煤提供约25％的世界能源需求(1950年是60％) 。
摘自Theophrastus（西奥福来斯多斯）在公元前300年发表的De Lapidus(岩石学)
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各种煤的基本结构单元
大致反映了各种煤的结构单元的特点和立体结构， 缺点是没有包括所有杂原子、各种可能存在的官能 团与侧链。
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包含的缩合芳香环 数平均9个，缩合 芳环数很高。代表 20世纪60年代以前 经典结构模型的特 点。
最早考虑到低分子化合物 的存在，缩合芳环以菲为 主，之间有较长次甲基键 连接，不足是没有考虑硫 和氮的存在。
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煤是由通过C-C键直接连在一起的带有脂肪侧链的大的芳环和杂环 2013-7-25 的核所构成，其中有含氧官能团和醚键。
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煤分子结构的基本概念
• 煤是高分子化合物的复杂的混合物，每个高分子化合物的缩合程度各 不相同，构成煤的高分子化合物的基本结构单元彼此也不同，这不仅 明显地表现在不同成煤阶段的煤中以及同一成煤阶段不同显微组分上， 即使是同一成煤阶段的煤或同一显微组分的分子间，其缩合程度和基 本结构单元也不可能相同。
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煤的历史-Renaissance
• 禁令无法阻止煤的使用； • 16世纪中，在英国开始大规模的采煤，但木材或木炭
仍然是优选燃料；
• 到17世纪初，英国和欧洲大陆出现木材严重短缺，所 以很多国家采用增加煤炭生产来弥补木材的减少，工 厂也把煤作为主要能源。
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煤的历史-Industrial Revolution
• 伦敦成为严重空气污染最早的城市。由于烧石灰使用 大量煤造成空气质量的恶化，在1285和1288年先后有 人提出诉讼。迫使皇家发布了禁止用煤的告示。
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Royal Proclamation
Forbidding the use of sea coal because an “intolerable smell diffuses throughout 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”.
煤及煤化工进展
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煤 ?
A black stone that would burn and was sometimes used by blacksmiths instead of charcoal. 有一种黑石头，可以燃烧，有时铁匠可用 它来代替木炭， 并把这种可燃烧的石头称 anthrax（anthracite)。
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Coal Production of the World, around 1905[6] Country Year Europe United Kingdom Germany (coal) 1905 236,128,936 Serbia 121,298,167 Italy (coal and lignite) Sweden Greece (lignite) 1904 Asia Belgium 21,775,280 India Japan Austria (coal) Austria (lignite) Hungary (coal) Hungary (lignite) Spain Russia Holland Bosnia (lignite) 1905 1904 1904 12,585,263 22,692,076 1,031,501 5,447,283 3,202,911 19,318,000 466,997 United States Canada Mexico Peru 1905 Sumatra 1905 1903 1904 Africa Transvaal Natal Cape Colony 1904 1905 1904 America 1905 1904 350,821,000 7,509,860 700,000 72,665 2,409,033 1,129,407 154,272 New Zealand 1,585,756 Tasmania 51,993 8,417,739 10,088,845 207,280 Victoria Western Australia 153,135 127,364 Queensland 529,326 1904 1905 183,204 412,916 322,384 466,997 Short Tons Bosnia (lignite) 540,237