煤炭综合利用的重要性

煤炭综合利用

(生化系赵进军应用化学2011061350)

摘要：如果将固体煤炭只是简单地燃烧，且不论它是否能够充分的与氧气接触后完全燃烧，就其简单燃烧的过程并不能体现它“乌金”的价值。对于一个企业来说，要想从煤的本身获得更大的回报，就不得不对煤进行深加工和综合利用。如果把1㎏煤燃烧过程中体现出的价值看做为1，其同重加工后的价值是：煤焦油为10，加工成塑料为90，合成染料为375，制成药物为750，而加工成合成纤维为1500。[1]

关键词：煤的氢化煤转烯烃综合利用

一、煤综合利用中基本原理及应用

1.1煤的焦化

A、煤的焦化过程

将具有较好黏结性的肥煤和焦煤等用溶剂（能够提供氢的溶剂，如：四氢萘、9,10-二氢菲和四氢喹啉等）作介质，在隔绝空气条件下加热，煤的外表面逐渐出现液泡软化。再加热至500—550℃且供氢溶剂不足时，煤热裂解成带有自由基的更小碎片，形成半焦，煤块的中间为胶质体，内部为未裂化的煤。很快外层半焦出现裂纹，胶质体流出，持续一段时间后至整个煤变成半焦。当温度升至1000℃时，半焦有机质进一步热裂解和热缩聚，转入结焦后期，芳香环周围的氢原子脱落形成CH4和H2,，而使碳网不断排列整密和增大，最终形成焦炭。

B、焦炭的应用

焦炭主要用于高炉炼铁和用于铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风炉冶炼，起还原剂、发热剂和料柱骨架作用。炼铁高炉采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定了基础，是冶金史上的一个重大里程碑。焦炭除大量用于炼铁和有色金属冶炼（冶金焦）外，还用于铸造、化工、电石和铁合金，其质量要求有所不同。如铸造用焦，一般要求粒度大、气孔率低、固定碳高和硫分低；化工气化用焦，对强度要求不严，但要求反应性好，灰熔点较高；电石生产用焦要求尽量提高固定碳含量。

1.2煤的磺化制分子筛

浓硫酸或发烟硫酸与煤进行磺化反应，使煤的缩合芳香环和侧链上被引入—SO3H，制成磺酸煤。经磺化后的煤粒带有了—COOH、—OH和—SO3H等基团，可以与硬水中的Ca2+和Mg2+进行离子交换。

磺化工艺是，采用中等变质的烟煤粉碎成粒度为2—4mm的煤粒，与浓度超过90％的浓硫酸以3—5∶1的质量比进行反应。温度易控制在110—160℃之间，反应9小时左右。磺化后，再用水洗涤、干燥和过筛制成多孔的氢型磺化煤。

氢型磺化煤廉价，制作工艺简单，用途广泛。主要用于硬水的软化处理，工业废水的重金属离子的处理，湿法冶金工业中的金属离子的回收，对有机反应的催化等。[2]

1.3煤的加氢反应

煤的加氢反应分为：轻度加氢和深度加氢。煤的加氢不仅是煤转化技术的基础，也是用煤制取清洁能源的必不可少的过程。煤的加氢过程要经过热解软化、供氢形成半焦、脱去杂原子的反应。脱去杂原子的反应包括：脱氧反应、脱氮反应、脱硫反应等。脱去杂原子的反应是制得高质量清洁能源的保障，也对环境保护起到从源头消除硫化物和氮化物的作用。

煤的深度加氢是在450℃左右，70—100MPa的氢压下进行，煤中大分子的部分化学键断裂，进行解聚或裂解反应，基本结构并不变化。轻度加氢反应的条件就更温和，一般只需较低温度和8—10MPa的低氢压。其过程对煤的结构和性质产生的影响更小，几乎不能改变煤的外形和结构，但煤的工艺性质和大多物化性质发生明显的变化，对工业上的应用具有广

泛意义。

随着石油能源的快速消耗，使石油价格线性上涨和资源的短缺日益严重。早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。对于煤炭中加氢液化的油类和气类受到人们越来越多的青睐。煤加氢液化的产物主要是气体、液体和固体三类有机物。大部分液体是油类和沥青烯类。其中80％的是烃类，20％的是富含酚类和杂环的化合物。所以，液化液态油类是继石油之后最可能的车用和航空燃料物质。

1.4煤制塑料

以低煤化度的褐煤等为原料，利用煤的熔组分在一定温度范围内可塑化成为煤的黏结组分，并通过裂解、气化或加氢液化成小分子的液态和气态，加入某些添加剂和改良剂等，加热成型冷却后，制的具有一定强度和技术性能的改良塑料制品。这种塑料的主要用途有，各种管材、阀门、电气套管等，而且它们具有耐无机酸碱、无机盐和有机酸等有机化合物的腐蚀功能。

1.5煤的气化

煤的气化过程是将粒度小于0.1mm的粉煤，在一定的温度和0.7—3.5MPa的中等压力下，用气化剂（空气、水蒸气、富氧、CO2和H2等）为介质，使煤的分子结构受到还原和部分氧化反应，将煤中的有机质转变为气体（CO、H2、CH4）的热力学加工过程。相关主要反应有：

水蒸气转化反应： C+H2O=CO+H2；ΔH=-131KJ/mol

水煤气变换反应： CO+ H2O =CO2+H2；ΔH=+42KJ/mol

部分氧化反应： C+0.5O2=CO；ΔH=+111KJ/mol

完全氧化（燃烧）反应： C+O2=CO2；ΔH=+394KJ/mol

甲烷化反应： CO+2H2=CH4；ΔH=+74KJ/mol

Boudouard反应： C+CO2=2CO；ΔH=-172KJ/mol

通过对得到的粗气体产品进一步加工、精制, 制得高热能、低污染的高效清洁能源。也可以用此精制能源作为合成氨、合成甲醇等的原料而无需使用前的预处理。这样就，更能发挥煤的内在价值。[3]

二、煤炭综合利用的典型范例

2.1神华包头煤制烯烃项目

在我国原油快速消耗的情况下，神华集团为确保能源的安全，积极的进行了发展煤转气（油）产业，逐步建立了煤制气（油）和煤化工的研究开发。并在我国内蒙古、陕西、宁夏、新疆等地相继建立7座大型煤制气（油）和煤化工基地，估计投资额将达4000亿。至2020年其煤制油年产值将达3000万吨，由其过程产生的煤化工制品达400万吨。其中，神华集团包头煤制烯烃项目总投资170亿元，建立60万吨/年的煤制烯烃（MTO）工厂。在2011年投入商业化运行，试营期间累计生产烯烃50万吨，收入56.4亿元，实现利润近10亿。

神华集团包头煤制烯烃项目，采用由中科院大连化物所自主研发的DMTO专利技术，是全世界最大煤制烯烃项目，该项目包括：煤制甲醇和甲醇制烯烃、聚乙烯、聚丙烯等。其核心技术为甲醇制烯烃技术，主要工艺装置有世界先进的煤化工/石油化工技术，包括：水煤浆气化技术、低温甲醇洗技术、甲醇合成技术、聚丙烯技术和聚乙烯技术等。

简易项目总工艺流程：

空分装置→气化原料煤→煤的气化→甲醇的合成→甲醇制烯烃→合成聚乙烯或聚丙烯

2.2聚乙烯和聚丙烯合成工艺

2.2.1原料煤的粉碎成浆、成气及净化

块煤经输送进入破碎机破碎。破碎合格后，经输送带输送到煤气化和热电站系统。由运煤系统送来的原料煤送至煤贮斗，称量后经料机控制输送量，送入棒磨机，出棒磨机的煤