当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第二章 新型煤化工 > 第一节 煤炭概述 > 煤炭概述
同学们大家好
众所周知
我国是一个煤炭资源相对丰富的国家
是世界上少数几个
以煤炭为主要能源的国家之一
煤炭在我国国民经济中
占有举足轻重的地位
从本次课开始我们来学习
新型煤化工的相关知识
新型煤化工是指以煤炭为基本原料
以碳一化工技术为基础
以国家经济发展和市场需求为导向
采用先进技术和工艺路线
充分注重环境友好
经济效益良好的新型产业
新型煤化工包括煤炭气化 煤炭液化
煤制甲醇 煤制烯烃等技术
以及集煤炭转化 发电 冶金
建材等工艺为一体的
煤基多联产和洁净煤技术
本章第一节
我们首先来学习煤炭概述
那什么是煤炭呢
它的确切定义和特征是什么呢
在我国古代书籍中
有很多关于煤的称呼
如石涅 黑丹 炭等
煤的称呼最早出现在宋末元初
从科学角度来讲
煤炭是由远古植物残骸
没入水中经过生物化学作用
然后被地层覆盖并经过长期
的物理化学和化学作用而形成的
固体有机可燃沉积岩
该定义包含了大量的信息
比如植物是煤炭的物质来源
生物化学 物理化学以及化学作用
是指成煤的过程变化
有机可燃沉积岩是指煤炭的产物属性
其中有机和沉积岩则分别指
代其化学属性和矿物属性
根据成煤植物的不同
可以将煤炭分为
腐殖煤和腐泥煤两大类
由高等植物形成的煤称为腐植煤
由低等植物和少量浮游生物
形成的煤称为腐泥煤
腐殖煤在自然界中储量最大
分布最广
又可以根据煤化度的由低到高
将其划分为
泥炭 褐煤 烟煤和无烟煤等四类
明确了煤炭的定义后
我们还会疑问煤炭是如何而来的
也就是成煤过程怎样进行
煤中植物化石的发现有力地证实了
煤是由远古的植物演变而来
由植物转化为煤要经历几千万年
到几亿年复杂而漫长的过程
一般需要满足四个条件
植物条件 气候条件
地理条件和地壳运动条件
整个成煤作用可以分为两个阶段
泥炭化阶段或者菌解阶段和煤化阶段
第一个阶段
是植物在泥炭沼泽等地不断繁殖
其遗体在微生物的作用下
不断分解化合聚积的过程
主导作用为生物化学作用
在前期需氧菌
后期厌氧菌的相继参与下
将植物残骸转变为褐色或深褐色的泥炭
接下来
由于地壳下沉等原因
泥炭逐渐被沉积物所掩埋
成煤过程就转为第二个阶段
即煤化作用阶段
即泥炭在以温度和压力为主的作用下
逐渐转变为煤炭
该过程包括成岩作用和变质作用
其中成岩作用的结果是
泥炭转化为了褐煤
而褐煤继续经历变质作用
最终转变为无烟煤
在该阶段中起主导作用
的是物理化学作用
接下来我们学习
煤的基本化学特性
煤是由有机组分
和无机组分构成的混合物
我们可以通过工业分析
和元素分析了解其化学特征
煤中的元素有数十种
主要包括C H O N S
其中C H O构成了煤有机质的主体
其含量
占煤中有机质的百分之九十五以上
并随着煤化度的不同呈现有规律的变化
因此是研究煤变质程度的重要依据
碳是构成煤大分子骨架的最重要的元素
含量随着煤化度的升高而增加
也是燃烧过程中热量的主要来源之一
氢是煤中第二重要的元素
主要存在于煤分子的侧链和官能团上
在有机质中的含量
约为百分之二到百分之六点五
并随着煤化程度的加深而逐渐降低
氢的发热量约为碳的4倍
它含量变化对煤的发热量影响很大
煤中的氧主要存在于各类含氧官能团中
随着煤化程度的升高
氧含量逐渐减少并趋于消失
煤炭燃烧时氧可以起助燃作用
然而氧在煤液化过程中需要消耗氢
因此对煤的利用不利
煤中的N元素和S元素含量很少
氮是构成煤中稳定杂环的主要元素
其含量随着煤化程度的加深而减少
硫是煤中的有害元素
燃烧时产生硫氧化物
腐蚀设备污染环境
煤中硫的含量主要与成煤环境有关
与煤化度之间没有必然的联系
除此之外
煤中还含有多种的微量元素和有害元素
工业分析是确定
煤化学组成最基本的方法
包括水分 灰分 挥发分和固定碳四类
其中水分又可以分为外在水分和内在水分
除了水分以外
挥发分 灰分 和固定碳
都是煤中的原始组分
在一定条件下的转化产物
灰分来源于煤中的无机矿物质成分
挥发分和固定碳都来源于煤中的有机质
工业分析是一种条件试验
所得结果根据测定条件变化而变化
此外煤的基本化学特征
还包括煤的工艺性质
主要包括煤的黏结性和结焦性
发热量 化学反应性和热稳定性等
煤的结构决定煤的性质
煤的结构到底是怎样的呢
研究表明
煤的结构具有复杂性
多样性和非均一性
迄今为止
仍无法分离
或鉴定出煤中的全部化合物
煤的大分子结构是由多个结构
相似而又不完全相同的
“基本结构单元”通过化学键连接而成
这种基本结构单元类似于
聚合物的单体
分为规则部分和不规则部分
规则部分是指基本结构单元的核
即缩合的芳香环
而不规则部分则包括
核外围的官能团和烷基侧链
以及联结基本结构单元的桥键
此外煤中还包含低分子化合物
它们通过氢键
范德华力等作用嵌布
在煤的整体结构中
是煤结构的重要组成部分
建立煤的结构模型是
研究煤的化学结构的重要方法
结构模型是根据煤的各种结构信息
和数据进行推断和假想而建立的
是用来表示煤的
平均化学结构的分子图示
只是一种统计的平均结果
并不完全准确
其中具有代表性的化学结构模型包括
Fuchs模型 Given模型 Wiser模型
本田模型以及Shinn模型
其中Shinn模型是依据
煤在一段和二段液化产物中
的分布所提出来的
因此又被称为反应结构模型
是目前人们广为接受的
一种大分子结构模型
接下来我们了解一下煤炭的储存
生产和消费状况
世界上煤炭资源较为丰富的国家
有美国 俄罗斯 澳大利亚 中国和印度
截至2018年
全球煤炭探明总储量为10500多亿吨
原煤探明储量
排名前五位国家的储量之和
占世界总储量的四分之三以上
达到百分之七十五点七
其中我国的煤炭储量居世界第4位
占全球总储量的百分之十三点二
从区域分布来看
煤炭主要集中于亚洲 北美洲
独联体以及欧洲国家
从煤炭的生产 消费情况来看
2018年我国的煤炭产量
和消费量分别占世界总量的
百分之四十六点七和百分之五十点六
高居世界第一位
其中煤炭的消费量是
第二位和第三位之和的近2.5倍
这与我国的能源需求和结构密切相关
近年来
我国坚持在重点区域
实施煤炭消费总量控制
虽然煤炭在我国一次能源消费结构中
的占在稳步下降
2018年首次降到百分之六十以下
但是煤炭作为我国的主要能源
在未来很长一段时间内仍然不会改变
最后
我们一起来回顾一下煤化工的发展简史
煤化工的发展始于18世纪后半叶
并于19世纪形成了完整的煤化工体系
从20世纪开始
煤化工成为化学工业的重要组成部分
煤化工的发展主要经历了以下几个阶段
18世纪中叶
工业革命的发展使得
炼铁用焦炭的需求量大增
炼焦化学工业应运而生
18世纪末出现了煤基民用煤气
并首次应用于欧洲城市的街道照明
从1920年开始
煤炭的低温干馏技术发展迅速
所得焦油可以进一步生产液体燃料
第二次世界大战前夕和战期
纳粹德国开展了煤制液体燃料
的相关研究和工业生产
煤化工得到了全面迅速的发展
二战以后
大量廉价石油和
天然气的开采
一度使得
煤炭在世界能源结构中的比重大大降低
然而上世纪70年代的中东战争
以及后来的石油危机
又使煤化工重新受到重视和发展
在煤化工发展过程中
产生了很多具有划时代意义的重大进展
比如1913年
德国化学家柏吉斯发明了
煤炭在高温高压下加氢转化为液体油品的技术
并获得了1931年的诺贝尔化学奖
923年德国科学家发明了
CO加氢制取液态烃燃料产品的费托合成
该技术随后实现了工业化并影响至今
随着近年来煤炭的清洁转化
和高效利用技术的不断发展
煤化工在世界能源
和经济中扮演者越来越重要的作用
好以上就是本节的所有内容
谢谢大家
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