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重要能源中的煤


实验室k / 2018-12-22

       煤是地质历史时期由堆积的植物遗体在缺氧环境中,经过复杂的生物化学作用和地质作用转化而成的可燃有机物质。煤中含有多种高分子有机物和混杂的矿物质。有机物的组成元素主要是碳、氢、氧,其次是氮、硫、磷,其结构的基本单元是各种芳香环、杂环芳香稠合体系,以及多种含氧官能团和支链。矿物质主要是石英、高岭石、黄铁矿和方解石等。

       碳是煤中的主要成分,也是最主要的可燃物质,它的含量随着煤生成的年代和变质程度加深而增加。例如泥炭中碳含量为50%-60%,褐煤中为65%-75%,烟煤中增加至75%-90%,无烟煤中达90%-98%。氢也是煤中重要的可燃物质,煤中含氢量与成煤植物有关,还随煤变质的程度加深而减少,煤的最高含氢量可超过8%。煤中硫的含量随地域差别很大,多数是在1%-3%之间。

       煤的种类不同,组成和煤质也不同,常用的煤质指标有水分、灰分、含硫量、挥发物和发热量等。为了便于折算单位质量的煤完全燃烧时所放出的能量,人为地规定了“标准煤”的发热量为29.2MJ/kg。

       煤在世界各地普遍存在,分布比较均匀。至2009年,全世界探明的煤可采量为0.83万亿吨。2009年我国产煤26亿吨,接近世界产煤量55亿吨的1/2。在我国能源消费中煤约占70%,是世界上唯一以煤为主要能源的大国。

       煤的开采使用已有两千多年历史。工业革命后相当长的时间里,煤一直是社会最主要的能源。直到1965年,煤在世界能源生产和消费中仍占第一位,约占总能源的42%。此后,煤让位于石油,产量在能源中的比例迅速下降。

       在我国,煤在能源消费中的比例会随着其他能源的发展而下降,但煤作为主要能源的格局在相当长的时间中不会改变,这是我国能源结构的弱点所在。煤的利用和化学密切相关,下面从四个方面进行探讨:

       (1)煤燃烧热的利用。煤炭的最大用途是作为一次性能源直接燃烧。现在许多家庭用燃料、工农业用的锅炉燃料依靠煤,世界上近一半电能来自以煤作燃料的火力发电厂。燃煤要特别注意两点:一是充分燃烧,不要产生一氧化碳,避免煤气中毒,也使燃烧放出更多热量;二是设法除去燃煤产生的二氧化硫和氧化氮。

       (2)将煤炼成焦炭和其他碳素制品。将煤破碎,在炼焦炉中受高温作用发生热分解,在生成焦炭的同时,还得到炼焦煤气和煤焦油。焦炭是烧结成块状、多孔而较纯的碳素。煤中所含硫、磷、氧、氮、氢等元素在高温干馏过程中大部分都已除去。焦炭是冶金工业的重要原料。焦炭还可进一步经过煅烧石墨化过程而成石墨等碳素制品。煤焦油是重要的化工原料,早在19世纪就已从煤焦油中提炼分离出许多小分子有机化合物,研究它们的组成、结构、性质和应用,使有机化学得到很大发展。炼焦煤气不仅可作民用燃料,更可作化工原料。

       (3)煤的气化。煤的气化指煤在控制氧气的条件下,进行不完全氧化的过程,是利用空气、水蒸汽或其他气体将煤中的有机物转变成含有一氧化碳、氢、甲烷等可燃气体的一种加工方法。用煤气作燃料比直接烧煤有更多优点,它有热能利用率高、便于储存运输、使用方便、容易控制、清洁卫生、减少环境污染等优点。煤气也是重要的化工原料。煤的气化可在煤的产地,甚至直接在地下进行。

       (4)煤的液化。煤是固体,油是液体,煤转化为油的过程称为煤的液化。煤和石油主要都由碳和氢组成,差别在C和H的比例不同,煤的C/H比值比石油高得多,要将煤液化为油,就要加氢。煤的加氢液化是在高压氢气和催化剂存在下加热到400℃-450℃,使煤粉在溶剂中发生热解和加氢反应,继而通过气相催化,进一步加氢裂解等反应过程转化为液态的小分子。现在我国年产百万吨级油的煤液化厂已在运行。将媒液化成油的理想很好,但成本居高不下,很难和石油竞争,前景尚需化学家和其他科技人员一起不断努力去探索。


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