煤炭及其综合利用①

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 30°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，含碳量高，发热量高；而褐煤和泥煤则比较年轻，含碳量较低，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。

① 陈文敏，张自劭主编.煤化学基础.北京：煤炭工业出版社，

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：

mCO

• nH O ^{叶绿素→ C (H O) + O}

2 2 吸收太阳能 m 2 n 2

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：

将其折算成原子比，可用 C135H96O9NS 代表，此外也还有微量的其他非金属和金属元素。至于煤的化学结构，科学家们用多种化学的或物理的方法综合论证，至今已有几十种模型。60 年代以前的经典模型如图 2－2 所示。现代公认的模型如图 2－3 所示。

由上图可见，煤炭中含有大量的环状芳烃，缩合交联在一起，并且夹着含 S 和含 N 的杂环，通过各种桥键相连。所以煤可以成为环芳烃的重要来源。同时在煤燃烧过程中有 S 或 N 的氧化物产生，污染空气。

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、棒、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，二是如何提取分离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。

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：

化学反应 △ H/kj · mol-1 特征

① C+O2=CO2 － 406 完全燃烧，放热

1

②C + 2 O2 = CO

－ 123 不完全燃烧，放热

③ C+CO2=2CO +160 还原反应，吸热

④ C+H2O=CO+H2 +118 水煤气的生成

⑤ C+2H2O=CO2+2H2 +76 生成水煤气时的副反应

⑥ CO+H2O=CO2+H2 － 3 水煤气的变换，制 H2

⑦ C+2H2=CH2 － 75 甲烷的生成

⑧ CO+3H2=CH4+H2O － 250 甲烷的生成

⑨ 2CO+2H2=CH4+CO － 247 甲烷的生成

⑩ CO2+4H2=CH4+2H2O － 253 甲烷的生成

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⑥；供居民用燃料时最好的是 CH4， 以反应⑦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（由空气带入）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。

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。对照图 2－2 和 2－3（煤的结构模型），煤焦油中所含环状有机物可以说是煤的“碎片”。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煤干净得多。

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，煤的含氢量比石油低得多。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℃，12～30MPa）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。最近 20 年来美国、日本、德国等科学家都致力于这方面的研究，已有多种较好的设计方案。

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 60 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。我国是世界上最大的耗煤国家，但 70％的煤都是直接烧掉，既浪费资源，也污染环境。积极开展煤的综合利用是十分重要的方针。