煤化工概論（簡體書）

《煤化工概論》適合從事煤化工科研、應用的技術人員閱讀，也可供相關專業大專院校師生參考。

2008年，中國的煤炭產量高達27.93億噸，是1978年6.18億噸的4.52倍，占2008年世界煤產量的42%，而增量占世界的80%以上。
多年來，在中國的能源消費結構中，煤約占70%，另外兩種化石能源石油和天然氣分別約占20%和3.5%；中國的電力結構中，燃煤發電一直占主導地位，比例約為77%；中國的化工原料結構中，煤炭占一半以上。中國煤炭工業協會預計到2010年全國煤炭需求量在30億噸以上，而中國科學院和中國工程院通過戰略研究預計，到2050年，煤在中國的能源消費結構比例中仍將高居首位，占40%以上，這一比例對應的煤量為37.8億噸，比2010年的需求量多26%。由此可見，無論是比例還是數量，在較長的時期內以煤為主的能源結構和化工原料結構很難改變。
事實上，根據2008年BP公司的報告，在化石能源中，無論是中國還是世界，煤的儲采比（中國45，世界133）都是石油的2倍左右。因此，盡管煤在世界的能源消費結構中僅占28%，低于石油的36%，但“煤炭在未來50年將繼續是世界的主要能源之一”（英國皇家學會主席Martin Rees，路透社2008年6月10日）；“越來越多的化學制品公司正在將煤作為主要原料”（美國《化工新聞》高級編輯A.H.Tullo，2008年3月17日）。
但是，由于煤的高碳性和目前利用技術的落后，煤在作為主要能源和化工原料的同時也是環境的主要污染源。據中國工程院的資料，2006年，我國排放的SO2和NOx的總量達4000萬噸以上，源于燃煤的比例分別為85%和60%，燃煤排放的CO2和煙塵也分別占到總排放量的85%和70%。至于以煤為原料的焦炭、電石等傳統煤化工生產過程，除對大氣污染外，其廢水、廢渣對環境的影響也十分嚴重。據荷蘭環境署統計，2006年中國的CO2排放量為6.2Gt，而2007年又增加了8%。雖然我國的人均CO2排放量遠低于美國等發達國家，但由于化石能源的碳強度系數高［據日本能源統計年鑒，按噸（煤）計算：煤排放2.66t CO2，石油排放2.02t CO2，天然氣排放1.47t CO2］和我國較長時期仍以化石能源為主（中國科學院數據，到2050年，化石能源在中國能源結構中占70%，其中煤40%、石油20%、天然氣10%），和其他污染物一樣，CO2的排放與治理也必須高度重視并采取有效措施。
煤炭的上述地位和影響，對世界，特別是對中國，無疑是一種兩難選擇。可喜的是，“發展煤化工，開發和推廣潔凈煤技術是解決兩難的現實選擇”已成為人們的共識并取得重要進展。遺憾的是，在石油價格一度不斷飆升的情況下，由于缺乏政策引導、科學規劃，煤化工出現了不顧原料資源、市場需求、技術優劣等客觀條件盲目發展的勢頭。為此，筆者將20余年來對煤化工科學發展積累的知識、實踐、認識和理解編撰成《煤化工發展與規劃》一書，于2005年9月由化學工業出版社出版發行。與此同時，作為我國化學化工類圖書出版之“旗艦”和科技圖書出版之“先鋒”的化學工業出版社，在原化工部副部長譚竹洲、李勇武的指導下，極具戰略眼光，決定在全國范圍內組織編寫《現代煤化工技術叢書》（以下簡稱《叢書》），出版社誠邀筆者擔任該《叢書》主編，成立了由筆者和李勇武會長（中國石油和化學工業聯合會）為主任的編委會，并于2006年4月18日在太原召開《叢書》第一次編寫會議。就在編委會緊鑼密鼓地組織、協調、推薦作者、確定內容、審定大綱的不到兩年間，國內的煤化工又有了強勢的發展和規劃。據有關方面的粗略統計，2007年全國煤制甲醇生產、在建、計劃產能總計達6000萬噸，2008年實際產量1126.3萬噸；2008年二甲醚產能約410萬噸，實際產量200萬噸；直接和間接液化法“煤制油”的在建和計劃產能也超過千萬噸；技術尚未成熟的煤制低碳烯烴、醇、醚等化工原料在建和計劃項目也此起彼伏，層出不窮。煤化工這種強勢的發展與規劃不僅面臨著市場需求和技術成熟度的有力挑戰，而且還受到原料煤、水資源、環境容量等條件很大限制，其中尤以水資源為甚。美國淡水研究權威、太平洋研究所所長稱：“當水資源受到限制和污染，或者經濟活動不受限制而且缺乏恰當的管理時，嚴重的社會問題就可能發生。而在中國，這些因素的積聚將產生更為嚴重、復雜的水資源挑戰。”按現行技術，煤制甲醇、二甲醚、油（間接液化）的單位產品水耗（t/t）分別為15、22、16。雖然，大量的溫室氣體排放來源于化石能源無節制的使用，特別是燃煤發電和工業鍋爐，但目前的煤化工產品生產工藝過程排放的溫室氣體也不容忽視，英國《衛報》網站說“用煤生產液體燃料的過程所產生的溫室氣體是常規石油燃料的兩倍以上”。至于傳統的煤化工產品生產技術，還對原料煤有苛刻的要求，如固定床造氣需要無煙塊煤或焦炭，而焦化和電石生產的原料煤是焦煤和肥煤，但這些優質煤種的保有儲量僅占煤炭資源保有總量的16.9%（無煙煤）和3.7%（焦煤和肥煤）。
針對上述情況，2009年2月19日，國務院提出“停止審批單純擴大產能的焦炭、電石等煤化工項目，堅決遏制煤化工盲目發展的勢頭”，并要求石化產業的調整振興必須“技術創新、產業升級、節能減排”。這使得煤化工的發展必須要以提高能效、減少能耗、降低排放為目標進行科學規劃、優化選擇、合理布局。但是，由于成煤物質和成煤年代等差異所導致的煤的復雜性和煤化學工程的學科特性，煤化工具有基礎研究學科交叉、工程開發技術復雜、規模生產投資巨大的顯著特點。這些特點對以煤氣化為基礎，以一碳化學為主線，以優化集成為途徑，生產各種替代燃料和化工產品的現代煤化工尤其突出。要做到煤化工產業的科學規劃、健康發展就必須全面了解、充分把握這些特點。
應運而生的《現代煤化工技術叢書》正是為滿足這一需求，力求通過分冊組成合理、學術實用并舉、集成精粹結合、內容形式統一的編撰，體現現代煤化工的特點；希冀通過對新技術、新工藝、新產品的研究、開發、應用的指導作用，促進煤化工產業的技術進步；期望通過提供基礎性、戰略性、前瞻性的原理數據、可靠信息、科學思路推進煤化工產業的健康發展。為此，在選擇《叢書》編撰者時，優先考慮的是理論基礎扎實、學術思想活躍、資料掌握充分、實踐經驗豐富的分領域技術領軍人或精英。在要求《叢書》分冊編寫時，突出體現“新、特、深、精”。新，是指四新，即新思路、新結構、新內容和新文獻；特，是有特色，即寫法和內容都要有特色，與同類著作相比，特色明顯；深，是說深度，即基礎論述要深，闡述規律要準；精，是要成為精品，即《叢書》不成“傳世”之作，也要成業界人士的“案頭”之作。
根據上述指導思想和編寫原則，《叢書》由以下分冊組成。
1.《煤化工概論》（謝克昌、趙煒編著）：以煤的轉化反應為主線，以煤的轉化技術分章節，闡述煤化工的基本原理，提供煤化工的總體輪廓。
2.《煤炭氣化技術》（于遵宏、王輔臣等編著）：在工藝過程分析、氣化過程原理論述的基礎上，比較各種氣化過程的優劣，給出自主創新的煤炭氣化實例。
3.《氣體凈化分離技術》（上官炬、常麗萍、苗茂謙編著）：以氣化煤氣凈化與分離的科學和技術問題為基礎，比較各種凈化工藝與技術，以解決現存問題，提供最佳技術選擇。
4.《煤的等離子體轉化》（呂永康、龐先勇、謝克昌編著）：作為煤的非常規轉化的重要組成，以多年的實驗工作為基礎，介紹等離子體應用于煤轉化的主要技術。
5.《煤的熱解、煉焦和煤焦油加工》（高晉生主編）：以煤的熱解為主線，將熱解、煉焦和煤焦油加工有機結合，通過新技術的闡述，推動傳統煤化工的革新。
6.《煤炭直接液化》（吳春來編著）：以扎實的理論知識和豐富的實踐經驗為基礎，提出直接液化用煤、生產工藝的優選原則，實現理論性和應用性的并重。
7.《煤炭間接液化》（孫啟文編著）：在介紹費托合成反應基礎理論、技術發展的基礎上，重點對核心問題——催化劑和反應器的研發做詳細闡述。
8.《煤基合成化學品》（應衛勇編著）:開發煤基合成化學品的新產品、新技術是現代煤化工的重要組成。面向企業，以闡述煤基化學品的生產技術、工藝和應用為主。
9.《煤基多聯產系統技術及工藝過程分析》（李文英、馮杰、謝克昌編著）：以煤氣化為基礎的多聯產是公認的煤潔凈高效利用的主要技術途徑，通過非多聯產和多聯產過程的分析給出多聯產的創新優化實例。
10.《煤基醇醚燃料》（李忠、謝克昌編著）：作為重要的車用替代燃料，結合國內外的實踐，重點介紹甲醇、二甲醚和乙醇燃料的性質、制備和應用。
11.《煤化工過程中的污染與控制》（高晉生、魯軍、王杰編著）：在客觀分析煤化工過程對環境污染的基礎上，通過該過程中有害元素的遷移與控制論述，介紹主要污染物的凈化、減排和利用技術。
12.《煤化工設計基礎》（張慶庚、李凡、李好管編著）：煤化工新技術、新工藝的產業化離不開整體考慮和合理設計，而設計基礎來源于全面的知識和成功的實踐。
由以上《叢書》各分冊的簡介可以看出，各分冊獨立成冊，卻內涵相連，各分冊既非學術專著，又非設計手冊，但發揮之作用卻不僅在于科研、教學之參考，更在于應用、實踐之指導。鑒于中國石油和化學工業聯合會、化學工業出版社對這套《叢書》寄予厚望，國家新聞出版總署將其列為國家“十一五”重點圖書，身居煤化工“冷熱不均”卻舍之不得，仍拼搏奮斗在第一線的諸位作者深感責任重大，均表示要寫成精品之作，以饗讀者。但因分冊內容不同，作者情況有別，《叢書》難以整體同時問世，敬請讀者原諒。“縱浪大化中，不喜亦不懼”，煤化工的發展道路可能有起有伏，坎坷不平，但其在中國的地位與作用如同其理論基礎和基本原理一樣難以撼動，在通過潔凈煤技術，實現高碳性的煤炭低碳化利用，并與可再生能源一起，促進低碳經濟發展的進程中，現代煤化工必將發揮不可替代的作用。誠望這套立意雖高遠、內容難全面、力求成經典、水平限心愿的《叢書》能在煤化工界同仁的“不喜亦不懼”中，成為讀者為事業不懈追求的忠實伙伴。
2009年9月9日

第1章能源轉化概論
1.1能源的轉化和利用
1.1.1能源的分類
1.1.2能源的轉換和轉換效率
1.1.3化石燃料資源和利用
1.1.4化石能源的生產和消費
1.2煤炭在工業中的應用
1.3煤化工與煤轉化利用技術
1.3.1燃燒和發電
1.3.2焦化（coking）
1.3.3煤的氣化（gasification）
1.3.4煤間接液化
1.3.5煤直接液化
1.3.6煤基一碳化工
1.3.7煤轉化利用集成技術
1.4潔凈煤技術及其范疇
參考文獻
第2章煤的物理和化學性質
2.1煤的基本化學特征
2.1.1煤的物理性質
2.1.2元素組成
2.1.3工業分析
2.1.4煤的巖相學特征
2.1.5煤階
2.2煤種的分類指標
2.2.1自由膨脹序數
2.2.2煙煤黏結指數GR.I.（羅加指數）
2.2.3膠質層厚度
2.2.4奧亞膨脹度
2.2.5透光率 45
2.2.6發熱量 45
2.3煤的分類 47
2.3.1硬煤國際分類 47
2.3.2我國煤的分類 48
2.4影響煤轉化的特性 50
2.4.1反應活性 50
2.4.2熱穩定性 51
2.4.3機械強度 52
2.4.4結渣性 53
2.4.5熔融性和灰黏度 53
2.5煤的特性對轉化的適應性 54
2.5.1煉焦用煤 55
2.5.2氣化用煤 55
2.5.3煉油用煤 55
2.5.4燃料用煤 55
參考文獻 56
第3章煤的熱分解
3.1煤熱解的化學基礎 57
3.1.1熱解理論 58
3.1.2煤在熱解過程中的化學反應 59
3.1.3煤熱解動力學 61
3.1.4煤熱解產物 64
3.2影響煤熱解的因素 64
3.2.1煤化程度的影響 64
3.2.2煤粒徑的影響 65
3.2.3傳熱的影響 66
3.3熱解過程中表面結構的變化 66
3.4煤熱分解的工業應用：焦炭的生產 67
3.4.1煉焦用煤的性質指標要求 67
3.4.2煉焦過程 68
3.4.3焦化技術的改進和發展方向 72
3.4.4焦化新技術 74
3.5煤焦油的生產和深加工 79
3.5.1煤焦油中蒸餾餾分的分割 80
3.5.2焦油蒸餾工藝 80
3.5.3煤焦油加工發展方向 86
3.6焦爐煤氣的生產與利用 87
3.6.1焦爐煤氣的加工利用 87
3.6.2焦爐煤氣的利用現狀 88
3.6.3焦爐煤氣利用途徑 88
3.6.4粗苯精制 91
參考文獻 92
第4章煤與氫的反應——加氫過程
4.1煤與氫的反應 94
4.2煤加氫過程的化學原理 95
4.2.1實質 95
4.2.2加氫的反應條件 96
4.2.3加氫催化劑 96
4.3煤直接液化 97
4.3.1液化的基本原理 97
4.3.2液化反應過程 98
4.3.3煤質與煤的液化特性 100
4.3.4液化過程中溶劑和溶劑的作用 102
4.3.5催化劑 104
4.3.6煤炭加氫液化工藝 105
4.4煤的加氫熱解和氣化制備高熱值煤氣 113
4.5煤化工中的液相氣相加氫處理 115
4.5.1液化油的提質加工 116
4.5.2煤焦油加氫 117
4.5.3焦化粗苯加氫 117
參考文獻 120
第5章煤與氧氣的反應——煤燃燒
5.1化學基礎 121
5.1.1物料燃燒過程的概述 123
5.1.2煤燃燒過程的反應和動力學 123
5.2燃燒方法及其工程應用 126
5.2.1燃燒過程的主要控制參數 127
5.2.2燃燒裝置的基本性能要求 129
5.3燃燒方式與設備 130
5.3.1煤的層狀燃燒 131
5.3.2煤粉燃燒 133
5.3.3旋風燃燒鍋爐 133
5.3.4流化床燃燒（FBC） 135
5.3.5幾種燃燒設備的優缺點 137
5.3.6提高煤的燃燒效率的途徑 137
5.3.7工程燃燒研究的重點 138
5.3.8煤炭燃燒新技術研究 138
5.4煤燃燒技術發展展望 138
參考文獻 139
第6章煤與氧氣和水蒸氣的反應——中低熱值煤氣的生產
6.1煤氣化的化學基礎 141
6.1.1氣化反應性 141
6.1.2煤氣化反應性的主要決定因素 141
6.1.3煤氣化反應和反應動力學 144
6.2煤氣化方法概述 146
6.2.1氣化用煤的性質及指標要求 146
6.2.2氣化爐分類 147
6.3工業氣化爐 148
6.3.1固定床氣化爐 148
6.3.2流化床氣化爐 152
6.3.3氣流床煤氣化爐 153
6.3.4煤氣化發展的總趨勢 155
6.4煤氣化技術的適用性 155
參考文獻 156
第7章煤氣的重整與轉化
7.1煤氣的化學轉化 157
7.1.1煤氣轉化主要反應 158
7.1.2甲烷的重整轉化機理 159
7.1.3水煤氣變換機理 161
7.1.4甲醇合成機理 162
7.1.5費托合成機理 162
7.2煤氣中的甲烷重整轉化 163
7.2.1傳統的甲烷重整轉化技術 164
……
第8章煤轉化過程中的催化
第9章煤轉化過程中的環境和資源問題
第10章現代煤化工與煤的清潔高效利用
參考文獻 234

2.1.1.6 脆度
煤的脆度是煤受外力作用而破碎的程度。成煤的原始物質、煤巖成分、煤化程度等都對煤的脆度有影響。在不同變質程度的煤中，長焰煤和氣煤的脆度較小，肥煤、焦煤和瘦煤的脆度最大，無煙煤的脆度最小。
2.1.1.7 斷口
斷口是指煤受外力打擊后形成斷面的形狀。在煤中常見的斷口有貝殼狀斷口、參差狀斷口等。煤的原始物質組成和煤化程度不同，斷口形狀各異。
2.1.1.8 導電性
煤的導電性是指煤傳導電流的能力，通常用電阻率來表示。褐煤電阻率低。褐煤向煙煤過渡時，電阻率劇增。煙煤是不良導體，隨著煤化程度增高，電阻率減小，至無煙煤時急劇下降，而具良好的導電性。
2.1.2 元素組成
煤中的有機質主要是由碳、氫、氧、氮和硫等元素組成，其中碳、氫、氧的總和占煤中有機質的95％以上。這些元素在煤有機質中的含量與煤的成因類型、煤巖組成和煤化程度有關。因此，通過元素分析了解煤中有機質的元素組成是煤質分析與研究的重要內容。當然，從元素分析數據還不能說明煤的有機質是什么樣的化合物，也不能充分確定煤的性質，但是利用元素分析的數據并配合其他工藝性質指標，可以了解煤的某些性質。例如，可以計算煤的發熱量、理論燃燒溫度和燃燒產物的組成，也可以估算煉焦化學產品的產率，還可以作為煤分類的輔助指標等。
2.1.2.1 碳
碳是煤中有機質的主要組成元素。在煤的結構單元中，它構成了稠環芳烴的骨架。在煉焦時，它是形成焦炭的主要物質基礎。在煤燃燒時，它是發熱量的主要來源。理論上完全燃燒時放出的熱量為32.8kJ／kg。
碳的含量隨著煤化度的升高而有規律地增加。在同一種煤中，各種顯微組分的碳含量也不一樣，一般惰質組Cdaf最高，鏡質組次之，殼質組最低。碳含量與揮發分之間存在負相關關系，因此碳含量也可以作為表征煤化度的分類指標。在某些情況下，碳含量對煤化度的表征比揮發分更準確。
2.1.2.2 氫
氫是煤中第二個非常重要的元素。氫元素占腐植煤有機質的質量分數一般小于7％。但因其相對原子質量最小，故原子百分數與碳在同一數量級。氫是組成煤大分子骨架和側鏈的重要元素。與碳相比，氫元素具有較強的反應能力，單位質量的燃燒熱也更大，理論上完全燃燒時放出的熱量為12.1MJ／kg。
氫含量與煤的煤化度也密切相關，隨著煤化度增高，氫含量逐漸下降。在中變質煙煤之后這種規律更為明顯。在氣煤、氣肥煤階段，氫含量能達到6.5％；到高變質煙煤階段，氫含量甚至下降到1％以下。各種顯微組分的氫含量也有明顯差別，對于同一種煤化度的煤，殼質組Hdaf最大，鏡質組次之，惰質組最低。