煤,是制取发生炉煤气的原料。因此,了解煤的资源、煤的分类和煤的物理化学特性,对入炉气化、制造煤气发生炉、煤气净化设备,是非常必要的。
根据“1992年世界能源资源调整”,到1990年底,我国的能源(指化石能源:煤、石油、天然气)储量及结构,见表4。
表4 我国的能源储量与结构(1990年底)
一次能源种类 | 储量折合标煤(亿t) | 结构(%) |
煤 | 817 | 92.94 |
石油 | 47 | 5.35 |
天然气 | 15 | 1.71 |
合计 | 879 | 100 |
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根据《中国的能源发展战略和“十五”期间的能源消费结构,2000年8月》,我国的一次能源消费结构,见表5。
表5 我国的一次能源消费结构
一次能源 | 世界 | 中国 |
煤 炭 | 26.2 | 72.9 |
石 油 | 40.0 | 22.5 |
天然气 | 23.8 | 2.1 |
水 电 | 2.6 | 2.0 |
核 电 | 7.4 | 0.5 |
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根据专家预测,中国一次能源以煤为主的格局在相当长时期内难以改变,到本世纪中叶,煤炭在中国能源消费中的比重仍然保持在50%左右,2050年我国能源结构组成预测,见表6。
表6 2050年我国能源结构组成预测
能源名称 | 所占百分比,% | 能源名称 | 所占百分比,% |
煤 炭 | 48.6 | 水 电 | 19.4 |
石 油 | 5.0 | 核 能 | 16.0 |
天然气 | 5.0 | 新能源 | 6.0 |
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二、煤的分类
我国的煤炭分类,共分三大类。
无烟煤是煤化程度最高的煤种,成煤的地质年代为古生代石炭纪、二叠纪和三叠纪。无烟煤的特点:挥发分低于10%,煤的硬度高、密度大、燃点高、无粘结性、燃烧时一般不冒烟。主要产区在我国的华北地区,如山西的晋城、阳泉,河北的京西、以及河南的焦作,宁夏的石嘴山和贵州水城。 无烟煤根据挥发分含量的多少,又分为三小类:无烟煤一类为年老的无烟煤,挥发分含量为0-3.5%;无烟煤二类为典型的无烟煤,挥发分含量为3.5%-6.5%;无烟煤三类为年轻的无烟煤,挥发分含量为6.5%-10.0%。无烟煤可以做为气化用煤。
2、烟煤
烟煤的煤化程度高于褐煤而低于无烟煤,成煤的地质年代为古生代的二叠纪、中生代的三
叠纪、侏罗纪和白垩纪。根据烟煤中的挥发分含量多少和粘结性强弱,分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤等12种,在这些烟煤中,最适合气化的是弱粘煤、不粘煤和长焰煤。适合于气化的弱粘煤、不粘煤和长焰煤,主要产区是华北和西北地区,适合于气化的烟煤有山西大同、陕西神木、内蒙古东胜、辽宁的抚顺和阜新、以及新疆地区的烟煤。
3、褐煤
是煤化程度较低的煤,成煤的地质年代为中生代的侏罗纪、白垩纪和新生代的第三纪。褐煤的特点是挥发分高(40%左右)、水分高(20%)、外表面多呈褐、光泽暗淡、热值较低、热稳定性较差、易风化。主要产区是东北黑龙江札赉诺夫、吉林珲春、辽宁沈北、以及山东龙口、云南小龙潭。质地好的褐煤,也是可以入炉气化的。 无烟煤、烟煤、褐煤的气化产率、气化强度、气化效率……等,在煤气气化一节详细介绍。
在我国气化用煤最多的是烟煤,其次无烟煤和焦炭,褐煤最少,见表7。
表7 我国各种气化用煤所占的比例
煤种 | 烟煤 | 无烟煤 | 焦炭 | 褐煤 |
气化用煤所占的比例,% | 56.4 | 35.5 | 7.1 | 1.0 |
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三、煤质对煤在煤气发生炉内气化过程的影响
煤所含的水分、灰分、挥发分、硫分、固定碳、粘结性、灰熔融性、化学反应活性、热稳定性、结渣性、机械强度,以及入炉煤的块度和粒度,都有不同程度的影响。
1、水分(M)
水分,用M表示。煤中的水分过多,不利于煤在炉内的正常气化,这是因为:
(1)由于水分过高,会因其水分蒸发而吸收大量的热,既而降低了气化反应过程的热利用率,例如气化无烟煤和烟煤时的气化效率在72-75%,而当气化含水分较高的褐煤时,气化效率为60-65%左右;
(2)由于水分过多,当煤在炉内遇到高温时,过多的水分的急剧蒸发,会促使煤块崩裂成小块,即而增加炉内阻力;
(3)由于水分过多,受热蒸发和气化所生成的CO2和H2O也会相应地增多,因此,会降低煤气热值。
煤中的水分的多少,可分为三级:低水分:≤5%
中水分:5-15%
高水分:>15%
做为气化用煤,以水分≤5%为佳。
煤中的水分包括外在水、内在水和结晶水,在煤的工业分析中,所测的只是外在水分和内在水,而不包括结晶水。
①外在水分:是指附着在煤颗粒表面和被煤的表面直径>10-5cm的毛细管所吸附的水,煤的外在水分是煤在开采、运输、贮存或洗选过程中所形成的。将煤放置在干燥的空气中,
这部分外在水,会不断蒸发。
②内在水分:是指吸附或凝聚在煤内部直径小于10-5cm的毛细管中的水分,是以物理化学方式与煤相互连接着,这部分内在水分,是较难蒸发的(这次到印尼,气化的煤属于老年褐煤,从表面上看似很干,但是一测竞接近20%)。
③结晶水:煤中的结晶水是指以化学方式与矿物质相结合的水,这部分在煤中含量很少,可以不予考虑。
外在水分、内在水分、全水分,用Mf、Minh、Mt表示。
2、灰分(A)
灰分,对煤在炉内气化反应不仅是多余的,而且往往还会因其含量高而给气化过程带来许多不利影响。
(1)如果煤的灰熔点偏低,而灰分又多,就会增强结渣效应,若在炉内结成大团块,不仅严重影响使用,而且很难处理。
(2)煤中的灰分愈多,排渣中的碳损失也就愈多,因而气化效率和产气率,也即随之降低。
煤中灰分的多少,可分为四级:低灰分<15%
中灰分15%-25%
高灰分25%-40%
特高灰分40%-60%
作为气化用煤,以灰分<10%为宜。往往用煤中的灰分多少,来确定煤炭的品质等级
一~十级,灰分4.01~5.00~13.01~14.00
十一~二十级,灰分14.01~15.00~23.01~24.00
二十一~三十级,灰分24.01~25.00~33.01~34.00
三十一~三十九级,灰分34.01~35.00~46.01~49.00
灰分,用A来表示
3、挥发分(V)
什么是挥发分,当煤在与空气隔绝的条件下加热到一定时间,从煤中的有机物中分解出来的液体(焦油)和气体(CH4、CmHn、H2)的总和,称为挥发分。煤中挥发分的多少与煤质有关,泥煤的挥发分可高达70%;褐煤一般为40%-60%;烟煤的跨度较大,在10%-50%之间;无烟煤则<10%。
挥发分高的煤,在气化过程中由于生成较多的CH4和CmHn,因此,煤气热值较高,燃烧时火焰较长,而且明亮,燃烧温度也较高(玻璃熔融燃烧烟煤制气所产生的热煤气,窑内的作业温度可达1600℃),但是,气化挥发分高的煤,会生成较多的焦油和有毒性的酚,给煤气净化增加一定难度(关于这部分,以后单独来介绍,而且有许多需要解决的技术难题)。挥发分,用V来表示。