1、1,第二讲：常规能源,2,2.1、常规能源再分类,煤炭石油天然气水能其他薪柴燃料、和一些二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，有：电、蒸汽、热水、焦炭、煤气等二次能源，是高品质的能源。还有什么可以认为是能源的？微波能源，其实是电能的转化，微波器件将电能转换为热能了。,3,煤炭是能源世界的主角，是传统的能源，它被誉为工业的“粮食” ，并且也是重要的化工原料。煤炭是我国的第一能源，在一次性能源的构成中煤炭占70以上。合理开发和利用煤炭，对发展国民经济和提高人民生活水平起着极其重要的作用。在可预见的时期内，它仍将继续作为人类的重要燃料和原料。因此，煤炭开发仍有必要继续发展。,2.2、煤炭,
2、4,2.2.1 煤的形成,煤主要是由古代植物演变而来的(图21)。远古植物遗体在地表湖沼或海湾环境中随着地壳的变动被埋人地下，长期处在温度、压力较高的环境中，原植物中的纤维素、木质素经脱水腐蚀，其含氧量不断减少，而碳质不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量高的固体碳氢燃料煤。现在如果给出“相同” 的成煤条件，能够“短时间” 形成煤么？,5,地质演变的作用,煤是有机生物岩，它蕴藏于地层之中，由不同地质年代的植物经复杂的地质演变所形成。 地质名词：成煤作用、成矿作用、成岩作用、成油作用、,教育名词：成人作用,6,并不是每个地质时代、每个地区都可以成煤,在地球的演变过程中，并不是每个地质时代、每个地
3、区都可以成煤。煤田的形成必须具备一定的条件：繁茂的植物以及植物死亡后大量残骸的堆积；气候温暖潮湿以及为植物的繁茂生长创造的有利条件；适宜的植物残骸堆积地形，如广阔的滨海、湖泊、沼泽地、盆地和地堑等低洼地带，有利于植物群落的发展及植物残骸浸没水中受厌氧菌作用发生变化并保存下来；地壳运动，如地壳缓慢下降或海平面升高，使植物残骸容易积聚，并逐渐被泥沙等沉积物覆盖，从而发生系列生物化学和地球化学作用，逐渐形成煤炭。,7,成煤过程：植物残骸泥炭物质腐殖煤,高等植物死亡后，残骸堆积在泥炭沼泽带，由于被积水淹没，各种厌氧菌不断地分解破坏植物残骸，死亡植物中的有机质逐渐分解，产生硫化氢、二氧化碳和甲烷等气态产
4、物。植物残骸中氧含量越来越少，碳含量逐渐增加，变成泥炭类物质。由泥炭经受进一步的地质作用而转变成的煤称为腐殖煤。目前人们开采的煤层绝大部分都是腐殖煤。随着地壳下沉，泥炭层的表面被黏土、泥沙等覆盖，逐渐形成上覆岩层。当泥炭层被其他沉积物覆盖时，泥炭化作用阶段结束，生物化学作用逐渐减弱以至停止。接下去是在温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭经过褐煤、烟煤转变为无烟煤的煤化作用阶段。煤化作用阶段包括先后进行的成岩作用阶段和变质作用阶段。,8,成岩作用泥炭变成褐煤,泥炭层在上覆岩层的压力下，原来疏松多水的泥炭受到压实、脱水、胶结、增碳、聚合，孔隙度减小而变得致密，细菌的生物化学作用消失，碳含量进一步增
5、加，氧和腐殖酸含量逐渐降低，从而变成水分较少、密度较大的褐煤。由泥炭变成褐煤的过程称为成岩作用。我国一些地方第三纪的煤层就常常是褐煤。褐煤层一般离地表不深，厚度较大，适于露天开采。,9,变质阶段褐煤变成烟煤、无烟煤,随着地壳的继续下沉及上覆岩层不断加厚，褐煤在地壳深部受到高温、高压作用，进入了变质阶段，褐煤中的有机物分子进一步增高聚合程度，含氧量进一步降低。碳含量继续增高，物理、化学性质进一步发生变化，外观色泽和硬度也发生了较大变化，褐煤变成烟煤。烟煤由于燃烧时有烟而得名。由于已无游离的腐殖酸，全部转化为腐黑物，所以颜色一般呈黑色。由于更强烈的地壳运动或岩浆活动，煤层受到更高温度和压力的影响，
6、烟煤还可以进一步变成无烟煤，甚至变成半石墨和石墨。,10,2.2.2 煤的元素组成与分类：,煤主要由有机质和无机矿物质的混合物组成，此外还有含量不同的水分。煤中有机质是由原始植物质演变而来，它是植物生长过程中吸人组织内部的溶于地下水中的矿物质。煤中有机质主要由碳、氢和氧3种元素组成，此外还有少量的氮和硫及微量的磷、砷、氯等元素。由于各种煤的碳、氢、氧、氮和硫等主要元素的比例不同，导致煤的组成结构不同。,11,1 煤的元素组成与结构组成,煤中主要元素有碳、氢和氧3种元素，此外还有少量的氮和硫及微量的磷、砷、氯等元素。由于各种煤的碳、氢、氧、氮和硫等主要元素的比例不同，导致煤的组成结构不同。典型结
7、构组成如图所示。,12,碳：,碳是煤在燃烧过程中产生热量的重要元素，其热值达34.1MJkg。煤中碳含量随煤化程度的加深而增高。例如泥炭含碳仅60左右，而无烟煤含碳则在93以上。,13,氢：,煤中氢的质量分数一般不超过6，但它的原子分数仅稍低于碳的原 子分数,因为氢是轻元素。氢的燃烧热约为碳的4.2倍。正作为单独使用的新能源而开发。氢含量随煤化程度的提高而逐渐下降。,14,氧：,煤中的氧多以含氧官能团的形态存在。氧含量随煤化程度的提高而降低。煤在燃烧时氧和煤中的氢元素结合生成水，所以氧不但不能产生热量，反而吸收热量。,15,氮：,氮来源于成煤植物的蛋白质，煤化程度越高，氮含量越低。煤在燃烧时氮
8、元素以气体(N2)形态析出。,16,硫：,煤中的硫有有机硫与无机硫之分。有机硫来源于成煤植物中的蛋白质，在煤中分布不均匀，很难用洗选方法脱除。无机硫则是混入煤中的黄铁矿，可用洗选方法脱除。,17,煤中无机组分,煤中无机组分有矿物质和水分两种。无机矿物质是煤中除水分以外的所有无机质的总称。无机矿物质燃烧时发生分解、氧化变成灰分，也是降低煤的有效热值的有害成分。无机矿物质可分为原生矿物质和次生矿物质，它是植物残骸堆积过程中由于风、雨等自然作用进入植物残骸中的泥沙等矿物质。在成煤过程中经煤层裂隙渗透到煤中的含有可溶性矿物质的水也是次生矿物质的来源。原生和次生矿物质难以用洗选方法排除。外来矿物质是采煤
9、过程中混人煤中的顶、底板岩石，可通过洗选排除。,18,煤中的水分,煤中的水分按其存在状态分为外在水分和内在水分。吸附在煤体中毛细孔内的水分为内在水分，附着在煤粒表面的水为外在水分。水分在煤燃烧时吸热蒸发，除降低煤的有效热值外，对煤的运输、机械加工和利用有不同程度的危害。,19,2 煤的分类,科学分类工业分类中国分类美国分类,20, 中国分类,GB 575186规定。引自化学手册,21, 美国分类,练习：请查能源科学导论中的相关内容。,22,2.2.3 煤的开采与运输,中国是世界上最早认识、开采和利用煤炭的国家。1973年，辽宁新乐古文化遗址出土了一批煤精(一种质地细密的蚀煤)雕刻工艺品，说明中
10、国早在68007200年前的新石器时代就已经采到了煤炭。经煤岩鉴定，认为原料应为抚顺西露天煤，系烛煤。这些煤制品现在点火仍燃烧旺盛。在西方，有关煤炭的最早的文字记载始于公元315年，比中国晚了几百年。 到14世纪的明代，中国的采煤业已相当发达。宋应星的自然科学名著天工开物对当时的地下采煤工艺和煤炭加工利用技术做了系统的总结，书中描绘了找煤、开拓、支护、运输、提升、通风、排水、照明等技术，这说明当时中国手工采煤技术已臻成熟(图23)。,23,图2-3 天工开物中的采煤图,24,1 现代通常的采煤方法：,由于煤炭资源的埋藏深度不同，通常采煤有两种方法：露天开采与矿井开采。煤成为人类的主要能源以后，
11、煤的开采更是受到了极大的重视。采煤向来是一项最艰苦的工作，各国都投入了大量的人力和设备，以改善工作条件，获得更多的煤炭。经过无数人的总结和改进，人类的采煤技术越采越成熟。,25, 露天开采,对于埋藏较浅的煤矿，可以采用露天开采的方式(图24)，移去煤层上表面的表土和岩石(覆盖层)，开采显露的煤层。这种采煤方法习惯上叫剥离法开采，这是因为露出地面的煤已开采殆尽，有必要剥离表土，使煤层显露出来。此法在煤层埋藏不深的地方应用最为合适，许多现代化露天矿使用设备足以剥除厚达60余米的覆盖层。,内蒙古霍林河煤矿，是我国最大的露天矿区。在欧洲，褐煤矿广泛采用露天开采。在美国，大部分无烟煤和褐煤亦用此法。,2
12、6,开采条件优劣,露天开采使地面受到损害或彻底破坏，应采取措施重新恢复地面。美国有几个州和联邦政府的法律规定了恢复土地的措施，现在许多采掘企业已自愿执行这些规定。可露天开采的资源量在总资源中的比重大小是衡量开采条件优劣的重要指标。我国可露天开采的储量仅占7.5，美国为32，澳大利亚为35。,27, 矿井开采,对埋藏过深而不适用露天开采的煤层，可采用矿井开采，即采用通向煤层的通道来开采煤炭，包括竖井、斜井与平硐(图25)。矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比。 我国煤矿含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多采用这一开采
13、方式。,28,我国煤炭分布的特点,煤炭是我国主要的一次性能源，煤炭工业是对我国工业影响极大的基础工业。1995年，我国煤炭产量已达12亿吨，居世界第一位。但我国煤炭资源分布极不均衡。东少西多、南少北多，是我国煤炭分布的特点。6070%的煤炭储量集中在山西、陕西和内蒙古西部。因此，在北煤南运、西煤东运的格局下，煤炭生产同煤炭运输之间存在较突出的矛盾。,29,2 煤炭运输,煤炭运输有几种方式选择：水运、铁路、公路及管道。管道输煤是当今世界先进的运输方式之一，它可以减少运输污染，提高发电用煤的质量，综合效益显著。也可以看成是水运的一种。管道输煤系统由制浆厂、管道与泵站、终端脱水长3个主要部分构成，同
14、时还包括供水、供电、通信和自动控制等有关配套设施。首先在原煤厂内初步分选和破碎矿石，在泵驳机中加工成粒度、浓度符合管道输送要求的煤水混合浆体(煤水比例各占50)，然后采用多级泵站把煤浆压人管道，并选择一定的流速，以稳流输送方式输送煤浆，最后利用专门的脱水设备把煤浆制成含水15左右的粉煤，供电厂使用。,30,能源地质学,返回,31,第一节 煤 炭,32,煤的形成,煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的，含碳量一般为46%97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。煤在地球上的储量非常丰富。,33,煤的元素组成,煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质
15、主要由碳（C）、氢（H）氧（O）、氮（N）四种元素构成，还有一些元素则组成煤中的无机物质，主要有硫（S）、磷（P）以及稀有元素等 。,34,常用的煤质指标,水分 灰分 挥发分 发热量,35,煤的分类,煤的科学分类为煤炭的合理开发和利用提供了基础，通常最简单的分类方法是根据煤中干燥无灰基挥发分含量将煤分成褐煤、烟煤和无烟煤三大类 。,36,煤炭资源,煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。根据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8。,37,煤炭开采,露天开采：露天开采的优点是开采效率高，生产成本低，建设周期短，劳动条件好，
16、安全性高。缺点是易受气候和季节影响，矸石占地面积大。 矿井开采：凡是不经济或不适合露天开采的煤田就必须采用矿井开采。,38,露天开采,39,矿井开采,40,我国能源资源,我国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气。这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。统计表明，我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为1万亿吨，占世界总储量的11，而石油占2.4，天然气仅占1.2。,煤炭是最 可靠的能源,41,我国的煤炭资源,在我国，煤炭资源主要分布在山西、陕西、内蒙古、黑龙江、辽宁、山东几个省区，著名的大型煤矿有大同煤矿、东胜煤矿、神府煤矿等。,42,我国的煤炭资源,中国煤炭资源总量虽然较多，但探明程度
17、低，人均占有储量较少，按1999年人均可采储量对比，中国人均可采储量仅为90.9吨，约为世界人均可采储量的55%。,43,我国的煤炭资源,中国煤炭资源和现有生产力呈逆向分布，造成了“北煤南运”和“西煤东调”的被动局面。大量煤炭自北向南、由西到东长距离运输，给煤炭生产和运输造成了极大的压力。 我国适合露天开采的煤炭资源不多，煤炭生产以地下开采为主。,44,我国的煤炭消费,我国是世界上最大的煤炭消费国。 在我国煤炭消费中，煤炭的加工转换（包括洗选、发电、供热、炼焦、制气及煤制品加工等）增长迅速，而煤炭终端消费增长缓慢。,45,洁净煤技术,46,洁净煤技术,煤炭是主要的能源，但煤炭的开发利用也严重地
18、污染了人们赖以生存的环境，因此煤炭的清洁开发和利用是摆在全人类面前的紧迫问题。,47,洁净煤技术,洁净煤技术（clean coal technology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。 它主要包括洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。,48,洁净煤技术体系,49,燃烧前的处理,燃烧前的处理主要是选煤、型煤和水煤浆三项措施。 选煤的目的是降低原煤中的灰分、硫分等杂质的含量，并将原煤加工成质量均匀、能适应用户需要的不同品种及规格的商品煤。,50,采用的脱硫方法,热解法脱硫 碱法脱硫 气体脱硫 氧化脱硫
19、,51,脱硫流程图,52,脱硫流程图,53,选煤,就选煤能力而言，中国仅次于美国，居世界第2位，但总的来说煤炭入洗率很低，仅有1/4煤炭入洗。,54,型煤,型煤是将粉煤或低品位煤加工成一定形状、尺寸和有一定理化性能的煤制品。 型煤是各种洁净煤技术中投资小、见效快、适宜普遍推广的技术。,55,水煤浆,水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料。它是由煤粉、水和少量添加剂组成。 水煤浆的制备以浮选精煤为原料，经脱水、脱灰、磨制，加添加剂后与水混合成浆。,56,制备水煤浆的方法,干法 湿法 混合法,57,燃烧中处理,为达到环保目的，工厂企业通常采用高烟囱排放：它是将燃烧装置产生的有害烟气排放到远离地
20、面的大气层中，并通过大气的运动使污染物浓度降低，以改善污染源附近的大气质量，但这种方法并不能减少有害物的排放总量，因此燃烧过程中处理，即炉内脱硫、脱硝是十分重要的。,58,燃烧后处理,燃烧后处理主要是烟气净化和除尘。 由于炉内脱硫往往达不到环保要求，所以还需对燃烧后的烟气进行脱硫处理。,59,烟气脱硫技术,按其方法分:干法脱硫和湿法脱硫。 按反应产物的处理方法分:回收法和抛弃法。 按脱硫剂的使用情况分:再生法和非再生法。,60,烟气脱硝,通常烟气脱硝也分为干法和湿法。 干法烟气脱硝主要有选择性催化还原法和选择性非催化还原法。 湿法脱硝是先将烟气中NOx含量最多的NO通过氧化剂（如O3、ClO2等）氧化生成NO2，再被水或碱性溶液吸收。,61,烟气除尘,燃煤产生的大气污染物占我国烟尘排放总量的60%，粉尘的70%以上，因此烟气除尘是一个突出的问题。,62,常用的烟气除尘器,离心分离除尘器 洗涤式除尘器 袋式过滤除尘器 静电除尘器,63,煤的液化,飞机、坦克、火箭、汽车等都使用液体燃料，石油的储量又比煤少得多；其他水能、核能又不能代替液体燃料，因此煤的液化一直是人们努力的目标。 煤的液化可以分为直接液化和间接液化。,64,课程阶段报告： 简述能源的基本分类与评价。 要求：用A4纸面，下次课交。,
