各国的能源构成不同,消费构成也不同。我国能源以煤为主,约占70%,煤炭的消费构成大体如下:火力发电31%,各种工业锅炉31%,民用20%,炼焦8%,蒸汽机车4%,化工3%,出口3%。不同部门对煤质的要求不同。
1.炼焦用煤
焦炭用于炼铁、铸造、生产电石、气化以及金属的冶炼等。炼焦是在炼焦炉的炭化室内进行的。炭化室宽0.45m,高4.3~5.5m,长14~16m,可装煤18~27t,炭化室两边为燃烧室,温度达1300℃,隔着耐火砖把炭化室加热至1100℃,煤在炭化室中隔绝空气干馏,大约经过14~16h,煤就炼成焦炭。炼焦产品中焦炭约占75%,焦炉煤气18%,煤焦油4%,还有粗苯、氨、硫等。每座焦炉有炭化室几十个至上百个。焦炉煤气热值很高,是很好的气体燃料。煤焦油经分馏后可得到很多有用的化工产品,如汽油、煤油、柴油、润滑油、沥青等,粗苯和氨也是主要的化工原料。我国每年生产的焦炭5000×104t以上,其中大部分用于高炉炼铁。焦炭在炼铁高炉中所起的作用主要有三:一是还原剂,与铁矿石中的氧作用生成CO和CO2,把铁还原出来;二是热源,焦炭燃烧时产生高温(炼铁高炉温度约1600℃),保证化学反应的进行,使铁矿石熔化;三是支撑剂,焦炭在高温下不变形,保证高炉中气流畅通、生产正常地进行。所以炼铁必须有一定粒度的高强度、低灰低硫的优质焦炭。为保证焦炭的质量,对炼焦用煤有如下的要求:
1)有较强的结焦性和粘结性:炼焦用煤一般都要用多种煤配合炼焦;强粘结性煤如肥煤、焦煤要占50%~60%,而粘结性差的煤如气煤、瘦煤用量为40%~50%,有时也可用一部分弱粘煤代替气煤。配煤后的胶质层厚度Y为16~20mm为佳。
2)煤的灰分要低:炼焦煤的灰分增加0.8%,焦炭的灰分就增加1%,焦炭的强度会下降2%,炼铁时的焦比(炼1t铁所需焦炭量与铁的比值)要增高2%~2.5%,生铁产量要下降2.55%~3%,高炉排渣量要增加2.7%~2.9%。所以要求炼焦煤的灰分越低越好。但为了保证精煤的回收率,所以煤焦配煤的灰分Ad≤10%为宜。由于我国的气煤多,而焦煤少,所以我国焦煤、肥煤的灰分可放宽至12%,气煤的灰分则要小于9%。不管原煤灰分多低,炼焦用煤都要进行洗选,不但降低了灰分,而且可脱除大部分丝质体和半丝质体等不粘结组分,使镜质组富集而提高煤的粘结性。
3)煤的硫分要低:炼焦煤中的硫有80%进入焦炭,焦炭在炼铁时,硫进入生铁。生铁中含硫大于0.07%,即为废铁,不能炼钢,因炼出的钢具热脆性,易脆裂。为了脱硫,要在高炉中加入石灰石、白云石等熔剂与硫形成炉渣(CaS)排出。通常炼焦煤的硫增加0.1%,焦炭中的硫增高0.08%,石灰石用量就增加1.6%,焦比上升1.2%,高炉的生产能力就降低1.6%~2.0%。所以要求炼焦配煤后的硫含量St,d≤1.2%。有些工业先进国家,要求配煤的硫含量要小于0.5%。煤中的磷在炼焦时也会进入焦炭,焦炭炼铁时磷进入铁中。磷也会使铁变脆,其危害比硫更大。炼焦配煤中要求磷含量Pd≤0.1%。我国煤中的磷含量一般都不高。
4)配煤的挥发分要合适:配煤的挥发分过高,会降低焦炭强度;挥发分过低,虽可提高焦炭的强度和块度,但炼焦时膨胀压力过大,推焦困难,而且挥发分低,化学产品的回收率低,使炼焦成本提高。一般配煤的挥发分Vdaf为28%~32%较合适。若生产铸造焦,挥发分可低一点(Vdaf=28%),可得较多的大块焦。化工用焦,焦炭强度可稍降低,故挥发分可高些,灰、硫的要求也可放宽一些。
5)其他指标要求:要求配煤总水分Mt在7%~10%之间。因水分高,消耗热量,需要延长炼焦时间,降低焦炭的产量。炼焦配煤的粒度,要求小于3mm占80%以上。粒度太大,煤料混合不均匀,炼出焦炭强度受影响;粒度太小,增加磨煤费用和电耗,而且装炉煤的堆密度变小,会减少焦炭产量,降低焦炭质量。配煤的粘结性较差时,可用捣固的办法增加堆密度,减少颗粒间的间隙,改善煤的粘结性,也可加入沥青等粘结剂来改善粘结性。煤料挥发分高,收缩太大时,可加入细粉碎无烟煤、半焦等瘦化剂,以提高焦炭强度。
2.气化用煤
煤直接燃烧效率低,热能利用率仅15%~18%,且污染大气。我国每年燃烧煤炭排入大气的烟尘量达1200×104t,SO2达1800×104t,占排入大气污染物总量的60%~80%。全国有几十个城市出现酸雨,近40%的国土受酸雨的污染,酸雨主要是硫酸(90%),其次为硝酸和弱酸。大气中含硫0.8mg/m3就会使人致病,酸雨使湖泊酸化、鱼藻死亡、农作物枯萎、土壤中养分流失,还破坏金属构件、建筑物,文物古迹、油漆、衣物也受其腐蚀。酸雨给国民经济造成巨大损失,已成为国际上重大的环境污染问题。用煤生产煤气作为燃料称为煤的气化,是减少对大气和环境污染的办法。煤气的热效率高达55%~60%,比直接燃煤提高3倍,洁净、空气污染小,运送方便,生产工艺和设备比较简单。煤的气化是使煤与氧气、空气、水蒸气等反应,生成含有CO和H2等可燃气体的工艺过程,即把固态的煤变成可燃气体的过程。
2C+O2→2CO+Δ
C+H2O?→CO+H2-Δ
式中:Δ表示无效成分。
据气化剂的不同,煤气可分为空气煤气、水煤气和半水煤气等。以空气作为气化剂生产出来的煤气称为空气煤气,但有效成分H2和CO含量只有12%,发热量太低,用处不大;以水蒸气、氧气作为气化剂生产出来的煤气称为水煤气,有效成分CO和H2的含量可达86%,发热量高,可作燃料和化工原料,也是工业用氢的来源;以空气和水蒸气作为气化剂生产出来的煤气称为半水煤气,有效成分H2和CO的含量达70%,N2含量为20%,发热量中等,是合成氨的原料,也可作燃料。
气化用的炉型不同,对煤质的要求也不一样。常见的有固定床气化炉、沸腾床气化炉和悬浮床气化炉。
(1)固定床气化炉
固定床气化炉为圆形炉子,煤由炉子上方加入,在炉栅上进行燃烧气化。气化剂从炉栅下部向上通入,生成的煤气从上方导出。炉栅附近温度高,为氧化层,向上温度逐渐降低,分别为还原层、干馏层和干燥层。
固定床气化炉必须用块煤,粒度最好为25~50mm,其次为13~50mm,13~25mm,25~75mm等。煤种以低煤级的褐煤、不粘煤、长焰煤、弱粘煤、气煤为佳。要求煤的抗碎强度较高,热稳定性要好(TS+6>70%),煤的活性好,灰分Ad<25%,硫分St,d<2%,固态排渣炉要求煤灰的软化温度ST>1200℃,液态排渣炉要求煤灰的熔化温度FT<1300℃,要求烟煤胶质层厚度Y<16mm。
(2)沸腾床气化炉
煤在炉上呈浮动的状态,就像沸腾的水,故称沸腾床气化炉。用粒度<8mm的煤,而<1mm的粉煤越少越好,不然飞灰的损失大,影响煤的有效利用率。煤种以低煤级的褐煤、长焰煤或不粘煤为佳。要求煤的水分Mt≤12%,灰分Ad≤25%,硫分St,d<2%,活性要好,a>60%(950℃时CO2的还原率),煤灰软化温度ST<1200℃。
(3)悬浮床气化炉
把煤磨成粉,喷至炉内呈悬浮状态进行燃烧气化。煤要磨得很细,<200网目(筛孔边长为0.074mm)的煤粒要>90%。煤粉在炉中1s内完成氧化反应,炉中温度高达1400~1500℃。生成煤气可供生产合成氨。该炉对煤种不限,对粘结性等无要求,但煤的水分要尽量少,Mt<5%。悬浮床气化炉生产能力大,1h可生产5×104~12×104m3的煤气。
(4)生产合成氨对煤质的要求
我国中型化肥厂生产合成氨的气化炉一般用固定床气化炉,对煤质有严格要求。要用无烟煤,块煤粒度为25~50mm,或15~100mm,13~25mm,13~70mm;含矸率(粒度大于50mm的矸石量百分比)小于4%,限下率(小于粒度下限的煤百分比)为15%~21%;Mt<6%;Vdaf≤10%,Ad为16%~24%,St,d≤2.0%,ST≥1250℃,TS+6≥70%,抗碎强度(大于25mm)不小于65%。
3.液化用煤
煤的液化就是将煤中的有机质转化成液态产物的加工过程。煤炭液化的主要目的是为了获得液体燃料,如汽油、柴油、煤油等,也可将液态产物加工成无灰焦炭,用以制造电极、碳纤维、粘结剂,生产有机化工产品,煤液化的副产品煤气可作为气体燃料。
煤液化的方法可分3类:煤直接加氢液化(如高压加氢法,溶剂精炼煤法);煤间接液化(先将煤气化为水煤气,然后合成液态产物);煤的部分液化(即低温干馏法)。
(1)煤直接加氢液化
煤是固体,碳含量高、氧含量高(15%~25%)、氢含量低(<7%)、原子比小,煤的分子结构为高分子缩聚物,结构单元为缩合芳香环,环上带有直链烃侧链和各种含氧、氮、硫的官能团,各结构单元通过醚键或非芳香烃连接,煤分子量很大,一般认为>5000。石油是液体,氢含量高(11%~14%),氧含量低(<1%),H/C原子比大,石油分子结构以烷烃、环烷烃为主,分子量小,约200。煤的直接加氢液化,实质就是煤在溶剂、催化剂和高压氢存在的条件下,切断煤的化学键,在键的断裂处用氢来补充,使煤变成低分子量、含氢高的油和气。加氢液化时,煤要破碎至<0.3mm,与蒽油(或四氢萘)混合制成煤糊,反应塔中温度为400~480℃,有CoMo催化剂,10~20MPa压力,煤糊在反应塔中被裂解,加氢液化,生成的液态产物可分馏出各种组分,气态产物可作燃料气用。据需要可改变反应温度和压力,生产产品可以液态为主,也可以固态为主。固态产品称溶剂精炼煤,是优质清洁燃料和化工原料,可用于炼焦配煤,做型煤的粘结剂,生产高级碳素材料、碳素纤维等。
加氢液化要采用低煤级的煤,如褐煤、长焰煤或Vdaf>35%的气煤。碳氢比要小,C/H<16,壳质组和镜质组含量要高,惰质组含量要低(I<10%,因其不液化),煤的灰分要低(Ad<5%),灰熔点要高(ST>1200℃)。
(2)煤间接液化(又称一氧化碳加氢法)
其原理是先将煤气化得原料气(CO+H2),然后在一定温度和压力下经催化合成,得到液态烃和液化石油气。产品有合成石油气、汽油、柴油、燃料油、蜡、醇、酸、酮等。目前南非有正式生产厂,年产量超过200×104t。
煤间接液化对煤质的要求与气化炉有关。如移动床加压气化炉,要求用块状无烟煤或焦炭,粒度均匀,灰分低,灰熔点高,抗碎强度高,热稳定性好,硫分低,水分低,挥发分低。
(3)煤的部分液化
即低温干馏,要用含油率高的褐煤或高挥发分烟煤,如长焰煤、气煤等。
4.火力发电用煤
我国约有30%的煤用于火力发电,年耗煤约4×108t,是用煤大户。我国火力电厂大多采用粉煤锅炉,装机容量越大的发电厂,对煤的热值及可磨性要求越高。煤的粒度越细越好,要求<200网目(筛孔边长<0.074mm)的粉煤要占85%以上(褐煤80%以上),所以要求煤的可磨性越大越好,可减少电耗。影响电厂用煤指标的主要有挥发分(Vdaf)、灰分(Ad)、水分(Mar)、硫分(St,d)、发热量(Qnet,ar)、灰熔点(DT,ST,FT)等。
1)发热量等级(表7-10):不同煤级的煤,挥发分不同,发热量不同,要根据不同炉型的煤来燃烧。如用任意煤级的煤,则燃烧的稳定性及效率会受影响。
表7-10 火力发电用煤对发热量的要求
2)灰分等级(Ad):分3等:A1≤24%;A2为24%~34%;A3为34%~46%。灰分降低发热量,粘污设备,造成显热损失,故对灰分有一定的要求。
3)水分等级(Mt%):
Vdaf≤40%时,M1≤8%,M2在8%~12%范围内;
Vdaf>40%时,M1≤22%,M2在22%~40%范围内。
煤中含水分Mt>60%时,要先干燥,不能直接燃烧。
4)硫分等级(St,d%):S1≤1.0%或S2在1.0%~3.0%之间。硫分高于3.0%会造成严重的腐蚀和环境污染。
5)灰熔点(ST):固态排渣炉要求高的灰熔点,液态排渣炉要选用低灰熔点的煤。当Qnet,ar>12.54MJ/kg时,要求ST>1350℃;当Qnet,ar≤12.54MJ/kg时,对灰熔点不限。
5.铁路机车用煤
机车锅炉的烟道较短,要求水蒸气的蒸发量大(70~80kg/(M2·h)),通风强度大,流速快(>30m/s),故需使用块煤。如果用末煤就会产生飞扬损失,粉煤没充分燃烧即被吹出,热能不能得到充分利用,损失率可达15%~20%,大供气时可达25%~30%。块煤的粒度以6~50mm为好。块煤供应不足时,也可供原煤,但含矸率要不大于1%,用混煤则要粒度为0~50mm。供应颗粒煤时限下率要小于15%,含末率要小,含末率增大1%,则煤耗增加0.4%。煤种可用长焰煤、弱粘煤、1/2中粘煤、1/3焦煤、气煤、肥煤、气肥煤等,要求挥发分大一些(Vdaf≥20%)。一般不使用褐煤,褐煤燃烧时火力不猛,使蒸气压力达不到要求。
机车用煤的硫分要低(St,d<1.5%),隧道多的地方要求St,d<1.0%,灰分要低(Ad≤24%)。煤的灰熔点越高越好,要求软化温度ST>1200℃,以免结渣影响炉子通风。煤的发热量分3级:①Qnet,ar为20.9~23.00MJ/kg;②Qnet,ar为23.00~25.09MJ/kg;③Qnet,ar≥25.09MJ/kg。用弱粘结性煤较好,用不粘结煤易漏失,用强粘结性煤则阻碍炉子通风。
6.船舶用煤
船舶用煤对质量要求更严,因船的体积小,供煤不方便,故要求高热值的低灰块煤。粒度为13~50mm间的小块和中块煤或者混块煤,灰分Ad<14%,发热量Qnet,ar≥25MJ/kg,挥发分(Vdaf)最好在25%~40%之间,煤灰熔点ST≥1250℃。可采用单种煤,也可用配煤燃烧,一般无烟煤和褐煤不宜做船舶用的配煤。
7.高炉喷吹用煤
为了降低高炉炼铁时的焦比,国内外普遍采用喷吹无烟煤粉、天然气和重油等燃料来代替部分焦炭,可降低生铁的成本,每喷吹1t优质无烟煤可节约焦炭800~900kg。喷煤粉率可达24%~30%,比用焦炭成本低一半。
喷吹用的无烟煤,要求可磨性好,HGI指数越大越好,可减少磨煤电耗;灰分、硫分要低,Ad≤12.5%,St,d<1.0%,Vdaf=10%左右,Mt<8%。水分高的无烟煤粉在喷吹时的黏滞力大,甚至使煤粉粘在一起而无法喷吹。煤灰成分中SiO2/CaO要小于1,因为CaO增高有助于降低酸性炉渣的黏度。无烟煤粉的细度,要求大于160网目的数量小于10%,最高不超过15%。我国新密、阳泉、汝箕沟、焦作、晋城等地的无烟煤可用于喷吹。低灰、低硫、强爆炸性的烟煤也可用于喷吹,如山西大同优质的弱粘煤。高变质的超无烟煤由于不易研磨成粉,一般不用于高炉喷吹。
8.烧结矿用煤
炼铁时对品位高的铁矿石经一定的破碎和筛分即可入炉冶炼,但对含铁量较低的贫矿则要预先破碎、洗选,提高品位后,把精矿粉与无烟煤和溶剂等在温度1300℃左右烧结成球,再送入高炉冶炼,把精料烧结成块,即为烧结矿。烧结用煤质量的好坏,将直接影响生铁的质量。烧结用的无烟煤粒度为0~3mm,灰分,硫分要低(Ad≤15%,St,d≤1.0%),发热量要高。
9.制活性炭用煤
活性炭是一种带有活性的炭制品,具有强吸附作用。活性炭是黑色、无味、无嗅的固体,不溶于一般有机溶剂。它具有发达的微孔结构,具有巨大的比表面积,每克活性炭比表面积可达500~1500m2,最高可达2500m2,使活性炭具有很高的吸附能力。活性炭的化学稳定性高,可在很广的酸碱度范围内使用。
活性炭是一种疏水性的吸附剂,能在气体和污水净化中发挥作用。它能从被污染的潮湿空气中吸附SO2,NO2,CO2,H2S,氯、汞蒸气以及苯、醇、醛、酚、汽油等多种气态烃,及多种细菌、病菌、臭气,还能吸附污水中各种化学物质、石油和细菌、病毒等,使水净化至地面水标准。活性炭又是一种优良的催化剂及载体,用于氧化、还原、脱氢、合成等化学反应中。活性炭广泛应用于食品、医药、工业用油剂、橡胶加工、石油炼制、染色、无机试剂的制备、有机合成、气体净化、溶液中贵金属和溶剂的回收、防毒面具、解毒剂以及航空、军工、消防等方面。
活性炭的品种有粉状和粒状等。生产时先将煤在温度600℃下进行干馏,除去挥发分,然后将碳化物在温度900℃下进行焙烧,用含氧气体和水蒸气、ZnCl2等活性剂进行活化,清除被吸附在碳表面的各种污染物,把被堵塞的微孔打开,从而增加活性炭的内表面积,恢复其活性。
各种煤都可作为生产活性炭的原料。高煤级烟煤和无烟煤制出的活性炭微孔发育,中孔少,适于气体和蒸汽的吸附,也可作催化剂载体,用于水的净化。低煤级烟煤和褐煤制成的活性炭中孔发育,微孔少,适于气体脱硫、脱色及大孔径的催化剂载体。对原料煤的要求是灰分越低越好,最高不超过10%,硫分越低越好,制颗粒状活性炭,则要求无烟煤的热稳定性要好。
10.制造电石用煤
在电炉内2200℃的高温下,将生石灰与焦炭进行反应,生成电石(CaC2)。电石与水反应,生成乙炔(C2H2),乙炔在氧气中燃烧可产生3500℃的高温,可用来切割金属;电石还可用于制造塑料、合成纤维、合成橡胶、化肥和农药等。
制造电石可用焦炭或无烟煤。对无烟煤的质量要求:固定碳含量要高,挥发分Vdaf<10%,灰分要低(Ad<7.0%),全硫St,d≤1.5%,磷含量Pd<0.04%,煤的密度以小于1.6g/cm3为佳,粒度最好是3~40mm。
11.制腐植酸用煤
制造腐植酸一般采用腐植酸含量高的泥炭、年轻褐煤和风化烟煤及严重风化的无烟煤。要求煤的腐植酸产率大于30%,煤的灰分不宜超过40%。煤灰成分中以含氧化钾和五氧化二磷较多为好,这样可制成含多种肥效的复合肥料。
12.提取褐煤蜡用煤
褐煤蜡是轻工业、化学工业中不可缺少的原料,制电缆、皮鞋油、复写纸、电子产品都少不了它。适于提取褐煤蜡的煤是年轻褐煤,要求苯抽提物EB,d>3%,灰分不宜太高。老褐煤的蜡含量低,不宜作为原料。
13.水泥工业用煤
大、中型水泥厂的砖窑烧成用煤对煤质的要求较高。首先是煤的灰分越低越好,一般要求Ad在20%~26%的范围内。灰分太高,煤的发热量太低,达不到熟料的烧成温度(1450℃以上,燃烧火焰温度达1600~1700℃),要求煤的发热量>21MJ/kg,温度低影响熟料的矿物成分和结晶状态,使水泥的安定性强度(标号)降低;要求灰分的成分稳定,因为煤灰成分会影响水泥的配料,煤的挥发分以Vdaf>25%为宜,但不要超过40%。挥发分适中,火焰明亮,升温快,熟料的质量好,煤的硫含量St,d<3%;煤种以焦煤、1/3焦煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤等较合适,也可采用配煤的方式。粒度以末煤、粉煤、混煤等小粒度最适宜,可减少磨煤电耗,粒度过细,易发生自燃爆炸,不安全。
14.陶瓷工业窑炉用煤
陶瓷工业窑炉可以用柴、煤、油、煤气、天然气作为燃料,也可用电。以煤作为燃料对煤质的要求是:发热量Qnet,ar≥21MJ/kg,挥发分Vdaf为25%~30%,灰分Ad≤20%,灰熔点ST≥1300℃,硫分St,d<2%。
15.工业锅炉的用途与用煤量
(1)工业锅炉
锅炉是生产水蒸气和热水的设备,按用途可分为动力锅炉(火力发电厂)、工业锅炉和采暖锅炉、废热锅炉。动力锅炉产生高温、高压过热蒸汽,工业锅炉产生饱和蒸汽或中、低压过热蒸汽,采暖锅炉只产生低压饱和蒸汽和热水。工业锅炉广泛用于化学工业、造纸、印染、纺织等行业。我国工业采暖锅炉有几十万台,年耗煤近4×108t。约占我煤产量的30%。
(2)工业锅炉分类
层燃炉:燃料在炉排上铺成层状,空气由炉排下送入。燃料一部分在炉排上燃烧,一部分在炉膛中燃烧,可储存较多的煤,燃烧稳定。按操作方式可分为手烧炉、链条炉、抛煤机炉、振动炉排炉等。
悬燃炉:又称煤粉炉,没有炉排,燃料在炉内呈悬浮状态燃烧,燃烧稳定性差,但燃烧效果好,机械化程度高,适于大炉。
沸腾炉:把煤料破碎至一定粒度,从炉排下送入压力较高的空气,将燃料层吹到一定高度燃烧。燃料在炉内上下翻滚,完成燃烧过程。该炉可烧劣质煤、油页岩、煤矸石、石煤,但飞灰量大,热损失大,耗电量大。管道易磨损。
(3)各种工业锅炉对煤质的要求
链条炉:煤的发热量Qnet,ar一般在19~21MJ/kg之间,挥发分Vdaf>15%,灰熔点ST>1200℃,弱结渣性;用烟煤,粒度为10~50mm。适于10~75t/h蒸汽量的中型锅炉。
振动炉排炉:用于容量2~10t/h的锅炉,适于低挥发分的烟煤和无烟煤,不宜用粘结性强、灰熔点低、水分高的煤。炉排振动易漏煤、飞灰多。
往复推动炉排炉:可用高灰分、高水分低煤级煤,不宜用无烟煤及粘结性强的烟煤,用于6t/h的小锅炉。
抛煤机炉:适用各种煤种,但粒度要在30~40mm范围内,水分Mt≤15%。适于蒸发量<10t/h的锅炉。
悬燃炉;适于任何煤种,但要有磨煤设备,适于蒸发量大于75t/h的大中型锅炉。
沸腾炉:可用劣质煤、油页岩、石煤等。
手烧炉:条状炉排,适用褐煤和高挥发分煤;板状炉适用无烟煤。
16.生活用煤
包括居民生活用煤、服务行业、机关团体用煤、冬季采暖用煤、城乡小企业生产用煤,约占我国煤年产量的20%,每年用煤超过2×108t。
烧散煤热效率仅为10%,煤球为20%,蜂窝煤为30%,上点火蜂窝煤达40%~50%。上点火蜂窝煤对煤质的要求是:易燃、上火快,发热量高,硫低,火旺耐烧,使用方便,发热量Qnet,ar在23~25MJ/kg之间,Vdaf在15%~20%范围内,St,d<0.5%,着火点低。