煤中的元素及其利用

煤中的元素及其利用煤為不行再生的資源。煤是古代植物埋藏在地下經(jīng)受了簡單的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化漸漸形成的固體可燃性礦埋藏后再經(jīng)地質(zhì)作用轉(zhuǎn)變而成。俗稱煤炭。中國是世界上最早利用煤的國家。遼寧省樂古文化遺址中，就覺察有煤制《山海經(jīng)》中稱煤為石涅，魏、晉時稱煤為石墨或石炭。明代李時珍的《本草綱目》首次使用煤這一名稱。希臘和古羅馬也是用煤較早的國家，希臘學(xué)者泰奧弗拉斯托斯在公元前300年著有《石史》，其中記載有煤的性質(zhì)和產(chǎn)地；古2022年前已開頭用煤加熱。煤主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，碳、氫、氧三者總和約占有機(jī)質(zhì)的95%以上，是格外重要的能源，也是冶金、化學(xué)工業(yè)的重要原料，有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤這幾種分類。有名作家朱自清也曾以煤為標(biāo)題寫過一首詩，賜予其獨(dú)特的象征意義。我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，不僅儲量大，分布廣，而且種類齊全，煤質(zhì)優(yōu)良，為我國工業(yè)現(xiàn)代化供給了極為有利的條件。截至2022年，中國是世界上煤炭產(chǎn)量最大的國家，煤炭產(chǎn)量32.4億噸，相當(dāng)于1800.4，占世界比例高達(dá)48.3%；其次是美國，占世界產(chǎn)量比例為14.8%；排名第三的是澳大利亞，占世界產(chǎn)量比例為6.3%；印度和印尼則分別排名第四五，占世界產(chǎn)量比例分別是5.8%和5.0%。由此可見，作為我國第一能源，煤炭的合理開發(fā)和利用對進(jìn)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活水平起著極其重要的作用。煤的形成在地表常溫、常壓下，由積存在停滯水體中的植物遺體經(jīng)泥炭化作用或腐泥化作用，轉(zhuǎn)變成泥炭或腐泥；泥炭或腐作用而轉(zhuǎn)變成褐煤；當(dāng)溫度和壓力漸漸增高，再經(jīng)變質(zhì)作用轉(zhuǎn)變成煙煤至無煙煤。泥炭化作用是指高等植物遺體在沼澤中積存經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。腐泥化作用是指低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成腐泥的過程。腐泥是一種富含水和瀝青質(zhì)的淤泥狀物質(zhì)。冰川過程可能有助于成煤植物遺體集合和保存。在整個地質(zhì)年月中，全球范圍內(nèi)有三個大的成煤期：古生代的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)，成煤植物主要是孢子植物。主要煤種為煙煤和無煙煤。中生代的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)，成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。生代的第三紀(jì)，成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤，其次為泥炭，也有局部年輕煙煤。煤的用途煤是重要能源，也是冶金、化學(xué)工業(yè)的重要原料。主要用于燃燒、煉焦、氣化、低溫干餾、加氫液化等。①燃燒。煤炭是人類的重要能源資源，任何煤都可作為工業(yè)和民用燃料。②煉焦。把煤置于干餾爐中，隔絕空氣加熱，煤中有機(jī)質(zhì)隨溫度上升漸漸被分解，其中揮發(fā)性物質(zhì)以氣態(tài)或蒸氣狀態(tài)逸出，成為焦?fàn)t煤氣和煤焦油，而非揮發(fā)性固體剩留物即為焦炭。焦?fàn)t煤氣是一種燃料，也是重要的化工原料。煤焦油可用于生產(chǎn)化肥、農(nóng)藥、合成纖維、合成橡膠、油漆、染料、醫(yī)藥、炸藥等。焦炭主要用于高爐煉鐵和鑄造，也可用來制造氮肥、電石。電石是塑料、合成纖維、合成橡膠等合成化工產(chǎn)品。③氣化。氣化是指轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺鳛楣I(yè)或民用燃料以及化工合成原料的煤氣。④低溫干餾。把煤或油頁巖置于550℃左右的溫度下低溫干餾可制取低溫焦油和低溫焦?fàn)t煤氣，低溫焦油可用于制取高級液體燃料和作為化工原料。⑤加氫液化。將煤、催化劑和重油混合在一起，在高溫高壓下使煤中有機(jī)質(zhì)破壞，與氫作用轉(zhuǎn)化為低分子液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，進(jìn)一步加工可得汽油、柴油等液體燃料。加氫液化的原料煤以褐煤、長焰煤、氣煤為主。綜合、合理、有效開發(fā)利用煤炭資源，并著重把煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓛羧剂希侨藗兣Φ姆较?。煤的分類煤有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤等幾種。云南常用的是褐煤、煙煤、無煙煤三種。煤的種類不同，其成分組成與質(zhì)量不同，發(fā)熱量也不一樣。單位重量燃料燃燒時放出的熱量稱為發(fā)熱量，人為規(guī)定以每公斤發(fā)熱量7000千卡的煤作為標(biāo)準(zhǔn)煤，并以此標(biāo)準(zhǔn)折算耗煤量。褐煤：多為塊狀，呈黑褐色，光澤暗，質(zhì)地疏松；含揮發(fā)分40%左右，燃點(diǎn)低，簡潔著火，燃燒時上火快，火焰大，冒黑煙；含碳量與發(fā)熱量較低〔因產(chǎn)地煤級不同，發(fā)熱量差異很大，燃燒時間短，需經(jīng)常加煤。煙煤：一般為粒狀、小塊狀，也有粉狀的，多呈黑色而有光澤，質(zhì)地細(xì)致，含揮發(fā)分30%以上，燃點(diǎn)不太高，較易點(diǎn)燃；含碳量與發(fā)熱量較高，燃燒時上火快，火焰長，有大量黑煙，燃燒時間較長；大多數(shù)煙煤有粘性，燃燒時易結(jié)渣。無煙煤：有粉狀和小塊狀兩種，呈黑色有金屬光澤80%以上；揮發(fā)分含量低，在10%以下，燃點(diǎn)高，不易著火；但發(fā)熱量高煙少，燃燒時間長，粘結(jié)性弱，燃燒時不易結(jié)渣。應(yīng)摻入適量煤土燒用，以減輕火力強(qiáng)度。泥煤：碳化程度最淺，含碳量少，水分多，Mar可高達(dá)90%發(fā)熱量低，揮發(fā)分含量很多，因此極易著火燃燒?；曳秩埸c(diǎn)低，但機(jī)械強(qiáng)度較低。因此，泥煤在工業(yè)上使用價值不高，更不宜長途運(yùn)輸，一般只作為地方性燃料使用。產(chǎn)區(qū)分布于西南各省和浙江〔西湖泥煤〕等地煤的伴生元素伴生元素指以有機(jī)或無機(jī)形態(tài)富集于煤層及其圍巖中的元素。有些元素在煤中富集程度很高，可以形成工業(yè)性礦依據(jù)煤中伴生元素的性質(zhì)和用途，可分為有益元素、有害元素和指相元素3類。有益元素主要有鍺、鎵、鈾、釩等，可被利用。有害元素主要有硫、磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等。硫是煤中常見的有害成分，其他有害元素在煤中含量一般不高，但危害極大，如砷是一種有毒元素。煤在燃燒中，硫是造成城鎮(zhèn)環(huán)境污染的主要物質(zhì)源。固然，對有害元素假設(shè)收集、處理得當(dāng)也可變成對人有用的財寶。煤中伴生元素，有各自的地球化學(xué)性質(zhì)，形成于不同的沉積環(huán)境中。因此，可依據(jù)元素的相對含量、元素的共生組合關(guān)系及元素的比值，來推斷相和沉積環(huán)境。下面具體介紹幾種煤的伴生元素。鈾鈾主要應(yīng)用于現(xiàn)代原子能工業(yè),與煤伴生的鈾礦是該礦種重要的類型之一。煤中鈾的工業(yè)品位要求為0.02%。目前具有工業(yè)價值的富鈾煤層大多形成于陸相沉積環(huán)境,尤其是在褐煤中較多。這些富鈾煤層大多位于煤盆地結(jié)晶基底上,物消滅。在泥炭積存時期,多呈易溶鈾有機(jī)絡(luò)合物形式遷移,,絡(luò)合物破壞,或者鈾有機(jī)絡(luò)合物與某些鹽類起化學(xué)作用,或由于吸附作用而沉淀下來;鈾也可呈膠溶體形式遷移,受到有機(jī)質(zhì)等的,鈾均富集于盆地底部煤層。我國主要是從煤灰中浸出鈾。鍺鍺元素的提取從煤中提取:近年來覺察，某些粉灰中也含有肯定量的鍺，成為種的鍺資 源。目前，國內(nèi)提取鍺的方法主要有沉淀法、復(fù)原法和萃取法。前兩種方法普遍存在著過程較簡單、本錢較高、產(chǎn)品純度也不夠抱負(fù)等問題;而萃取法中所用的某些萃取劑，例如Kelex100、Lix63等萃鍺效果較好，惋惜國內(nèi)缺乏這類試劑，需要進(jìn)口。而國內(nèi)合成的二酞異經(jīng)肪酸利用二酞異經(jīng)厲酸(DHYA)的磺化煤油溶液從低酸度粉煤灰浸取液中提取鍺承受相比13-14，水相pH值為1.00一1.25，室溫下進(jìn)展三級逆流萃取，使用NH4F溶液反萃取最終鍺收率可達(dá)99%產(chǎn)品純度在99.8%以上. 鍺屬于稀有分散元素,煤中含量一般不高,只要到達(dá)20g/t即可加工利用。鍺主要分布于煤層的頂、底板四周,薄煤層和透鏡體中鍺的含量較高。從已覺察的幾個超大型含鍺煤礦床來看,腐植酸鹽形式存在,有的以吸附狀態(tài)或其它鍺金屬有機(jī)化合物形式存在,有爭辯說明,鍺主要與煤中的含氧官能團(tuán)形成有機(jī)協(xié)作物[8]。從煤中提取鍺的傳統(tǒng)方法是燃燒含鍺煤,用硫酸從燒灰中浸取鍺。該法在煤燃燒時鍺的損失達(dá)20%~50%,回收率低,所以一些爭辯者開頭承受微生物法浸出煤中鍺。釩釩廣泛用于制造優(yōu)質(zhì)合金鋼,釉和枯燥劑。釩的工業(yè)品位為0.7%床開采主要是石煤,石煤資源分布在20多個省區(qū),尤以湖南、湖北、江西、浙江等省含釩石煤資源豐富,一般石煤中含V2O50.5%~1.2%,,傳統(tǒng)工藝多為平窯鈉法焙燒。由于該工藝釩的轉(zhuǎn)化率和總回收率低,現(xiàn)在多承受濕法提取石煤中的釩。鎵鎵大量用于制造半導(dǎo)體元件,在自然界沒有獨(dú)立礦床,但在煤中普遍存在,10g/t,有的高250g/t,工業(yè)可采品位為30g/t。鎵通常共生于高Al2O3煤中,煤層頂、底板及夾矸中鎵的含量也較高。目前主要是從煤灰和煤矸石中提取鎵,主要承受高溫煅燒浸出和低溫酸性浸出兩種工藝12~230μg/g，具有提取價值。粉煤灰經(jīng)堿法燒結(jié)后，用碳酸鈉溶液浸出，經(jīng)三次碳酸化及分別過程，可獲得富鎵沉淀。該沉淀用氫氧化鈉溶液溶解，可用電解法制得金屬鎵。煤的工業(yè)分析通過工業(yè)分析可大致了解煤的性質(zhì)，又稱技術(shù)分析，是指煤的水分、揮發(fā)分、灰分的測定以及固定碳的計算。水分可分為外在水分、內(nèi)在水分以及與煤中礦物質(zhì)結(jié)合的結(jié)晶水、化合水。外在水分為煤炭在開采、運(yùn)輸、儲存及洗選過程中，附著在煤顆粒外表和大毛細(xì)孔中的水分。內(nèi)在水分為吸附或分散在煤顆粒內(nèi)部的毛細(xì)孔中的水100℃時可將煤中內(nèi)在水分完全蒸發(fā)出來?；曳质侵该和耆紵髿埩舻臍堅??；曳謥碜悦旱牡V物質(zhì)。揮發(fā)分是指煤中有機(jī)質(zhì)可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物。揮發(fā)分隨煤化程度增高而降低，可用于初步估測煤種。固定碳是指煤中有機(jī)質(zhì)經(jīng)隔絕空氣加熱分解的剩余物，固定碳隨變質(zhì)程度的加深而增高，可作為鑒定煤變質(zhì)程度的指標(biāo)。煤化工煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體，液體，固體燃料以及化學(xué)品的過程，生產(chǎn)出各種化工產(chǎn)品的工業(yè)。煤化工包括煤的一次化學(xué)加工、二次化學(xué)加工和深度化學(xué)加工。煤的焦化、氣化、液化，煤的合成氣化工、焦油化工和電石乙炔化工等，都屬于煤化工的范圍。煤化工利用生產(chǎn)技術(shù)中，煉焦是應(yīng)用最早的工藝，并且至今仍舊是煤化學(xué)工業(yè)的重要組成局部。煤的氣化在煤化工中占有重要地位，用于生產(chǎn)各種燃料起，是干凈的能源，有利于提高人民生活水平和環(huán)境保護(hù)；煤氣化生產(chǎn)的合成氣是合成液體燃料等多種產(chǎn)品的原料。煤直接液化，即煤高壓加氫液化，可以生產(chǎn)人造石油和化學(xué)產(chǎn)品。在石油短缺時，煤的液化產(chǎn)品將替代目前的自然石油！以上既是在煤化工轉(zhuǎn)化的主要方面。一代煤化工技術(shù)是指以煤氣化為龍頭，以一碳化工技術(shù)為根底，合成、制取各種化工產(chǎn)品和燃料油的煤炭干凈利用技術(shù)，與電熱等聯(lián)產(chǎn)可以實現(xiàn)煤炭能源效率最高、有效組分最大程度轉(zhuǎn)化、投資運(yùn)行本錢最低和全生命周期污染物排放最少的目標(biāo)。干凈煤干凈煤技術(shù)〔cleancoaltechnology〕是指從煤炭開發(fā)到利用的全過程中旨在削減污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉(zhuǎn)化及污染把握等技術(shù)。干凈煤技術(shù)〔CCT〕一詞源于美國，旨在削減污染和提高效益的煤炭加工、燃燒、轉(zhuǎn)換和污染把握等技術(shù)的總稱。傳統(tǒng)意義上的干凈煤技術(shù)主要是指煤炭的凈化技術(shù)及一些加工轉(zhuǎn)換技術(shù)，即煤炭的洗選、配煤、型煤以及粉煤灰的綜合利用技術(shù)，國外煤炭的洗選及配煤技術(shù)相當(dāng)成熟，已被廣泛承受；目前意義上干凈煤技術(shù)是指高技術(shù)含量的干凈煤技術(shù)，進(jìn)展的主要方向是煤炭的氣化、液化、煤炭高效燃燒與發(fā)電技術(shù)等等。它是旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉(zhuǎn)換和污染把握技術(shù)的總稱，是當(dāng)前世界各國解決環(huán)境問題的主導(dǎo)技術(shù)之一，也是高技術(shù)國際競爭的一個重要領(lǐng)域。依據(jù)我國國情，潔凈技術(shù)包括：選煤，型煤，水煤漿，超臨界火力發(fā)電，先進(jìn)煤炭氣化，煤炭液化，燃料電池。干凈煤技術(shù)包括兩個方面，一是直接燒煤干凈技術(shù)，二是煤轉(zhuǎn)化為干凈燃料技術(shù)。直接燒煤干凈技術(shù)。這是在直接燒煤的狀況下，需型煤加工和水煤漿技術(shù)。原煤洗選承受篩分、物理選煤、化學(xué)選煤和細(xì)菌脫硫方法，可以除去或削減灰分、矸古、硫等雜質(zhì)；型煤加工是把散煤加工成型煤，由于成型時參加石灰固硫劑，可削減二氧化硫排放，削減煙塵，還可節(jié)煤；水煤漿是先用優(yōu)質(zhì)低灰原煤制成，可以代替石油。②燃燒中的凈化燃燒技術(shù)，主要是流化床燃燒技術(shù)和先進(jìn)燃燒器技術(shù)。流化床又叫沸騰床，有泡床和循環(huán)床兩種，由于燃燒溫度低可削減氮氧化物排放量，煤中添加石灰可削減二氧化硫排放量，爐渣可以綜合利用，能燒劣質(zhì)煤，這些都是它的優(yōu)點(diǎn)；先進(jìn)燃燒器技術(shù)是指改進(jìn)鍋爐、窯爐構(gòu)造與燃燒技術(shù)，削減二氧化硫和氮氧化物的排放技術(shù)。③燃燒后的凈化處理技術(shù)，主要是消煙除塵和脫硫脫氮技術(shù)。消煙除塵技術(shù)很多，靜電除塵器效率最高，可達(dá)99%以上，電廠一般都承受。脫硫有干法和濕法兩種，干法是用漿狀石灰噴霧與煙氣中二氧化硫反響，生成枯燥顆粒硫酸鈣，用集塵器收集；濕法是用石灰水淋洗煙塵，生成漿狀亞硫酸排放。它們脫硫效率可達(dá)90%。煤轉(zhuǎn)化為干凈燃料技術(shù)。主要有以下四種：①煤的氣化技術(shù)，有常壓氣化和加壓氣化兩種，它是在常壓或加壓條件下，保持肯定溫度，通過氣化劑〔空氣、氧氣和蒸汽〕與煤炭反響生成煤氣，煤氣中主要成分是一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w。用空氣和蒸汽做氣化劑，煤氣熱值低；用氧氣做氣化劑，煤氣熱值高。煤在氣化中可脫硫除氮，排去灰渣，因此，煤氣就是干凈燃料了。②煤的液化技術(shù)，有間接液化和直接液化兩種。間接液化是先將煤氣化，然后再把煤氣液化，如煤制甲醇，可替代汽油，我國已有應(yīng)用。直接液化是把煤直接轉(zhuǎn)化成液體燃料，比方直接加氫將煤轉(zhuǎn)化成液體燃料，或煤炭與渣油混合成油煤漿反響生成液體燃料，我國已開展?fàn)庌q。③煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，先把煤制成煤氣，再用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，排出