浅议煤的综合利用改一

浅议煤矿资源的综合利用煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料贮量的70%以上，共计有可采储量6369亿t,其中我国可采储量达1143亿吨，居世界第三，主要分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等省(区)。我国是一个储煤、产煤和用煤的大国，煤炭提供了我国一次能源的70%左右，其中约70%的发电燃料、80%的居民生活燃料、75%的工业动力燃料和60%的化工原料都来自煤炭。目前煤炭的主要用途主要是作为燃料，用于发电、生产水泥与钢铁冶炼等，作用很大，但污染严重、经济效益不高。所以，无论从资源的合理利用或是从提高经济效益的角度考虑，煤的综合利用技术的发展迫在眉睫。一、煤矿资源综合利用的效益分析（一）经济效益煤矿资源的综合利用是当今及今后发展的一个重要方向，从直接煤炭深加工的经济效益来看，如果以煤炭作为燃料的价值为１，则加工成煤焦油能增值近90倍，加工成塑料能增值近90倍，制成合成染料能增值约375倍，制成药品更可增值达750倍，而制成合成纤维则高达1500倍。也许这并不是一个准确的比例，但充分说明了煤炭作为燃料直接使用，是极大的浪费。从煤矿矿产综合利用开发来看，煤矿床实际上是一个“复合”矿床，煤系共伴生矿绝大部分与煤在同一地质时代沉积而成,有的作为煤炭的顶板或底板,有的是煤炭的夹层,一般离煤层较近。煤矿企业开发共伴生矿有很好的天然条件和经济、技术条件,在开采煤炭时一并回收,非常便利。《矿产资源法》规定:在勘探主要矿种时,应对共生伴生矿综合勘探,综合评价,在开采主要矿产时,对具有工业价值的共生矿和伴生矿,应当统一规划,综合开发,综合利用,防止浪费，利用煤矿井上下生产系统开发共伴生矿,是对以往勘探资源的深度开发,节约勘探投资,节约基建投入,对提高矿井利用率、经济效益和社会效益效果显著。如果对与煤共、伴生矿产没有利用要求，在煤层采掘后，原有各种地质因素之间的平衡遭到破坏，上覆岩层垮落，将造成与煤共、伴生的矿产非常难以开发利用，是极大浪费，令人痛心。煤炭企业开发利用煤系共伴生矿并取得成功后，不但可促进煤矿的发展为采煤炭为主，兼副共、伴生矿产集团，还可使资源得到充分利用、改善环境、增加效益，更有利于延缓煤矿山“老化”进程，从长远一点看，还有利于解救煤矿矿山危机，使其转产开发共、伴生矿产资源。（二）社会效益我国煤炭的特点是高硫、高灰煤比重大，主要是通过燃烧加以利用的，它的燃烧一方面释放出了各种工业和人类生活所需要的能量，同时却煤炭燃烧放出大量SO2、NOx和CO2气体和烟尘，造成了严重的环境污染和生态破坏。同时煤炭在开采和加工过程中产生和煤灰、煤渣、废气、废液都是环境污染的主要来源，如煤炭的伴生矿煤层气，其直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。将这些伴生矿和加工残余物合理利用，不但会充分利用有限资源带来的利润增长，拓展产业链，解决大量就业岗位，而且还能利于环境保护、遗泽子孙。从间接的价值来看，煤一种以芳香核结构为主的、具有烷基侧链的含氧、含氮、含硫基团的高分子化合物，以这种特殊结构的煤作为原料可以得到许多石油化工较难得到产品，如萘、酚类等，还可以制得一些带独特的有五环类化合物，如茚、苊以及三个芳香环以上的化合物，如蒽、菲、苊、葱、晕苯等稠环化合物。煤炭还可以生产大量的烯烃和烷烃制品以补充石油原料的不足，可以说煤化工和石油化工共同为基本有机合成工业提供丰富的化工原料。另外从世界石油、天然气和煤的储量来看，特别是我国能源结构的特点是缺油、少气、富煤，在常规能源中煤炭储量更是占90%以上。如何保障我国石油能源战略安全？以及我国后石油天然气时代的石油天然气替代能源？当之无悔，煤将合适的替代能源。利用“煤变油”既可保证目前的石油和天然气产业链的有效保值和利用，避免产业颠覆；又可确保我国能源战略长期安全稳定。二、煤矿产品的综合利用煤矿产品除主要生产原煤外，还伴生有煤层气、煤矸石、煤矿水等多种资源和矿产品。原煤作为煤矿主要生产产品，其综合利用方法及技术在下章讨论。（一）煤矸石。在煤炭的生产和加工利用过程中，会有大量的非煤资源产生（俗称：煤矸石），其具有重要的利用价值。煤矸石作为废弃物在地面堆放受到长时间的日晒雨淋后，将会风化粉碎，产生大量扬尘;另外，煤矸石吸水后会崩解，从而很容易产生粉尘，在风力的作用下将会恶化堆放区大气的质量；此外，煤矸石中含有残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物，矸石堆中的残煤自燃，会产生大量污染气体。开展煤矸石综合利用不但可以减少煤矸石的污染，还提高了煤矿的经济效益。1.利用煤矸石发电。建立专用煤矸石发电厂，或者低热值发电厂，用于煤矸石发电利用。目前重庆就有多家煤矸石发电厂，如：巫山煤电有限煤矸石发电厂、涪陵白涛煤矸石电厂、重庆能源集团永荣发电厂、重庆能源集团松藻发电厂等。2．建材生产。利用煤矸石可生产的建筑材料及其制品主要有：煤矸石砖、煤矸石砌块、煤矸石通用水泥、煤矸石特殊水混、经集料、马赛克及釉面砖等。3．化工产品。煤矸石的主要化工用途就是通过各种不同的方法捉取煤矸石中的某一种元素或生产硅铝材料。如对于含铝量较高的煤矸石，其开发的化工产品主要有结晶氯化铝、聚合氯化铝、硫酸铝、4A沸石等。4．化肥。煤矸石中约含有15%－20%的有机质，并含有丰富的植物生长所必须的B、Zn、Cu、Co、Mn、Mo等微量元素。某些煤矸石中的N、P、K及微量元素的含量是普通土壤的数倍，经过加工可以生产有机肥和微生物肥料。（二）矿井水。1．可饮用的矿物质水。有部分矿井水，具有饮用和食疗价值。如垫江县一关闭煤矿其矿井水经检验达到国家矿泉水标准，从而转产矿泉水。2．其他生产用水。我国总体来水资源欠缺，而且水资源越来越紧缺，矿井水也是一种水资源，大量的矿井水流失，不仅是极大浪费，而且还会对矿区周围农田及地表水系污染。可以对矿井水进行处理利用，不但可避免对水环境造成污染，还缓解了缺水地区供水不足等困难。（三）煤层气。煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料，俗称“瓦斯”。其热值是通用煤的2-5倍，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低约70%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：既保证生产安全，又是洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。目前国家大力支持发展煤层气，目前已有多家煤矿企业实施了煤层气的穿层抽采、顺层抽采、采空区抽采和地面抽采利用。（四）其他伴生矿。煤系岩石中赋存了大量的与煤共生或者伴生的矿产资源，若不加以利用，就会被废弃，甚至破坏植被、污染环境，因此，充分开发我国煤系地层中的共伴生矿产资源，变废为宝有十分重要的意义。在我国煤田及围岩中的共伴生矿产资源中，有开发利用价值的主要矿产有高岭土、耐火粘土、膨润土、硅藻土、硫铁矿、石墨、硅灰石、大理石、花岗岩、冰洲石、石膏、石煤、煤矸石、煤层气、页岩气、矿泉水等，它们构成了煤系共伴生矿产资源，其是建材、净化水、石油、化工、涂料、医药和制革等行业的重要原料。其中犹以高硅伴生矿物，如硅藻土、膨润土、高岭石等最为常见，且储量大、品位高。其中在四川和重庆的煤系膨润土和煤系硅藻土分布相对较稳定和储量大。伴生矿具有潜力巨大的经济价值，如煤系高岭土经过初选后可作为建筑材料，铸造型砂；经改性处理后可作为橡胶、塑料的填充料等；此外，煤系高岭土还可用来提炼金属铝、合成4A沸石，生成聚合氯化铝，白炭黑及其铜板纸涂料等。如，国内洗衣粉普遍使用三聚磷酸钠为助剂，由于该助剂对水的污染严重，并对人体有害，所以许多国家禁止使用。煤系燃烧高岭土生产的4A沸石可以替三聚磷酸钠。三、煤炭的深加工技术煤炭综合利用并制取高附加值化产品的方法是多种多样的，其中包括煤的干馏（焦化）、加氢、液化、气化、氧化、磺化、卤化、水解、溶剂抽提等。煤炭还可以直接用作还原剂、过滤材料、吸附材料、塑料和炭素材料等。煤炭综合利用的主要工艺方法有燃烧、气化、液化、干馏、炭素化与煤基材料和煤基化学品等。（一）煤的燃烧。煤的燃烧是指煤中可燃成分（碳、氢、硫等）与空气在的氧进行剧烈的化学反应，放出大量的热并生成烟气和灰渣的过程。煤的燃烧过程其主要反应：挥发份+O2→CO2+H2OC+O2→CO2S+O2→SOX（SO2）完全燃烧反应N+O2→NOX煤作为燃料所产生的热能可用于发电，其残热还可用于供热等，其产生的CO2、NO2、SO2气体也是重要的化工原料，燃烧后的粉煤灰（灰渣）也是重要的建筑材料，可用于烧陶、压砖、生产水混和混凝土；其中有些化学成份较高的，可用于生产氧化铝、碳化硅、矾土、橡胶填料；还可作为化肥原料和新型环保材料等。（二）煤的气化。煤的气化则是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。通过煤气化可以把组分复杂、难以加工利用的固体煤转化为易于净化及应用的气体产品。煤气化是实现煤炭高效清洁利用的核心技术之一，煤气可应用于许多方面：（1）合成化肥、甲醇、烯烃天然气及液体燃料等的原料气；（2）石化加氢、煤直接液化、燃料电池等的氢气源；（3）工业、民用以及先进整体气化联合循环发电等的燃气；（4）直接还原炼铁的还原气等。煤气化技术的发展所追求的目标是：希望能使用包括劣质煤在内的固体燃料，大规模连续高效洁净地生产煤气。在国内煤气化技术主要有固定床、气流床和流化床三种：（1）固定床气化技术是以Lurgi为代表的加压煤块气化技术。技术成熟稳定，是世界上早期的煤气化技术之一，也是目前全球应用较广的煤气化技术。工艺特点是成熟稳定，气化效率高，氧耗低，排渣处理成熟。该工艺较适合生产城市生活用煤气，煤气热值高。（2）流化床气化技术是以恩德炉、灰熔聚为代表的气化技术。恩德气化炉是由温克勒气化炉演变而来，主要用于生产燃料气和合成氨原料气等。该气化炉适用褐煤及长焰煤等，缺点是常压下气化效率和碳转化率不高。（3）气化剂把煤粉携带进入气化炉，完成燃烧和气化反应的过程是气流床气化技术的原理。该技术的特点是：煤和气化剂的相对速度低，煤的比表面积比大大提高，煤粒被气流隔开等。现在已经在工业中普遍使用的的气流床炉类型有：常压气流床粉煤气化、粉煤加压气化等。还有一种生物质与煤共气化技术，生物质与煤共气化，由于灰分和硫含量低，挥发分含量高且反应性高，生物质与低阶煤共气化如能产生协同作用就可能产生低热值气体来增加产品的附加值。根据使用气化剂的不同，煤气成分与发热量也不同，可分为空气煤气、混合煤气、水煤气、半水煤气等。1.空气煤气：以空气为气化剂与煤炭进行反应的产物，煤气中可燃组分(CO、H2)很少，不可燃组分(N2、CO2)很多。2.混合煤气：为了提高煤气发热量，采用空气和水蒸气的混合物作为气化剂，生成的煤气称为混合煤气(发生炉煤气)。3.水煤气：以水蒸气作为气化剂生产的煤气。4.半水煤气：水煤气与空气煤气的混合气，是合成氨原料气。气化反应公式为：C+H2O=CO+H2△H0298=109kJ/molC+0.5O2=CO△H0298=-123kJ/molC+CO2=2CO△H0298=162kJ/molC+2H2=CH4△H0298=-87kJ/mol均相反应：CO+3H2=CH4+H2OCO+H2O=H2+CO2（三）煤的低温干馏。煤在隔绝空气条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程，称为干馏。煤干馏按加热终温的不同，可大致分为三种：500~600℃为低温干馏；600~900℃为中温干馏；900~1100℃为高温干馏。1．煤炭高温干馏又称煤焦化。以煤为原料，在隔绝空气条件下，加热到950℃左右，经高温干馏生产焦炭，同时获得煤气、煤焦油并回收其他化工产品的一种煤转化工艺。2．煤低温干馏。煤低温干馏过程仅是一个热加工过程，常压生产，不用