煤化工基礎化學(xué)知識(煤化工基本常識)
1.煤化工 基本常識
煤化工coal,chemical processing of以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使煤轉化為氣體、液體和固體燃料以及化學(xué)品的過(guò)程。
主要包括煤的氣化 、液化 、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等。煤化工開(kāi)始于18世紀后半葉，19世紀形成了完整的煤化工體系。
進(jìn)入20世紀，許多以農林產(chǎn)品為原料的有機化學(xué)品多改為以煤為原料生產(chǎn)，煤化工成為化學(xué)工業(yè)的重要組成部分。第二次世界大戰以后，石油化工發(fā)展迅速，很多化學(xué)品的生產(chǎn)又從以煤為原料轉移到以石油、天然氣為原料，從而削弱了煤化工在化學(xué)工業(yè)中的地位。
煤中有機質(zhì)的化學(xué)結構，是以芳香族為主的稠環(huán)為單元核心，由橋鍵互相連接，并帶有各種官能團的大分子結構，通過(guò)熱加工和催化加工，可以使煤轉化為各種燃料和化工產(chǎn)品。焦化是應用最早且至今仍然是最重要的方法，其主要目的是制取冶金用焦炭 ，同時(shí)副產(chǎn)煤氣和苯、甲苯、二甲苯、萘等芳烴。
煤氣化在煤化工中也占有重要的地位，用于生產(chǎn)城市煤氣及各種燃料氣 ，也用于生產(chǎn)合成氣 ；煤低溫干餾、煤直接液化及煤間接液化等過(guò)程主要生產(chǎn)液體燃料。
2.煤化工知識
煤化工按其產(chǎn)品種類(lèi)分可分為傳統煤化工和新型煤化工。
傳統煤化工的是指煤制焦炭、電石、甲醇等歷史悠久，技術(shù)成熟的產(chǎn)業(yè)。新型煤化工是指煤制油、煤制天然氣、烯烴、二甲醚、乙二醇等以煤墓替代能源為導向的產(chǎn)業(yè)。
一、傳統煤化工：產(chǎn)能過(guò)剩，將嚴控傳統煤化工在油價(jià)大幅度攀升的背景下確立了一定的成本優(yōu)勢。傳統煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于緩解我國石油、天然氣等緊缺能源供求的矛盾，促進(jìn)鋼鐵、化工、農業(yè)等下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮了難以替代的作用。
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國煤炭能源化工產(chǎn)業(yè)已經(jīng)擁有雄厚基礎。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2015-2020年中國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景預測與投資戰略規劃分析報告前瞻》顯示，截至2012年底，我國焦炭產(chǎn)量為4.43億噸，電石產(chǎn)量1869萬(wàn)噸，合成氨產(chǎn)量為5459萬(wàn)噸，甲醇產(chǎn)量為2640萬(wàn)噸，均位居世界前列。
然而，這幾個(gè)領(lǐng)域技術(shù)門(mén)檻較低，進(jìn)入者眾多，同時(shí)能耗大、污染嚴重。2004年以來(lái)，焦炭、電石行業(yè)的產(chǎn)能利用率一直處于較低水平，都已屬于產(chǎn)能過(guò)剩行業(yè)。
目前國內不僅煤炭、尿素產(chǎn)能過(guò)剩的局面已持續日久，電石和焦炭產(chǎn)能也仍大大高于市場(chǎng)需求。產(chǎn)能過(guò)剩會(huì )引發(fā)企業(yè)間的惡性競爭，導致產(chǎn)品的價(jià)格下降，經(jīng)營(yíng)風(fēng)險顯著(zhù)上升，增長(cháng)空間受到一定的限制。
因此，國家發(fā)改委已經(jīng)出臺了相應的產(chǎn)業(yè)結構調整政策，進(jìn)行了干預和引導，已經(jīng)將其列為限制發(fā)展的范圍。總體上來(lái)說(shuō)，傳統煤化工領(lǐng)域由于技術(shù)含量低、政策限制等因素的影響，雖然相對石油化工仍然具備一定的成本優(yōu)勢，但是增長(cháng)潛力比較有限。
二、新型煤化工：政策日漸明朗，前景向好現代新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工的產(chǎn)品為主，包括煤制天然氣、煤制烯烴、煤制油、煤炭分質(zhì)利用、煤制芳烴、煤制乙二醇等，其產(chǎn)品附加值高，市場(chǎng)缺口大，是我國優(yōu)化能源結構、保障能源安全的重要途徑之一。由于我國新型煤化工還處于行業(yè)發(fā)展初期，存在投入高，技術(shù)不穩定等特點(diǎn)，相關(guān)配套體系遠沒(méi)有完善，排放物的回收也沒(méi)有得到解決，行業(yè)發(fā)展具有很高的不確定性。
鑒于此，2009年后國家收緊了新型煤化工政策。2013年，我國對新型煤化工的政策導向日漸明朗，從“嚴格控制”轉為“鼓勵發(fā)展”。
自3月以來(lái)，10多個(gè)新型煤化工項目相繼獲國家發(fā)展改革委“路條”，其中包括了煤制天然氣、煤制烯烴和煤制油等項目。專(zhuān)案獲批從中可以看出新一屆政府對發(fā)展新型煤化工的積極態(tài)度。
目前，大多數新型煤化工項目仍處于產(chǎn)業(yè)化示范和開(kāi)發(fā)研究階段，預計部分項目將在未來(lái)3-5年內建成并投產(chǎn)。
3.煤化學(xué)是什么
煤化學(xué)簡(jiǎn)介 煤是一種不能再生的資源，且含有多種寶貴成分，經(jīng)加工后還可以生成更多用途更廣泛的物質(zhì)。
因此，煤雖然可直接用作燃料，但只有對煤實(shí)行綜合利用才是不失為合理使用自然資源的舉措。高中化學(xué)課本中介紹的煤的干餾是其中的措施之一。
除此之外，再簡(jiǎn)介部分其他的措施。其中“煤的氣化，煤的液化”在新編高中化學(xué)第一冊第21面中已順便提到，但具體內容未作介紹。
一、煤的氣化 煤的地下氣化：在100多年前，偉大的化學(xué)家門(mén)捷列夫就提出了設想：將地下的煤就地氣化，然后用管道輸送到地面。當時(shí)許多人對此想法予以嘲笑，認為這是異想天開(kāi)。
然而豐富的想象卻是創(chuàng )新的條件之一。到20世紀70年代初石油危機發(fā)生后，煤的地下氣化被化學(xué)家所重視。
其中前蘇聯(lián)最感興趣，并在它解體前終于創(chuàng )新出了向煤層加壓通氧的地下氣化法，投資費用比采煤低50%。其原理為：先在地面上每隔一定距離向地下煤層打進(jìn)氣孔和排氣孔，然后通過(guò)進(jìn)氣孔向煤層鼓入空氣或氧氣，使煤層發(fā)生燃燒，結果就產(chǎn)生了CO2,CO2沿著(zhù)煤層的縫隙向還沒(méi)有燃燒的煤層移動(dòng)并反應生成CO，將CO由排氣孔引到地面。
煤的地面氣化：即常見(jiàn)的將煤與有限的空氣和水蒸氣反應，就得到稱(chēng)為半煤氣的混合氣體：水蒸氣+煤+空氣→CO+H2+N2。因其中N2的含量過(guò)高而增加運輸負擔，故又將煤在高溫下與水蒸氣反應生成水煤氣，又稱(chēng)為合成氣。
C+H2O(g) CO+H2。半煤氣中的N2和H2及水煤氣中的H2的另一用途是作為合成氨的原料，CO和H2還有更具前途的應用，即作為后文介紹的一碳化學(xué)的原料氣。
二、煤的液化 將煤由固體變成液體，最早開(kāi)始于20世紀初期：將煤加熱到450℃，并加以2.02*107Pa的壓力，煤就變成了類(lèi)似石油的可燃性液體，發(fā)明者吉烏斯（德）將其稱(chēng)為人造石油。同樣在20世紀70年代的石油危機后，人們才重新認識人造石油。
為什么固體的煤能變成像石油一樣的液體呢？煤、石油分別是古代地球上的植物和低等動(dòng)物在漫長(cháng)的時(shí)間內經(jīng)過(guò)地殼內的高溫高壓的作用形成的，其中化學(xué)元素相同，只是煤中的氫元素比石油中的少一些。因此，往煤中加入氫元素，再經(jīng)加熱加壓就成為與石油差不多的物質(zhì)了。
現代煤的液化最常用的方法有直接液化法和間接液化法。直接液化法是把煤粉和煤在液化過(guò)程中產(chǎn)生的油跟氫氣混合，在高溫下經(jīng)催化劑催化，進(jìn)行加氫解聚反應及脫硫、脫氮、去氧、異構化等反應，生成固液混合物，分離得到的液體即人造石油。
間接液體先把煤氣化，再將得到的CO,H2在催化劑存在下加熱轉化為人造石油： nCO+2nH2→（H2）+nH2O 2nCO+nH2→（H2）+nCO2 nCO+(2n+1)H2→nH2n+2+nH2O 其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單便更利于工業(yè)化大量生產(chǎn)。可見(jiàn)，在煤液化成人造石油的過(guò)程中，還將對人有害的硫等元素除去，減少了對環(huán)境的污染，這是煤的液化受到人們重視與歡迎的另一原因。
據最近報道，我國科學(xué)院將啟動(dòng)“煤變油”項目。關(guān)鍵技術(shù)催化劑研究一旦獲重大突破，萬(wàn)噸“煤變油”裝置將崛起山西，這必將大大優(yōu)化我國的能源結構，并促進(jìn)中西部經(jīng)濟發(fā)展與改善大中城市的生態(tài)環(huán)境。
三、一碳化學(xué) 一碳化學(xué)也是因20世紀70年代的石油危機而引發(fā)的另一重大課題。上述的煤的間接液化制人造石油的反應也屬于一碳化學(xué)的反應，即以CO和H2在催化劑作用下合成長(cháng)鏈的烷烴、烯烴等石油成份的化合物。
目前一碳化學(xué)快速發(fā)展，還用于合成醇類(lèi)等物質(zhì)，例如nCO+2nH2→CnH2n+1OH+(n-1)H2O。現在一碳化學(xué)不僅包括CO為原料的化學(xué)，且也包括一個(gè)碳原子的非一氧化碳物質(zhì)如CH3O,CO2等為原料的化學(xué)，如美國飛馬公司利用新型催化劑以CH2OH為原料合成汽油，產(chǎn)率非常高。
一碳化學(xué)正在逐步展示出美好的前景，所以將煤加工成CO再以其一碳化學(xué)為基礎也可以更大地提高煤的綜合利用的經(jīng)濟價(jià)值。 煤是一種不能再生的資源，且含有多種寶貴成分，經(jīng)加工后還可以生成更多用途更廣泛的物質(zhì)。
因此，煤雖然可直接用作燃料，但只有對煤實(shí)行綜合利用才是不失為合理使用自然資源的舉措。高中化學(xué)課本中介紹的煤的干餾是其中的措施之一。
除此之外，再簡(jiǎn)介部分其他的措施。其中“煤的氣化，煤的液化”在新編高中化學(xué)第一冊第21面中已順便提到，但具體內容未作介紹。
一、煤的氣化 煤的地下氣化：在100多年前，偉大的化學(xué)家門(mén)捷列夫就提出了設想：將地下的煤就地氣化，然后用管道輸送到地面。當時(shí)許多人對此想法予以嘲笑，認為這是異想天開(kāi)。
然而豐富的想象卻是創(chuàng )新的條件之一。到20世紀70年代初石油危機發(fā)生后，煤的地下氣化被化學(xué)家所重視。
其中前蘇聯(lián)最感興趣，并在它解體前終于創(chuàng )新出了向煤層加壓通氧的地下氣化法，投資費用比采煤低50%。其原理為：先在地面上每隔一定距離向地下煤層打進(jìn)氣孔和排氣孔，然后通過(guò)進(jìn)氣孔向煤層鼓入空氣或氧氣，使煤層發(fā)生燃燒，結果就產(chǎn)生了CO2,CO2沿著(zhù)煤層的縫隙向還沒(méi)有燃燒的煤層移動(dòng)并反應生成CO，將CO由排氣孔引到地面。
煤的地面氣化：即常見(jiàn)的將煤與有限的空氣和水蒸氣反應，就得到稱(chēng)為半煤氣的混合氣體：水蒸氣+煤+空氣→CO+H2+N2。因其中N2的含量過(guò)高而增加運輸負擔。
