煤炭清洁有效利用技术

煤炭属于化石燃料，是非再生能源，不可能永远使用。虽然煤炭是世界化石能源中储量最多的，但是，据1992年世界能源会议公布的资料，1990年末世界煤炭探明储量也只可供人类200多年的开采需要。而石油与天然气，如果没有新的探明储量补充，到本世纪中叶将濒临枯竭。至于核能原料铀的储量，若采用热中子堆技术，也只能供应半个世纪左右。另外，在化石燃料利用过程中，如不采用清洁有效利用技术，则不可避免地造成环境的污染和大气的温室效应。
我国的能源消费以煤炭为主，1995～2004年间煤炭的消费量约占能源消费总量的70％左右，其中大部分用于燃烧。同时，一些先进国家煤炭的能源强度（单位GDP能耗）仅为我国的2/3甚至还要低，我国二氧化硫的排放量也位于世界前列。因此，对于我国来说，要促使国民经济、社会与环境的协调、持续快速的发展，清洁有效地利用能源是关键的策略之一。
多数的工业生产，如电力、建材、冶金、化工以及生活等都离不开煤炭。由于各行业使用煤炭的目的不同，生产工艺不同，尤其是由于技术的不断发展，使得不同领域的技术相互联合、交叉和渗透，所以煤炭清洁有效的利用是涉及内容广泛而且十分复杂的技术问题。
本书根据煤炭资源和利用的状况，对煤炭清洁有效利用的技术进行了较系统的介绍，包括发展水平、技术特点以及各领域之间的交叉和联合。其目的就是希望从中能给读者一些启发，得以举一反三，不仅成功地利用原有技术，而且能独立创新、自主研发新的技术。
本书基本是按照以下部分和次序编排的，即煤炭在使用前为清洁有效利用作前期准备的技术，煤炭转化加工工艺及设备、产品或污染物的净化处理以及煤炭清洁有效利用的新技术。第一章、第二章介绍煤炭的一些特征以及煤炭与经济关联的一些问题；第三章介绍我国煤炭资源与利用现状；第四章至第七章介绍煤炭在加工利用之前的清洁生产及有效利用技术；第八章介绍煤炭清洁利用过程所用到的基础知识一流态化技术；第九章至第十三章介绍煤炭清洁有效加工利用技术；第十四章至第十六章介绍煤炭加工过程中产品和一些废弃物的净化处理技术；第十七章至第十八章介绍煤炭与化工联产以及利用煤炭发电高效利用技术。其中第八章流态化基础由于涉及各个领域的一些技术问题，如煤炭气化、煤炭液化、流态化燃烧、以煤炭为原料的化工生产以及烟气的脱硫处理等，同时也是上述内容的基础，因此介绍的内容较多、编排篇幅较大。关于第十二章煤炭气化，它不仅是一种煤炭高质量和高附加值的利用方法，也是煤炭化工生产的基础，所以编排的篇幅也较大。另外，对同一种目的的煤炭加工或同一种污染物的处理，尽量介绍多种工艺及设备以体现多种解决途径，同时对国内外正在研究的煤炭利用新技术也做了详细的介绍，其初衷不外乎是开阔读者的思路，不断促进和扩大研发新技术的手段。
本书可供热能工程、环境工程、石油化工、冶金工程等领域的技术人员和研究人员参考，也可供高等院校相关专业师生参阅。
本书主要由吴占松、马润田、赵满成、左禹和张坤竹编著；另外，在本书编著过程中，在收集资料、绘图以及校对等工作方面得到了庄家人高级工程师、黄庚玲高级工程师、郭亮博士、余继军博士、幸向军工程师等的大力帮助，在此表示衷心感谢。
本书涉及的技术领域广泛，内容丰富，引用了近些年来国内外煤炭利用的技术资料，力图使读者在独立自主创新技术的道路上有所收获。但鉴于作者的水平，不足之处在所难免，望广大读者批评斧正。

编著者2007年3月

本书根据煤炭资源和利用的状况，较系统地介绍了煤炭清洁有效利用前的准备技术、煤炭转化加工工艺及设备、产品或污染物的净化处理以及煤炭清洁有效利用新技术，对同一种目的的煤炭加工或同一种污染物的处理，介绍了多种工艺及设备以体现多种解决途径。
本书可供热能工程、环境工程、石油化工、冶金工程等领域的技术人员和研究人员参考，也可供高等院校相关专业师生参考使用。

第一章我国煤质特征及分类方法001
第一节煤的形成001
一、泥炭的形成001
二、褐煤的形成001
三、烟煤的形成001
四、无烟煤的形成002
第二节煤的分析002
一、煤的分析方法002
二、煤的真相对密度、视相对密度、散密度和孔隙率007
第三节煤炭分类及各类煤炭用途008
一、我国煤炭分类008
二、国际煤炭分类010
三、各类煤炭的用途011
第四节煤炭分级标准014
一、烟煤和无烟煤粒度分级014
二、煤炭质量分级015
第五节煤的主要工艺特性015
一、恒湿、无灰基、高位发热量和空气干燥基高位发热量015
二、抗碎强度015
三、反应活性016
四、热稳定性016
五、黏结性和结焦性016
六、灰的熔融性018
参考文献018
第二章煤炭利用的相关问题020
第一节能源与消费020
第二节能源与经济022
一、国民生产总值(GNP)和国内生产总值(GDP)022
二、与能源相关的一些概念023
第三节能源与环境028
一、大气污染029
二、地球的温室效应029
三、酸雨031
四、水的污染032
五、发展能源与保护环境033
参考文献034
第三章我国煤炭利用状况035
第一节我国煤炭资源现状035
一、储量和分布035
二、煤炭种类035
三、煤炭产量及开采036
第二节我国煤炭资源利用概况037
一、我国煤炭利用状况037
二、我国煤炭产量及用量增长状况038
第三节我国煤炭利用与大气污染038
一、空气污染物及质量039
二、我国酸雨概况040
三、我国CO2的排放040
第四节煤炭清洁有效利用041
一、燃烧前处理技术041
二、燃烧过程中的处理技术042
三、燃烧产物的处理技术042
四、转换技术043
参考文献043
第四章选煤044
第一节跳汰选煤044
一、跳汰选煤原理044
二、跳汰选煤工艺及设备045
第二节重介质选煤047
一、槽式分选机047
二、旋流器分选设备049
三、悬浮液049
第三节浮选选煤050
一、煤泥浮选原理及设备051
二、煤泥浮选药剂052
第四节选煤厂煤泥水的处理053
一、煤泥水处理系统及设备053
二、煤泥的利用057
三、外排水的处理058
第五节煤的洗选脱硫059
第六节防尘措施059
参考文献060
第五章水煤浆061
第一节水煤浆的由来及发展061
一、煤浆体燃料的由来061
二、水煤浆的发展061
三、水煤浆的品种和用途062
四、我国水煤浆生产概况062
第二节水煤浆制备工艺及设备063
一、水煤浆制备系统063
二、水煤浆制备设备065
第三节水煤浆的性质及添加剂066
一、水煤浆的性质066
二、添加剂066
第四节水煤浆的应用067
一、国内应用情况068
二、国外应用情况070
三、燃气透平的试验070
四、雾化喷嘴071
第五节有关水煤浆燃料的评价073
一、环境保护方面073
二、锅炉的燃用情况073
参考文献074
第六章型煤076
第一节型煤的定义、特点和分类076
一、型煤定义076
二、型煤特点076
三、型煤产品分类077
第二节粉煤成型因素和黏结剂078
一、粉煤成型因素078
二、黏结剂种类和特性079
第三节型煤生产工艺及设备080
一、型煤生产工艺080
二、型煤生产设备083
第四节民用型煤086
一、民用蜂窝煤的类型087
二、燃用型煤的优点088
三、成型工艺088
第五节工业用型煤089
一、锅炉型煤089
二、气化型煤089
三、型焦092
参考文献094
第七章配煤095
第一节配煤原理及其意义095
一、配煤原理及其意义095
二、煤炭质量指标的可加性096
第二节配煤的质量标准及计算097
一、配煤的质量标准097
二、配煤计算097
第三节动力配煤工艺098
第四节炼焦配煤指标预测及配置方案099
一、炼焦配煤的特点099
二、配煤及焦炭质量预测100
三、配煤方案试验100
参考文献101
第八章流态化技术基础102
第一节流态化现象及其技术发展102
一、流态化现象102
二、非正常流化现象103
三、流化质量104
四、流态化技术的发展105
第二节流态化的分类及应用105
一、按流化状态分类106
二、按流化介质分类106
三、流态化的应用106
第三节流态化技术的优缺点108
一、流态化技术的优点108
二、流态化技术的缺点109
第四节气固流化床的重要参数及部件109
一、颗粒的性质110
二、床层空隙率113
三、流化床床层的压降113
四、临界流化速度和带出速度114
五、膨胀比、起伏比和夹带分离高度121
六、流化床的重要部件125
七、颗粒流动控制机构129
第五节高速流态化131
一、快速流化床的特点131
二、床内固体颗粒的分布133
三、压降、流化速度及循环量134
第六节有关传热问题135
一、床层与换热表面之间换热的影响因素136
二、传热过程136
三、床层与换热表面换热的关联式137
四、管内流体与壁面的换热系数146
五、管壁的导热146
第七节三相流态化147
一、初始流化148
二、各相的含率149
三、气泡行为151
四、气液体积传质系数153
五、浸没物体与床层的传热154
参考文献154
第九章常压流化床锅炉155
第一节流态化燃烧的评价155
一、流化床锅炉155
二、循环流化床锅炉156
三、增压沸腾床锅炉157
第二节辅助计算158
一、燃料的发热量158
二、理论空气量的计算159
三、理论烟气体积的计算160
四、实际的空气和烟气体积161
五、物料和热量平衡计算161
第三节煤在流化床锅炉内的燃烧163
一、煤种的选择163
二、煤颗粒粒径的选择164
三、煤颗粒燃烧的各阶段164
四、影响流化床燃烧的因素165
第四节脱硫和脱硫剂的评价166
一、脱硫167
二、脱硫剂的性能评价169
第五节重要部件和运行参数171
一、布风板171
二、操作速度和截面热负荷173
第六节沸腾床锅炉174
一、沸腾层锅炉的结构174
二、沸腾层锅炉的运行参数175
三、沸腾层锅炉存在的问题176
四、常压流化床锅炉联合循环176
第七节常压循环流化床锅炉177
一、循环流化床锅炉的结构177
二、物料循环系统178
三、循环倍率180
四、外置热交换器181
五、旋风分离器181
六、循环流化床锅炉的性能和发展182
参考文献185
第十章增压流化床锅炉186
第一节增压流化床锅炉186
一、增压流化床锅炉的特点186
二、增压流化床锅炉系统的特点188
第二节增压部分气化联合循环189
一、部分气化/常压循环流化床联合循环190
二、部分气化/增压循环流化床联合循环190
参考文献191
第十一章煤炭干馏192
第一节煤炭高温干馏192
一、焦化生产工艺192
二、焦炉的基本构成192
三、焦炉的热平衡及热效率193
四、熄焦196
五、节能途径及发展198
第二节煤炭的中温干馏199
一、原料要求200
二、直立式炭化炉的结构200
三、工艺流程及生产参数201
第三节焦化厂废水处理201
一、废水的来源201
二、废水处理流程202
参考文献202
第十二章煤炭气化203
第一节煤炭气化基础知识203
一、气化反应的热效应203
二、气化过程的基本反应204
三、气化反应平衡205
第二节煤炭气化的用途205
一、工业燃料206
二、民用煤气207
三、化工原料207
四、联合循环208
第三节煤炭气化方法208
一、固定床气化209
二、流化床气化223
三、气流床气化229
四、循环流化床煤气工艺239
第四节煤炭地下气化241
一、地下气化基本原理241
二、地下气化开采方式242
三、地下气化工程建设242
参考文献243
第十三章煤炭液化244
第一节煤炭间接液化244
一、费托合成244
二、合成甲醇247
第二节煤炭直接液化249
一、煤加氢液化原理249
二、反应器的类型250
三、直接液化工艺251
四、煤炭液化油的提质加工259
参考文献260
第十四章除尘技术262
第一节干式除尘器262
一、旋风除尘器262
二、多管除尘器267
三、袋式除尘器269
四、静电除尘器272
五、高温陶瓷过滤器273
第二节湿式除尘器274
一、文丘里管除尘器274
二、洗涤塔275
三、麻石水膜除尘器276
四、文丘里管麻石水膜除尘器277
参考文献278
第十五章脱硫技术279
第一节概述279
一、SO2的脱除279
二、硫化氢的脱除279
第二节烟气中二氧化硫的脱除280
一、活性炭吸附法280
二、石灰/石灰石石膏（硫酸钙）法281
三、氨法285
四、海水脱硫289
五、循环流化床法290
第三节硫化氢的脱除292
一、氧化铁法292
二、低温甲醇洗涤法293
三、改良蒽醌二磺酸钠（改良ADA）法294
四、环丁砜法297
五、Selexol法298
六、高温法299
参考文献299
第十六章氮氧化物的抑制和脱除300
第一节氮氧化物的形成300
一、热力机理300
二、燃料机理301
三、瞬时机理301
四、降低NOx排放的途径302
第二节改善燃烧条件302
一、空气分级燃烧302
二、燃料分级燃烧305
三、烟气再循环307
四、低NOx燃烧器308
五、采用流化床燃烧抑制NOx的生成315
六、层燃炉降低NOx的措施315
七、各种低NOx燃烧技术的比较316
第三节排烟中降低NOx的方法317
一、烟气干法脱硝317
二、烟气湿法脱硝320
参考文献320
第十七章以煤为原料的化工生产321
第一节合成氨的生产321
一、原料气的生产与改质321
二、合成氨厂的工艺流程322
第二节甲醇的生产325
一、甲醇生产原理325
二、工艺流程326
第三节二甲醚的生产327
一、二甲醚生产原理327
二、二甲醚生产工艺流程328
第四节煤炭与碳一化学329
一、MTO工艺329
二、MTP工艺330
参考文献331
第十八章煤炭清洁高效发电332
第一节超净煤联合循环发电332
一、超洁净煤制备工艺332
二、超净煤在发电中的应用333
第二节磁流体发电334
一、磁流体发电的原理334
二、磁流体发电的关键问题334
三、磁流体蒸汽联合发电系统335
第三节燃料电池336
一、燃料电池的分类336
二、燃料电池原理337
三、甲醇燃料电池338
四、燃料电池的应用339
第四节整体煤气化联合循环340
一、IGCC工艺系统340
二、冷水IGCC电站343
参考文献344
附录346
附录1环境及污染物排放标准346
表1一些国家和地区燃煤锅炉污染物的排放标准346
表2大气环境质量标准GB 3095—1996347
表3火电厂大气污染物排放标准GB 13223—2003代替GB 13223—1996（摘录）347
表4空气中二氧化硫含量对人体的影响348
表5大气污染综合排放标准GB 16297—1996（摘录）348
表6选煤厂洗水闭路循环等级MT/T 810—1999(摘录)349
附录2煤炭及行业用煤标准349
表7低硫散煤及制品（蜂窝煤指标北京市地方标准 DB 11/097—2004）349
表8水煤气两段炉用煤技术条件GB/T 17610—1998（摘录）350
表9合成氨用煤技术条件GB/T 7561—1998(摘录)350
表10常压固定床煤气发生炉用煤质量标准GB/T 9143—2001（摘录）351
表11发电厂煤粉锅炉用煤技术条件GB/T 7562—1998（摘录）351
表12冶金焦用煤技术条件GB/T 397—1998(摘录)352
表13铸造焦用煤技术条件GB/T 17609—1998(摘录)352
表14水泥回转窑用煤技术条件GB/T 7563—2000(摘录)353
表15有关煤炭的一些标准353
附录3旋风分离器354
表16D1型旋风分离器结构尺寸示例355
表17埃索公司B型旋风分离器结构尺寸示例356