煤的形成利用 文档 (2).doc

第二节 能源及其利用 1858年，美国人德雷克 (EdwinDra庇)在宾夕法尼亚州H的泰特斯维尔附近，自己设计建造了机房和井架，雇人用蒸汽机作为动九争上钻机开始钻井。1859年的一天，下午收工时，钻头突然下落了半英尺，当时没有人注意到这个情况。第二天上午，人们发现井筒里的原油已经溢到离地面不远了。德雷克于是在井口安上蒸汽动力泵来抽油。这是世界上第一口用机器钻成的、并且用机器抽油的油井，这件事被看做是近代石油工业的发端。1880年，德雷克去世。人们在德雷克井的旧址建立了德雷克井纪念馆。过去的100年中。石油已经成为经济发展不可或缺的能源动力，可以说现代工业社会就是建立在石油能源的基础之上。 能源是一种资源，指能够百接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。能源是人类生存的物质基础之一，是社会经济发展的原动力。一、能源的分类与利用历史 能源分为两大类:一次能源和二次能源。一次能源是指自然界中现成存在的能源。一次能源按其能否循环使用和不断得到补充还可以分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源有太阳能、水能、风能、海洋能、生物质能等，不可再生能源有煤、百油、天然气等。，次能源是指一次能源经过加工而转换成另一种形式的能 (不管转换几次)，如煤气、焦炭、汽油、电、蒸汽、酒精、人工沼气等。 在一次能源中，依据其利用情况可分为常规能源和新能源。当前广泛使用的一次能源称为常规能源，目前尚未被大规模利用，正在研究推广的称为新能源。常规能源和新能源的分类是相对的，今天的常规能源过去曾经是新能源，而今天的新能源可成为今后的常规首巨m。目前的常规能源主要包括煤炭、石油、天然气相水力资源，新能源主要包括太阳能、地热能、海洋能、生物质能、核能等。 能源物质所提供的能量，从本质上来看，不外乎是化学能、机械能、内能、原子能和光能等形式 能源更迭是指能源结构的变化，也就是能源构成中主要能源的变更。能源的更迭常常伴随着科学技术的重大革命。历史上，能源结构已经经历了三个时期，即柴薪能源时期，煤炭能源时期和石油、天然气能源时期。 (1)柴薪能源时期 原始人依靠体力获取食物，并通过白身的消化作用，摄取食物中的化学能，作为自身从事劳动的能量来源。钻木取火是人类认识和利用能源的开端，随着 钻木取火的应用，人类社会进入到以树枝、杂草和作物为燃料的柴薪时期。在这漫长的时期里，人类以草木为燃料取暖煮食，靠人力、畜力并利用一些简单的水力和风力机械作为动力，从事农业生产。这一时期始于新石器时代，一直延续到M世纪的工业革命。 (2)煤炭能源时期 世界上最早利用煤炭的国家是中国，早在汉朝人们就知道煤可以燃烧。而以煤炭能源真正取代柴薪能源，始于M世纪60年代的欧洲工业革命。18世纪末，瓦特改进的蒸汽机得到广泛地应用，标志着柴薪已不再适应机器生产的需要。1825年，世界上第一条铁路通车，使蒸汽机得以推广，铁路和运输业得到发展，扩大了煤炭的应用，也表明了煤炭能源时期的到来。 (3)石油、天然气能源时期 20世纪20年代初期，内燃机的兴起，在西方工业国家兴起了动力革命，到20世纪中叶以后，世界工业国能源转向以石油和天然气为主，1965年，石油首次取代煤炭，在世界能源中占首位。 20世纪70年代以来两次石油危机的爆发，开始动摇石油在能源中的支配地位。与此同时，大部分化石能源的储量日益减少，化石能常规能源的使用同时伴随而来的是环境污染问题。然而，人类对能源的需求却在与日俱增，例如主要能源形式之一的电力消耗逐年增加。根据统计，人口若每30年增加一倍，电力的需求量每8年就要增加一倍。于是，从20世纪末开始，能源结构经历又一次转变，即从以石油为中心的能源系统向以煤、核能和其他再生能源等多元化的能源结构转变。目前，在世界平均使用的能源中，石油约占38%，煤炭约占30%，天然气约占20%，水电约占了%，核能约占5%。二、煤的形成与利用 煤是古代植物遗体堆积在湖泊、海湾、浅海等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的一种具有可燃性能的沉积岩。煤的化学成分主要为C、H、O、N、S等元素。在显微镜下可以发现，煤中有植物细胞组成的抱子、花粉等，在煤层中还可以发现植物化石，所有这些都可以证明煤由植物遗体堆积而成。 由植物变为煤的过程可以分为三个阶段 U)菌解阶段 即泥炭化阶段。当植物堆积在水下被泥沙覆盖起来的时候，便逐渐与氧气隔绝，由厌氧细菌参与作用，促使有机质分解生成泥炭。通过这种作用，植物遗体中氢、氧成分逐渐减少，而碳的成分逐渐增加。泥炭质地疏松、褐色、无光泽、比重小，可看出有机质的残体，用火柴烧可以引燃，烟浓灰多。 (2)煤化作用阶段 即褐煤阶段。当泥炭被沉积物覆盖形成顶板后，便成了完全封闭的环境，细菌作用逐渐停止，泥炭开始压缩、脱水而胶结，碳的含量进一步增加，过渡成为褐煤，这称为煤化作用。褐煤颜色为褐色或近于黑色，光泽暗淡，基本上不见有机物残体，质地较泥炭致密，用火柴可以引燃，有烟。 (3)变质阶段 即烟煤及无烟煤阶段。褐煤是在低温和低压下形成的。如果褐煤埋藏在地下较深位置时，就会受到高温高压的作用，使褐煤的化学成分发生变化，主要是水分和挥发成分减少，含碳量相对增加;在物理性质上也发生改变，主要是密度、比重、光泽和硬度增加，而成为烟煤。这种作用是煤的变质作用。烟煤颜色为黑色，有光泽，致密状，用蜡烛可以引燃，火焰明亮，有烟。烟煤进一步变质，成为无烟煤。无烟煤颜色为黑色，质地坚硬，有光泽，用蜡烛不能引燃，燃烧无烟。 当地球处于不同地质年代，随着气候和地理环境的改变，生物也在不断地发展和演化。就植物而言，从无生命一直发展到被子植物。这些植物在相应的地质年代中造成了大量的煤。在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期:古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是抱子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。中生代的佛岁纪和白坚纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。 煤含碳最多，除此之外还含有少量的H、N、S、O等元素以及无机矿物质。煤可以分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤等，其含碳量不同(表5巳2)，发热量也不同，一般含碳量高的，发热量也高。 表5。22各种煤的含碳范围 目前，煤炭的使用存在着严重的浪费现象。我国是世界上最大的耗煤国家，但占总量70%的煤都被直接烧掉。直接燃烧煤，能量利用率低，煤中宝贵的化工原料被白白烧掉，燃烧时又生成了有害气体和烟尘，严重污染环境所以不是合理的使用方法。合理利用煤的途径很多，比较成熟的有煤的干馏、气化和液化技术。 1煤的干馏 将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，叫做煤的千馏。将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，煤分解得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水和粗苯等。这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等 (表523)。表523煤干馏产品和用途 2煤的气化 煤的气化是把煤中的有机物转在气化炉中进行。 煤气化的主要化学反应是碳和7 C(s)+H，0(9)同 这是一个吸热反应，所需热量提供。化一为可燃性气体的过程。气化过程蒸气的反应。co(g)+H，(幻般由同时进行的碳的燃烧反应来 占燃 c(s)+0，(9)，co，(引 碳燃烧时既可以使用空气，也可以使用氧气，但得到的煤气的成分、热值及用途都不同，分别叫做低热值气和中热值气。中热值气在适当催化剂的作用下，又可以转变成高热值气。碳在窄气上坚坚，亻氏熬大值气煤仁 化 往 % L 值飞C0+3H、亻催化齐llCH。+H，O成分:CO、H，、相当馈的N，山特点和朋途:热值较低，朋作冶金、机械 工业的燃料气。成分:C()、H，、少量的CH，。特点和朋途:热值较高叮短距离输送， 用作居民使朋煤气，也可以 用于合成氨、甲醇等h(合成天然气)特点和用途 高热值气 f主要成分:cH。u 热值很高，呵远距离输送干馏产品!主要成分主要用途出炉煤气焦炉气氢气二乙钒乙烯、气体燃料、化工原料粗氨水氨、镀盐氮肥粗苯苯、甲苯、二甲苯炸药、染料、医药、农药合成材料苯、甲苯、二甲苯煤焦油酚类、奈沥青染料医药、农药、合成材料筑路材料、制碳素电极佳炭碳冶金、合成氨造气、电石、燃料 3煤的液化 煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。 把煤与适当的溶剂