维多利亚褐煤科学进展

2009-7  

李春柱、余江龙、常丽萍、 等 化学工业出版社 (2009-07出版)  

李春柱 编  

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煤炭在世界很多地区仍然并继续扮演着重要的能源角色。由于世界人口的持续增长和生活水平的不断提高，要求煤炭科技工作者不断开发新的廉价能源技术，同时要降低对环境的危害，尤其是降低温室效应气体和其他大气污染物的排放。洁净煤炭利用技术的发展迫切要求人们对煤的结构和性能有更深入的理解。尤其是在过去的十五年中，人们经历了煤炭科学技术的飞速发展，其中一些新的洁净煤技术开始向示范工程和工业化方向发展。与国际贸易中的黑煤相比，维多利亚褐煤具有很多独特的物理和化学性质，这在发展褐煤高效利用技术过程中必须充分重视。十三年前，《维多利亚褐煤科学：结构、性质和利用》一书（RADurie博士编著）得以出版。该书几乎涵盖了与维多利亚褐煤有关的从地质学到作为能源的利用和作为化工原料的应用等各个方面。在过去的十三年中，对维多利亚褐煤的结构特征和性能的了解以及在高效和环境友好新技术开发方面取得了很大进展，这些进展激发了本书的编写。本书旨在向广大读者提供最新的维多利亚褐煤科学和技术的知识。本书共分八章。第一章介绍了维多利亚褐煤的重要性及其性质，简述了维多利亚褐煤作为重要能源的应用、在化工原料方面的潜在应用和其他非传统领域的应用等。第二章首先简述了维多利亚褐煤的岩相组成，详细叙述了褐煤的物理和化学特征和性质，包括其丰富的孔结构、不同的官能团、离子交换性能和大分子特征。维多利亚褐煤最重要的特征之一是其高的水分含量，这一特征影响到其应用的方方面面。本书第三章详细介绍了褐煤中的水分及其脱水、干燥技术，当然在其他章节中也不同程度地涉及这些知识。第四章详细介绍了维多利亚褐煤的有机和无机组分在热解过程中发生的化学反应。该章在一开始总结了研究煤炭热解过程的主要实验技术，而在最后介绍了煤热解的动力学模型，并介绍了通过（改性的）维多利亚褐煤热解生产化工产品的相关技术。第五章阐述了褐煤气化和燃烧方面的基础理论。本章详细介绍维多利亚褐煤气化和燃烧过程中有机和无机组分的化学反应，并论述了褐煤中固有的和向褐煤中添加的金属元素的催化作用。第六章论述褐煤在热解、气化和燃烧过程中氮和硫的转化。本章中还综述了近年来利用现代分析方法研究煤中燃料氮和燃料硫的转化的最新进展。在详细讨论煤中燃料氮转化前，还针对含氮模型化合物的热解如简单的吡咯(氮杂茂)和吡啶（氮苯）到聚合物尼龙及蛋白质等热解的相关研究进行了简单文献综述。第七章介绍利用维多利亚褐煤的先进发电技术，重点介绍了基于煤气化并使用燃气轮机和燃料电池的发电技术。根据热力学模拟分析了这些循环的效率。第八章介绍褐煤的直接液化技术，包括褐煤液化的基础研究和褐煤液化技术的最新发展，重点介绍了针对维多利亚褐煤开发的液化技术。本书对从事煤炭尤其是低阶煤的清洁利用技术研究和开发的人员有十分重要的参考价值，尤其对该领域的研究生以及新涉足该领域的研究人员十分有用。维多利亚褐煤和生物质有很多相似之处，其性质更接近于生物质，而与高阶煤则相差甚远。例如，二者水分含量都很高，都含有高的挥发性金属如钠、钾、镁和钙。因此，本书对从事生物质利用技术的研究人员也具有参考价值。本人作为本书的编者感到十分荣幸。本书的完成是所有作者团队精神的结晶。他们本身都承担着繁重的本职工作，为完成书稿，他们经常在周末和夜晚加班。在此对所有作者在编写本书过程中所付出的辛苦劳动表示诚挚的感谢。许多同仁对本书的编写给予了大力支持和帮助，尤其要感谢Alan N Buckley和Zhiheng Wu对本书部分章节进行了审核。本书中的大部分研究成果是澳大利亚和日本两国的研究人员在澳大利亚和日本政府及工业界的资助下完成的，在此也要对他们表示感谢。如果没有他们的工作，本书是不可能完成的。还要特别感谢Elsevier的工作人员Victoria Thame,Salma Azmeh和Sharon Brown在本书编写过程的各个阶段所给予的大力支持和帮助。还要感谢Elsevier允许本书使用其出版的杂志和书籍中的版权材料，所有在本书中使用的图表均进行了重新处理。对其他允许本书使用其版权材料的机构，在此一并表示感谢。最后我要感谢我的妻子Fan和女儿Merry在编写本书过程中给予的关爱、支持和鼓励。

　　《维多利亚褐煤科学进展》系统介绍了褐煤开发和利用的研究进展，由澳大利亚和日本长期从事低阶煤研究的专家合作编写。内容包括褐煤的性质与应用、脱水干燥技术、褐煤的热解、气化和燃烧及过程中氮和硫的转化、褐煤发电技术、直接液化技术等。可供从事煤炭和生物质研发与清洁利用研究的专业人员参考。

译者：余江龙 常丽萍 等 编者：(澳大利亚)李春柱

第一章 绪论ChunZhu Li余江龙 译1.1 维多利亚褐煤作为能源的重要性1.2 维多利亚褐煤的典型性能1.3 维多利亚褐煤的主要应用1.3.1 粉煤燃烧1.3.2 气化1.3.3 液化1.3.4 煤砖制造、焦炭和碳材料的生产1.3.5 化工产品的生产1.3.6 维多利亚褐煤在吸附剂方面的应用1.3.7 维多利亚褐煤在农业上的应用1.3.8 煤灰的应用参考文献第二章 维多利亚褐煤的结构和性质Junichiro Hayashi,ChunZhu Li常丽萍 译2.1 引言2.2 维多利亚褐煤的岩相学2.2.1 岩相成分2.2.2 显微组分2.3 维多利亚褐煤的物理结构和特征性能2.3.1 维多利亚褐煤的胶体性质2.3.2 碱溶解和腐植酸2.3.3 水作为探针分子表征褐煤的物理结构和特征性能2.3.4 孔体积和密度2.3.5 表面积和气体吸附2.3.6 小角散射和电子显微镜信息2.4 维多利亚褐煤的化学结构和特征性能2.4.1 维多利亚褐煤中的无机物2.4.2 官能团和离子交换特性2.4.2.1 含氧官能团及其定量分析2.4.2.2 其他官能团2.4.2.3 离子交换特性2.4.3 大分子结构特征2.4.3.1 溶剂抽提和溶胀2.4.3.2 氢键2.4.3.3 化学降解和生物降解2.4.3.4 芳香特性参考文献第三章 褐煤中的水分和褐煤的脱水David J.Allardice,Alan L.Chaffee,W.Roy Jackson,Marc Marshall曾才 译3.1 引言3.2 褐煤中水分的物理、化学和分析特性3.2.1 等温线和滞后现象3.2.2 等温数据中的吸附热3.2.3 1H核磁共振试验3.2.4 差分扫描热量测定3.2.5 褐煤与水相互作用的分子模拟3.2.6 其他褐煤水表面化学研究3.2.7 影响床层水分含量波动的因素3.2.8 水分含量的测定3.2.8.1 水分含量的定义和标准测定方法3.2.8.2 快速水分测定方法3.2.8.3 水分测定的仪器方法3.3 低阶煤干燥3.3.1 概况3.3.2 蒸发干燥3.3.2.1 蒸发干燥速度3.3.2.2 直接蒸发干燥工艺3.3.2.3 间接加热干燥工艺3.3.3 非蒸发脱水3.3.3.1 热能脱水工艺3.3.3.2 机械热挤压脱水3.3.3.3 有机溶剂脱水3.3.3.4 非蒸发脱水工艺废水3.4 褐煤的水分与无黏结剂成型3.4.1 型煤工业背景3.4.2 型煤工艺3.4.3 水分对型煤的影响3.5 结论参考文献第四章 维多利亚褐煤的热解Junichiro Hayashi,kouichi Miura余江龙 译4.1 简介4.2 实验参数对维多利亚褐煤热解的影响4.2.1 煤热解的一般规律4.2.2 研究热解的反应器4.2.2.1 固定床反应器4.2.2.2 金属丝网反应器4.2.2.3 居里点反应器4.2.2.4 吊管反应器4.2.2.5 流化床反应器4.2.3 常压下加热速率对一次热解的影响4.2.4 决定加热速率对热解产物分布的物理及化学过程4.2.5 焦油中小芳香团簇的选择性释放4.2.6 外部气体压力对一次挥发分生成的影响4.2.7 一次热解过程中内在及外加金属物质的影响4.2.7.1 一次热解过程中内在AAEM物质的作用4.2.7.2 添加AAEM物质对褐煤热解特性的影响4.2.7.3 AAEM物质对褐煤热解过程中轻气体形成的影响4.2.8 褐煤在活性气氛中的一次热解4.2.9 一次挥发分的二次反应4.2.9.1 固定床反应器中的快速热解4.2.9.2 夹带流反应器或吊管反应器中的快速热解4.2.9.3 压力对褐煤在吊管反应器和流化床中热解的影响4.2.1 0吊管反应器和流化床反应器中快速热解的其他研究4.3 通过褐煤的闪热解制备化学药品4.3.1 以增加液体产量为目标的褐煤的闪热解4.3.2 新的热解方法4.3.2.1 溶剂溶胀后煤的热解4.3.2.2 在溶剂蒸气气流中煤的热解4.3.2.3 溶剂煤胶浆的热解4.3.2.4 溶剂溶解后煤的热解4.4 AAEM物质的挥发4.4.1 一次热解中AAEM物质的挥发4.4.2 半焦中(与碳基体键合的)AAEM物质的挥发4.4.3 压力对AAEM物质挥发的影响4.4.4 AAEM物质的挥发对半焦气化过程的影响4.5 煤热解反应的模型4.5.1 煤的化学结构及大分子结构与煤的热解4.5.2 单反应模型4.5.2.1 微分法4.5.2.2 积分法4.5.2.3 热煤解分析的单反应模型的验证4.5.3 定数的平行一级反应4.5.4 分布的活化能模型(DAEM)4.5.4.1 基本方程4.5.4.2 从实验数据估算V/V*与E关系的方法4.5.4.3 估算f(E)和k0的方法4.5.4.4 利用新的DAEM方法对Argonne优质煤和维多利亚褐煤热解反应的分析4.5.5 以煤的结构为基础的热解模型4.5.5.1 FGDVC模型4.5.5.2 FLASHCHAIN模型4.5.5.3 CPD模型4.5.5.4 煤热解与Bethe格阵4.5.6 动力学模型进展的总结4.6 结语参考文献第五章 褐煤的气化和燃烧Akita Tomita，Yasuo Ohtsuka常丽萍 译5.1 褐煤气化5.1.1 引言5.1.2 气化工艺和方法5.1.2.1 气化过程5.1.2.2 褐煤气化研究中的实验方法5.1.3 挥发分和半焦气化5.1.3.1 挥发分的二次反应5.1.3.2 半焦气化5.1.4 气化过程中有机物/碳和无机物的结构变化5.1.4.1 有机物的特性和结构变化5.1.4.2 无机物的释放和滞留5.1.5 固有无机组分对半焦的催化气化5.1.6 外加无机物对半焦的催化气化5.1.6.1 碱金属和碱土金属化合物的催化5.1.6.2 过渡金属化合物的催化5.2 燃烧5.2.1 引言5.2.2 褐煤燃烧反应动力学5.2.2.1 反应性5.2.2.2 高温和高压下的反应性5.2.2.3 模拟5.2.2.4 着火5.2.2.5 爆炸5.2.3 矿物质和灰分5.2.3.1 表征矿物质、灰分和炉渣的方法5.2.3.2 矿物质和灰分的迁移变化5.2.3.3 燃煤过程中存在的灰分问题5.2.3.4 避免灰分引起的问题的措施5.2.3.5 灰渣的利用5.2.4 环境问题5.2.4.1 硫氧化物5.2.4.2 氮氧化物5.2.4.3 微量元素5.2.5 结论性评述参考文献第六章 褐煤热解、气化和燃烧过程中氮和硫的转化ChunZhu Li田福军 译6.1 维多利亚褐煤中的氮6.2 含氮模型化合物的热解6.2.1 含氮模型化合物的气相热解6.2.2 固态含氮模型化合物的热解或涉及炭黑和焦油生成的热解过程6.3 维多利亚褐煤中氮的反应机理6.3.1 煤中氮向挥发分N和半焦N的转化6.3.2 热裂解时挥发分N的转化6.3.2.1 挥发分N生成的HCN、HNCO和NH36.3.2.2 含氮模型化合物的热解同挥发分N的热裂解的对比6.3.3 半焦N的热裂解转化6.3.3.1 由半焦N生成的HCN和NH36.3.3.2 由半焦N生成N26.3.3.3 半焦中的含氮官能团6.3.4 热解时HCN和NH3生成的进一步探讨6.3.5 相关的实验技术及对煤中氮转化的影响6.4 气化和燃烧过程中NOx的NOx前驱体生成机理6.4.1 同O2的反应6.4.2 同CO2的反应6.4.3 同H2O和H2的反应6.5 维多利亚褐煤中的硫以及热解、气化和燃烧过程中硫的转化6.5.1 维多利亚褐煤中的硫6.5.2 热解、气化和燃烧过程中硫的转化参考文献第七章 利用褐煤的先进发电技术Sankar Bhattacharga,Atsushi Tsutsumi余江龙，曾才 译7.1 简介7.2 褐煤对先进发电技术的关键流程的影响7.2.1 干燥7.2.1.1 利用高温气体进行干燥7.2.1.2 利用水蒸气干燥7.2.1.3 非蒸发式干燥7.2.2 气化7.2.3 燃料气的燃烧7.2.4 气体净化7.2.5 半焦的燃烧7.2.6 燃料电池中燃料气的电化学转化7.3 先进发电技术7.3.1 系统模拟和一般假设7.3.2 循环流化床燃烧(CFBC)系统7.3.3 集成气化联合循环(IGCC)系统7.3.4 增压流化床燃烧系统7.3.5 先进增压流化床燃烧系统(APFBC)7.3.6 混合部分气化与常压CFBC(PG/CFBC)系统7.4 不同工艺效率的对比7.4.1 循环流化床燃烧系统的效率7.4.2 整体煤气化联合循环(IGCC)系统效率7.4.2.1 IGCC与常压SFBD干燥结合的效率7.4.2.2 IGCC与增压SFBD干燥联合系统的效率7.4.2.3 IGCC与热气干燥联合系统的效率7.4.2.4 IGCC与二段干燥、半焦循环和增压SFBD联合系统的效率7.4.3 增压流化床燃烧(PFBC)系统的效率7.4.3.1 煤的水分含量及干燥的影响7.4.3.2 超临界蒸汽循环的使用7.4.4 先进的增压流化床燃烧(APFBC)系统效率7.4.4.1 半焦燃烧室中的过量空气7.4.4.2 半焦产率7.4.4.3 蒸汽系统的状态7.4.4.4 原煤及干燥后煤的水分含量7.4.4.5 对APFBC系统模拟的进一步讨论7.4.5 混合部分气化与常压CFBC(PG/CFBC)系统的效率7.4.6 不同技术效率总结7.4.7 与采用高阶煤的类似技术的比较7.5 热化学回热与气化燃料电池联合系统7.5.1 热化学回热的概念7.5.2 系统的描述7.5.3 过程模拟和主要假设7.6 需要进一步研发的方面参考文献第八章 维多利亚褐煤的液化技术Osamu Okuma,Kinya Sakanishi余江龙 译8.1 前言8.2 褐煤液化过程中的基本反应8.2.1 褐煤的结构与反应性8.2.2 煤的溶解和解聚8.2.3 褐煤液化过程中氢的传输8.2.4 褐煤的催化液化8.3 预处理对煤液化的影响8.3.1 干燥对褐煤液化的影响8.3.2 酸洗对褐煤液化的影响8.3.3 热预处理对褐煤液化的影响8.3.4 溶胀和植入8.4 新型煤液化溶剂和催化剂的设计开发8.5 褐煤液化工艺的设计与开发8.5.1 维多利亚褐煤作为液化原料的特点8.5.2 维多利亚褐煤液化工艺开发的理念8.5.2.1 脱水(DW)单元8.5.2.2 液化(PH)单元8.5.2.3 液化工艺中的预热8.5.2.4 液化(氢化)8.5.2.5 氢气的消耗8.5.2.6 煤液化的动力学模型8.5.3 固液分离(除灰)8.5.3.1 除灰溶剂的选择8.5.3.2 除灰效率与除灰条件的影响8.5.4 液化溶剂的氢化和液体产物的二次氢化8.6 产物的评价及提质8.7 维多利亚褐煤液化大型中试装置的开发与运行8.7.1 煤液化工艺的开发8.7.2 维多利亚褐煤液化工艺(BCL)发展的简单回顾8.7.3 中试装置的设备及其运行8.7.4 工艺性能(操作)8.7.4.1 新型煤浆法脱水(DW)单元8.7.4.2 一次氢化(PH)单元8.7.4.3 除灰(DA)单元8.7.4.4 二次氢化(SH)单元8.7.5 油产品的质量8.7.6 中试装置运行中的机械和材料问题(磨损与腐蚀)8.7.7 主氢化(PH)单元结垢的形成、固体物料的沉积和压降的提高8.8 煤液化的现状和发展趋势8.8.1 液化工艺的现状和未来的工业化推广8.8.2 针对工业化的工艺过程的改进8.8.3 BCL工艺用于印尼低阶煤液化的可行性参考文献

插图：第二章 维多利亚褐煤的结构和性质2.1 引言维多利亚褐煤是一类具有独特物理、化学特性的低阶煤，与生物质、泥煤、烟煤和元烟煤等其他固体燃料的性质相比，它的独特性几乎表现在每一方面。维多利亚褐煤资源的有效和环境友好的利用必须考虑其特殊的结构特征和性质。因此，对维多利亚褐煤独特的结构性质、物理与化学性质的认知成为许多研究课题的内容，这些研究就是本章的主题。2.2 维多利亚褐煤的岩相学煤是一种植物化石燃料。对拉特罗布山谷维多利亚褐煤的研究表明，这些煤层主要来源于本土，也就是说转变为煤的植物生长于原地。例如，在Yallourn煤层中仍然显示出原植物垂直的生长状态，微观检测能观察到煤中的植物残骸（如细胞壁的结构）。与其他煤一样，维多利亚褐煤不是一种均匀的物质，而是一种有机岩石，在煤层中，甚至一小片煤中其组成也不相同。有机岩石的结构与组成反映了成煤植物的类型、成煤过程中的沉积环境以及煤化过程中在地质条件下发生的热化学反应。早在1990年前，George和Mackay已经详细记载了维多利亚褐煤的岩石学研究。本节主要对维多利亚褐煤的岩相进行简要叙述，利用光学显微镜方法对有机岩相放大1000倍，在微观和宏观水平上研究其结构和组成，对于维多利亚褐煤煤层的地质概况的描述不是十分全面，有兴趣的读者可以参考最近有关维多利亚褐煤地质状况的资料。

《维多利亚褐煤科学进展》为化学工业出版社出版。

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现在褐煤非常热，但国内十年内没有新的书出版，这本虽然是从澳大利亚翻译来的，由于澳大利亚的褐煤利用算是最领先的，维多利亚州的电力中97％来源于本地区生产的褐煤，所以也很有价值。。。。

书质量挺好，没有损坏，发货挺快的。

赞一个澳大利亚褐煤做的挺好，上面挺详细的。