2.9　煤的綜合利用

煤炭除了作為一次能源的直接燃燒供熱和發(fā)電或轉(zhuǎn)換為潔凈的二次能源外，在低溫缺氧的條件下，可熱解分離出氣體產(chǎn)物、液體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可以制取各種高附加值的化工產(chǎn)品，表2-2列出了煤炭的各種用途。

2.9.1　煤的干餾過程

煤的干餾根據(jù)目的產(chǎn)物不同分為兩種：低溫干餾和高溫?zé)捊埂烧叩臒峤鉁囟炔煌^程類似，主要產(chǎn)物的含量不同。高溫?zé)捊怪饕獮楂@取焦炭，副產(chǎn)煤氣和焦油。低溫干餾是為獲取煤氣和焦油，副產(chǎn)焦炭。

低溫干餾過程由常溫開始受熱，溫度逐漸上升，煤料中水分首先析出，然后煤開始發(fā)生熱分解，當(dāng)煤受熱溫度在350～480℃左右時(shí)，出現(xiàn)膠質(zhì)體。由于膠質(zhì)體透氣性不好，氣體析出不易，產(chǎn)生了對(duì)膠質(zhì)體團(tuán)塊的膨脹壓力。當(dāng)超過膠質(zhì)體固化溫度時(shí)，則發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象，產(chǎn)生半焦。在從半焦形成焦炭的階段有大量氣體生成而逸出，半焦收縮出現(xiàn)裂紋。當(dāng)溫度超過650℃時(shí)，半焦階段結(jié)束，開始形成焦炭，到950～1050℃時(shí)，焦炭成熟，結(jié)焦過程結(jié)束。上述成焦過程如圖2-12所示。

2.9.2　煤的干餾產(chǎn)物

（1）氣體產(chǎn)物

低溫干餾時(shí)煤氣產(chǎn)量約占干煤的6%～8%，高溫?zé)捊箷r(shí)可獲得13%～15%的煤氣。干餾過程析出的揮發(fā)性產(chǎn)物，簡(jiǎn)稱為粗煤氣。粗煤氣中含有許多化合物，包括常溫下的氣態(tài)物質(zhì)，如氫氣、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等；烴類含氧化合物，如酚類；含氮化合物，如氨、氰化氫、吡啶類和喹啉類等；含硫化合物，如硫化氫、二硫化碳和噻吩等。

（2）焦油產(chǎn)物

低溫干餾條件下可以得到6%～25%的焦油，而高溫?zé)捊箷r(shí)僅獲得3%～5%的焦油。

焦油連續(xù)蒸餾切取的餾分一般有下述幾種。

①輕油餾分　170℃前的餾分，產(chǎn)率為0.4%～0.8%，密度為0.88～0.90g/cm³。主要含有苯族烴，酚含量小于5%。

②酚油餾分　170～210℃的餾分，產(chǎn)率為2.0%～2.5%，密度為0.98～1.01g/cm³。含有酚和甲酚20%～30%，萘5%～20%，吡啶堿4%～6%，其余為酚油。

③萘油餾分　210～230℃的餾分，產(chǎn)率為10%～13%，密度為1.01～1.04g/cm³。主要含有萘70%～80%，酚、甲酚和二甲酚4%～6%，重吡啶堿3%～4%，其余為萘油。

④汽油餾分　230～300℃的餾分，產(chǎn)率為4.5%～7.0%，密度為1.04～1.06g/cm³。含有甲酚、二甲酚及高沸點(diǎn)酚類3%～5%，重吡啶堿類4%～5%，萘含量低于15%，還含有甲基萘等，其余為汽油。

上述焦油各餾分進(jìn)一步加工，可分離制取多種產(chǎn)品，目前提取的主要有下述產(chǎn)品。

a.萘　無色晶體，易升華，不溶于水，易溶乙醇、醚、三氯甲烷和二硫化碳，是焦油加工的重要產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的工業(yè)萘多用來制取鄰苯二甲酸酐，供生產(chǎn)樹脂、工程塑料、涂料及醫(yī)藥等用。萘也可以用于生產(chǎn)農(nóng)藥、炸藥、植物生長(zhǎng)激素、橡膠及塑料的防老劑等。

b.酚及其同系物　酚為無色結(jié)晶，可溶于水，能溶于乙醇。酚可用于生產(chǎn)合成纖維、工程塑料，以及用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料中間體及炸藥等。甲酚可用于生產(chǎn)合成樹脂、增塑劑、防腐劑、炸藥、醫(yī)藥及香料等。

c.蒽　無色片狀結(jié)晶，有藍(lán)色熒光；不溶于水，能溶于醇、醚、四氧化碳和二硫化碳。目前，蒽主要用于制蒽醌染料，還可以用于制合成鞣劑及涂料。

d.咔唑　又名9-氮雜芴，為無色小鱗片狀晶體；不溶于水，微溶于乙醇、乙醚、熱苯及二硫化碳等。咔唑是生產(chǎn)染料、塑料、農(nóng)藥的重要原料。

以上是焦油中提取的單組分產(chǎn)品，加工焦油時(shí)還可得到下述產(chǎn)品。

e.瀝青　是焦油蒸餾殘液，為多種多環(huán)高分子化合物的混合物。根據(jù)生產(chǎn)條件不同，瀝青軟化點(diǎn)可介于70～150℃之間。目前，我國(guó)生產(chǎn)的電極瀝青和中溫瀝青的軟化點(diǎn)為75～90℃。瀝青有多種用途，可用于制造屋頂涂料、防潮層及用于筑路、生產(chǎn)瀝青焦和電爐電極等。

2.9.3　煤的碳素制品

煤的固體產(chǎn)物除了最大宗的用于冶煉的焦炭外，還有多種碳素產(chǎn)品。碳素制品一般又稱碳素材料，它們具有許多不同于金屬和其他非金屬材料的特性。

①耐熱性　在非氧化性氣氛中，碳是耐熱性最強(qiáng)的材料。在大氣壓力下，碳的升華溫度高達(dá)（3350±25）℃。它的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的增加而不斷提高，如室溫時(shí)平均抗拉強(qiáng)度約為196kPa，2500℃時(shí)則增加到392kPa，直到2800℃以上才失去強(qiáng)度。

②良好的熱傳導(dǎo)性　石墨在平行于層面方向的熱導(dǎo)率可和鋁相比，而在垂直方向的熱導(dǎo)率可與黃銅相比。

③熱膨脹率　膨脹系數(shù)為2×10^-5/℃，有的甚至只有（1～3）×10^-6/℃，故能耐急熱急冷。

④電性能　人造石墨的電阻介于金屬和半導(dǎo)體之間，電阻的各向異性很明顯。

碳素制品的種類很多，應(yīng)用甚廣，其中產(chǎn)量最大的是電極炭。

碳素電極可用于電爐煉鋼、熔煉有色金屬、生產(chǎn)電石和碳化硅等，氯堿工業(yè)中電解食鹽所用的電極，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用的電刷，電氣機(jī)車、無軌電車取用電流的滑板和滑塊，電子工業(yè)中的碳質(zhì)電阻，炭棒和電真空器件等。

碳素制品還用于高爐和煉鋼爐用作爐襯的炭磚和炭塊以及石墨坩堝等；作為耐腐蝕材料，加工制造熱交換器、反應(yīng)器、吸收塔、泵和管道等；高純石墨材料制成的中子減速和反射的構(gòu)件用于核反應(yīng)堆。煤制活性炭、碳分子篩可用于化工和環(huán)保事業(yè)；生物碳制成的人造心臟瓣膜、人工骨、人工關(guān)節(jié)、人造鼻梁骨和牙齒已進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。

由上可見，碳素制品種類繁多，應(yīng)用廣泛，從傳統(tǒng)工業(yè)到新興工業(yè)，從日常生活到尖端科技都少不了它們。