书城教材教辅青少年科普知识阅读手册——能源科学知识
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第11章

鲁奇气化器是一种工作压力为253万~304万帕,采用干排灰方式的固定床型气化器。粒度为6~30毫米的煤料从气化器上部装入,蒸汽和氧气从下部引入,与煤发生反应,得到的粗煤气从上部引出,干的灰分则通过旋转炉下部排走。粗煤气中含一氧化碳18.9%,氢39.1%,甲烷11.3%。发热值约为3000大卡/立方米以上的可直接供作城市煤气。如果要生产可供远程运送的高热值合成天然气,还必须经过洗气、调整成分和甲烷合成等处理过程,使煤气中甲烷含量提高到96%,煤气发热值提高到3.7×107焦耳以上。

鲁奇气化法单炉生产能力低,只适于使用褐煤等非粘结煤,而且需要使用块煤,在使用煤种和煤料上有限制。新改进的一种液态排渣的鲁奇炉可使气化能力提高2~3倍,蒸汽耗量减少5/6。

冷光源

物体发光时,它的温度并不比环境温度高,这种发光叫冷发光,我们把这类光源叫做冷光源。

冷光源的发光原理是在电场作用下,产生电子碰撞激发荧光材料产生发光现象。具有十分优良的光学,变闪特性。冷光源工作时不发热,避免了与热量积累相关的一系列问题。冷光源的特点是把其他的能量几乎全部转化为可见光了,其他波长的光很少,而热光源就不同,除了有可见光外还有大量的红外光,相当一部分能量转化为对照明没有贡献的红外光。热光源加红外滤波片后出来的光应该和冷光源发出的光差不多,因为已经滤掉了红外光。现在正在研制发光二极管,它是一种冷光源,寿命长,灯光柔和,是一种有望取代电灯泡的光源。

冷聚变

冷聚变就是在室温下通过一个核过程,将氢原子压缩到一起(熔合)产生大量能量。这个技术是南安普顿大学的马丁·弗雷舒曼和犹他大学的斯坦利·庞斯教授于1989年3月在将一对稀有金属制造的电极(一个是铂,一个是钯)浸入到盛有溶解了锂盐的重水玻璃瓶中得到的。这项技术虽然仍处于开发和实验过程中,但他们可以使电池市场中的锂电池和镉电池被永久性地淘汰。

冷水反应堆

高温气冷反应堆是由普通的石墨气冷堆发展而来的反应堆。工作原理是:用石墨作为慢化剂,用气体氦作为冷却剂(这就是“气冷”),氦气的温度高达800度左右(这就是“高温”)具体过程是:当反应堆内的核燃料进行核反应时,放出中子,速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来(因为在此堆里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应),以维持核反应。核反应时要释放出大量的热量,如果不把热量带走,就会烧毁反应堆,所以用气体(氦)流经堆芯,把热量带到热交换器,再由另一路冷却剂把氦气冷却,降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆,形成闭式循环回路。这就是高温气冷堆的最简单原理。但目前世界上使用最多的是压水堆,因为特别是核潜艇上基本都是压水堆,目前各国核潜艇上绝对没有高温气冷堆,它的体积太大。

鹿儿岛电厂

世界最大的火电厂,位于日本茨城县鹿儿岛临海工业区,靠近鹿儿岛港主航道,与鹿儿岛炼油厂相邻。全厂装6台超临界压力机组(其中,60万千瓦机组4台,100万千瓦机组2台),全部燃油,总容量440万千瓦。第1台机组1968年投运,1975年6月全部建成。厂区占地991391平方米,系填海造地而成。锅炉为露天布置,汽轮机房为全封闭钢结构。锅炉后侧布置烟气电除尘装置及多管烟囱。发电机到变压器的出线为封闭母线;275千伏开关站占地4385平方米。

两种新型节能燃料

随着能源供应日趋紧张,许多国家对节约能源,提高现有能源的利用率十分重视。已研究出两种较为有效的方法。

一是“水-油”混合乳剂。它的含水量为12%~15%。采用这种新型燃料以后,既能达到节能的目的,又能使汽车排出的废气减少为普通燃料的1/2。水和油之间是不会发生溶解作用的。科学家们通过一种特殊的装置,并在加工研制时输入超声波,水和油便混和在一起了。为了使混合乳剂分子的结构更加牢固、紧密,还须加一种专门的物质。

二是“煤-油”混合燃料。日本、美国、英国、加拿大、丹麦等国家的科学家认为,运用煤-油混合燃料,可代替煤的液化。日本有家公司研制的煤-油混合燃料的规格为:煤和油的重量比1∶1;煤粉细度70%通过200目筛网。美国找到了一种制备“煤-油”混合燃料的新型乳化剂,它是由不饱和脂族和环脂族、羧的掺合物与碱金属氢氧化合物或与胺作用来制取的。“煤-油”混合燃料可以节约燃料油,扩大煤炭的使用范围,无烟煤、烟煤、次无烟煤等均可制备“煤-油”混合燃料。“煤-油”混合燃料还可提高单位热效率。

流化床焚烧炉

炉体是由多孔分布板组成,在炉膛内加入大量的石英砂,将石英砂加热到600℃以上,并在炉底鼓入200℃以上的热风,使热砂沸腾起来,再投入垃圾。垃圾同热砂一起沸腾,垃圾很快被干燥、着火、燃烧。未燃尽的垃圾比重较轻,继续沸腾燃烧,燃尽的垃圾比重较大,落到炉底,经过水冷后,用分选设备将粗渣、细渣送到厂外,少量的中等炉渣和石英砂通过提升设备送回到炉中继续使用。流化床燃烧充分,炉内燃烧控制较好,但烟气中灰尘量大,操作复杂,运行费用较高,对燃料粒度均匀性要求较高,需大功率的破碎装置,石英砂对设备磨损严重,设备维护量大。

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煤的液化

在第二次世界大战期间,德国和日本都曾从煤中生产液体燃料,以弥补战时石油来源的不足。美国也曾对煤炭液化进行研究。煤炭可用各种方法加氢使之液化,氢还具有从煤中脱硫的作用。煤液化之后除去灰分,即可得到几乎不含灰和硫的洁净燃料。由煤制取的洁净燃料油可供给发电锅炉使用,可代替石油和天然气;合成的燃料油再经加工,可以得到汽油、柴油以及其他化工原料。

将煤炭转换成洁净能源的各种方法中,煤的液化具有广阔前景。发展从煤中制取液体燃料,一方面可减轻对天然石油的需求,同时,也可使丰富的煤炭资源得以满足汽车、飞机、船舶等的实际燃料需要。煤的液化产品也可以供现在烧油的发电厂或其他行业使用,将天然石油节省下来,以供其他方面的使用。

1973年,石油禁运并大幅度提价,促使美国加快了研究过程,并初步建成日处理煤6000吨、日产液体燃料2万桶的示范厂型规模,在1983-1985年投入商业运行,然后再增加4个装置,进而达到日处理煤3万吨、日产液体燃料10万桶的工业生产规模。1990年,美国每天可生产45万桶煤液化燃料。到1995年,已达到每天可生产95万桶。人们进行煤的利用革命,使它取代天然油和天然气,就相当于发现一种新能源。

煤当量

煤当量是按标准煤的热值计算各种能源量的换算指标,中国又称标准煤。煤当量迄今尚无国际公认的统一标准。1千克煤当量的热值,联合国、前苏联、日本、西欧大陆国家按29.3兆焦(7000千卡)计算,而英国则是根据用做能源的煤的加权平均热值确定。中国采用的煤当量的热值为29.3兆焦/千克。原煤换算成煤当量时,按平均热值20.9兆焦/千克(5000千卡/千克)计算,煤当量系数为0.714;原油热值按41.8兆焦/千克(10000千卡/千克)计算,煤当量系数为1.429;天然气热值按39.0兆焦/米3(9310千卡/米3)计算,煤当量系数为1.33;电的换算方法见能源计量当量。1吨标准煤相当于0.687623吨标准油。

煤的形成

在地质历史上,沼泽森林覆盖了大片土地,包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化。

当水面升高时,植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气,植物就不会完全分解,而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降,会产生多层有机地层。

经过漫长的地质作用,在温度增高、压力变大的还原环境中,这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异,形成的煤也不尽相同。

煤的开采

采煤向来是一项最艰苦的工作,当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同,一般相应的采用矿井开采(埋藏较深)和露天开采(埋藏较浅)两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小,是衡量开采条件优劣的重要指标,我国可露天开采的储量仅占7.5%,美国为32%,澳大利亚为35%;矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比,我国煤矿中含瓦斯比例高,高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主,如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式,也有露天开采,如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。

煤的利用

煤既是动力燃料,又是化工和制焦炼铁的原料,素有“工业粮食”之称。众所周知,工业界和民间常用煤做燃料以获取热量或提供动力,世界历史上,揭开工业文明篇章的瓦特蒸汽机就是由煤驱动的。此外,还可把燃煤热能转化为电能进而长途输运,火力发电占我国电结构的比重很大,也是世界电能的主来源之一。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可做建筑材料。煤还是重要的化工材料。炼焦、高温干馏制煤气是煤最为重要的化工应用,还用于民间和制造合成氨原料;低灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料。

煤层气

煤层气俗称“瓦斯”,其主要成分是CH4(甲烷),是主要存在于煤矿的伴生气体,也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。它是成煤过程中经过生物化学热解作用以吸附或游离状态赋存于煤层及固岩的自储式天然气体,属于非常规天然气,它是优质的化工和能源原料。煤层气是热值高、无污染的新能源。它可以用来发电,用做工业燃料、化工原料和居民生活燃料。煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中,会加剧全球的温室效应。而如果对煤层气进行回收利用,在采煤之前先采出煤层气,煤矿生产中的瓦斯将降低70%~85%。

煤田瓦斯是一种能源资源。因此,各国都积极扩大抽放瓦斯的应用范围及研究煤田瓦斯开发与利用的技术途径。从勘察情况看,围岩瓦斯是可观的瓦斯源,而且有可能成为煤成气田。在高瓦斯矿井采后的老采空区中及报废的矿井中,一般都积存大量的瓦斯。这些瓦斯是很好的瓦斯源地。

我国的抚顺胜利煤矿是停产报废的矿井,但至今仍在抽放瓦斯,年抽放达到2300万立方米,可供给一个甲醛厂和6635户居民利用。地面钻孔预抽煤层瓦斯,是扩大煤田瓦斯开发的重要技术手段,它可以摆脱煤田开采条件的限制,达到提前抽放瓦斯。煤矿开采过程中放出的瓦斯,除抽放一部分外,其余都是经风流排至地面大气中。这部分瓦斯比抽放的瓦斯量大10余倍。科学家正在研究利用这种低浓度瓦斯的技术,如果该技术能达到工业应用水平,将为煤田瓦斯的开发利用开辟广阔的前景。

煤层气的开采方式

煤层气的开采一般有两种方式:一是地面钻井开采;二是井下瓦斯抽放系统抽出。地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的,通过地面开采和抽放后可以大大减少风排瓦斯的数量,降低了煤矿对通风的要求,改善了矿工的安全生产条件。地面钻井开采方式,国外已经使用,我国有些煤层透气性较差,地面开采有一定困难,但若积极开发每年至少可采出50亿立方米;由于过去除了供暖外没有找到合理的利用手段,未能充分利用,所以,抽放瓦斯绝大部分仍然排入大气,不仅花去了费用,还浪费了资源,污染了环境。

煤油

轻质石油产品的一类。由天然石油或人造石油经分馏或裂化而得。单称“煤油”一般指照明煤油。又称灯用煤油和灯油,也称“火油”,俗称“洋油”。物化性质沸程为180~310℃。为C9~C16的多种烃类混合物。纯品为无色透明液体,含有杂质时呈淡黄色。平均分子量在200~250之间。密度大大于0.84克/立方厘米。闪点40℃以上。运动黏度40℃为1.0~2.0平方毫米/秒。芳烃含量8%~15%。不含苯及不饱和烃(特别是二烯烃)。不含裂化馏分。硫含量0.04%~0.10%。燃烧完全,亮度足,火焰稳定,不冒黑烟,不结灯花,无明显异味,对环境污染小。

不同用途的煤油,其化学成分不同。同一种煤油因制取方法和产地不同,其理化性质也有差异。各种煤油的质量依次降低:航空煤油、动力煤油、溶剂煤油、灯用煤油、燃料煤油、洗涤煤油。一般沸点为110~350℃。各种煤油在常温下为液体,无色或淡黄色,略具臭味;不溶于水,易溶于醇和其他有机溶剂;易挥发;易燃;与空气混合形成爆炸性的混合气。爆炸极限为2%~3%。煤油因品种不同含有烷烃28%~48%的,芳烃20%~50%,不饱和烃1%~6%,环烃17%~44%。碳原子数为10~16。此外,还有少量的杂质,如硫化物(硫醇)、胶质等。

煤油制备

煤油制备以石蜡基原油沸点230℃左右的馏分或环烷基原油215℃左右的馏分,经蒸馏、深度精制而得。

煤油用途

煤油用途主要用于点灯照明和各种喷灯、汽灯、汽化炉和煤油炉的燃料;也可用做机械零部件的洗涤剂,橡胶和制药工业的溶剂,油墨稀释剂,有机化工的裂解原料;玻璃陶瓷工业、铝板辗轧、金属工件表面化学热处理等工艺用油。

根据用途可分为航空煤油、动力煤油、照明煤油等。

煤炭气化发电

早在20世纪20年代,美国就已开始采用煤炭气化装置生产气态燃料。30年代初,美国有11000台煤炭气化装置进行生产。二次大战后,因受廉价石油和天然气的影响,煤炭气化工厂纷纷停工和倒闭。70年代以后美国又开始积极研究煤炭气化技术,尤其是煤炭气化发电技术。

美国的煤炭气化技术有移动床气化装置、流体床气化装置、夹带气化装置三大类。煤炭的综合气化装置具有第二代气化技术的特点,能保证发电厂机组发电能力达到100~300兆瓦,可与现有的商业性发电厂竞争。配备现有燃气轮机的综合气化联合循环系统与常规煤蒸汽发电厂相比,前者效率更高,热耗更小,投资费用更少。美电力研究所和电力工业部门因此在加州巴斯托附近建造一座100兆瓦的煤炭气化发电厂。这种方式将成为世界各国极为有利的选择方式。

煤碳工业

煤炭工业是燃料工业之一。以开采煤炭和洗选原煤为主的工业部门。为电力、冶金、化工等部门提供燃料和原料,也为铁路、航运等交通运输部门以及居民生活提供燃料。煤炭工业内部有煤田勘探、矿山建设、煤炭采选、矿山机械以及炸药等生产单位。它的布局受资源分布、储量、埋藏地质条件和地区自然、经济条件所影响。