2.9 煤的综合利用
煤炭除了作为一次能源的直接燃烧供热和发电或转换为洁净的二次能源外，在低温缺氧的条件下，可热解分离出气体产物、液体产物和固体产物，这些产物可以制取各种高附加值的化工产品，表2-2列出了煤炭的各种用途。
表2-2 煤炭的综合利用
2.9.1 煤的干馏过程
煤的干馏根据目的产物不同分为两种：低温干馏和高温炼焦。两者的热解温度不同，但过程类似，主要产物的含量不同。高温炼焦主要为获取焦炭，副产煤气和焦油。低温干馏是为获取煤气和焦油，副产焦炭。
低温干馏过程由常温开始受热，温度逐渐上升，煤料中水分首先析出，然后煤开始发生热分解，当煤受热温度在350～480℃左右时，出现胶质体。由于胶质体透气性不好，气体析出不易，产生了对胶质体团块的膨胀压力。当超过胶质体固化温度时，则发生黏结现象，产生半焦。在从半焦形成焦炭的阶段有大量气体生成而逸出，半焦收缩出现裂纹。当温度超过650℃时，半焦阶段结束，开始形成焦炭，到950～1050℃时，焦炭成熟，结焦过程结束。上述成焦过程如图2-12所示。
图2-12 煤的干馏过程
2.9.2 煤的干馏产物
（1）气体产物
低温干馏时煤气产量约占干煤的6%～8%，高温炼焦时可获得13%～15%的煤气。干馏过程析出的挥发性产物，简称为粗煤气。粗煤气中含有许多化合物，包括常温下的气态物质，如氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等；烃类含氧化合物，如酚类；含氮化合物，如氨、氰化氢、吡啶类和喹啉类等；含硫化合物，如硫化氢、二硫化碳和噻吩等。
（2）焦油产物
低温干馏条件下可以得到6%～25%的焦油，而高温炼焦时仅获得3%～5%的焦油。
焦油连续蒸馏切取的馏分一般有下述几种。
①轻油馏分 170℃前的馏分，产率为0.4%～0.8%，密度为0.88～0.90g/cm3。主要含有苯族烃，酚含量小于5%。
②酚油馏分 170～210℃的馏分，产率为2.0%～2.5%，密度为0.98～1.01g/cm3。含有酚和甲酚20%～30%，萘5%～20%，吡啶碱4%～6%，其余为酚油。
③萘油馏分 210～230℃的馏分，产率为10%～13%，密度为1.01～1.04g/cm3。主要含有萘70%～80%，酚、甲酚和二甲酚4%～6%，重吡啶碱3%～4%，其余为萘油。
④汽油馏分 230～300℃的馏分，产率为4.5%～7.0%，密度为1.04～1.06g/cm3。含有甲酚、二甲酚及高沸点酚类3%～5%，重吡啶碱类4%～5%，萘含量低于15%，还含有甲基萘等，其余为汽油。
上述焦油各馏分进一步加工，可分离制取多种产品，目前提取的主要有下述产品。
a.萘 无色晶体，易升华，不溶于水，易溶乙醇、醚、三氯甲烷和二硫化碳，是焦油加工的重要产品。国内生产的工业萘多用来制取邻苯二甲酸酐，供生产树脂、工程塑料、涂料及医药等用。萘也可以用于生产农药、炸药、植物生长激素、橡胶及塑料的防老剂等。
b.酚及其同系物 酚为无色结晶，可溶于水，能溶于乙醇。酚可用于生产合成纤维、工程塑料，以及用于农药、医药、染料中间体及炸药等。甲酚可用于生产合成树脂、增塑剂、防腐剂、炸药、医药及香料等。
c.蒽 无色片状结晶，有蓝色荧光；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，还可以用于制合成鞣剂及涂料。
d.咔唑 又名9-氮杂芴，为无色小鳞片状晶体；不溶于水，微溶于乙醇、乙醚、热苯及二硫化碳等。咔唑是生产染料、塑料、农药的重要原料。
以上是焦油中提取的单组分产品，加工焦油时还可得到下述产品。
e.沥青 是焦油蒸馏残液，为多种多环高分子化合物的混合物。根据生产条件不同，沥青软化点可介于70～150℃之间。目前，我国生产的电极沥青和中温沥青的软化点为75～90℃。沥青有多种用途，可用于制造屋顶涂料、防潮层及用于筑路、生产沥青焦和电炉电极等。
2.9.3 煤的碳素制品
煤的固体产物除了最大宗的用于冶炼的焦炭外，还有多种碳素产品。碳素制品一般又称碳素材料，它们具有许多不同于金属和其他非金属材料的特性。
①耐热性 在非氧化性气氛中，碳是耐热性最强的材料。在大气压力下，碳的升华温度高达（3350±25）℃。它的机械强度随温度的增加而不断提高，如室温时平均抗拉强度约为196kPa，2500℃时则增加到392kPa，直到2800℃以上才失去强度。
②良好的热传导性 石墨在平行于层面方向的热导率可和铝相比，而在垂直方向的热导率可与黄铜相比。
③热膨胀率 膨胀系数为2×10-5/℃，有的甚至只有（1～3）×10-6/℃，故能耐急热急冷。
④电性能 人造石墨的电阻介于金属和半导体之间，电阻的各向异性很明显。
碳素制品的种类很多，应用甚广，其中产量最大的是电极炭。
碳素电极可用于电炉炼钢、熔炼有色金属、生产电石和碳化硅等，氯碱工业中电解食盐所用的电极，电动机和发电机用的电刷，电气机车、无轨电车取用电流的滑板和滑块，电子工业中的碳质电阻，炭棒和电真空器件等。
碳素制品还用于高炉和炼钢炉用作炉衬的炭砖和炭块以及石墨坩埚等；作为耐腐蚀材料，加工制造热交换器、反应器、吸收塔、泵和管道等；高纯石墨材料制成的中子减速和反射的构件用于核反应堆。煤制活性炭、碳分子筛可用于化工和环保事业；生物碳制成的人造心脏瓣膜、人工骨、人工关节、人造鼻梁骨和牙齿已进入临床应用阶段。
由上可见，碳素制品种类繁多，应用广泛，从传统工业到新兴工业，从日常生活到尖端科技都少不了它们。