煤炭的燃燒過程分析苗媛

煤的燃燒過程分析煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!煤分子的結(jié)構(gòu)

煤燃燒的基本過程

煤燃燒過程中能量轉(zhuǎn)換分析煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!

煤結(jié)構(gòu)的認識和發(fā)展

1830年，煤的起源問題解決后，科學(xué)家將目光逐步轉(zhuǎn)向煤結(jié)構(gòu)的研究。20世紀初，試圖把煤結(jié)構(gòu)和煤的起源相聯(lián)系——迷茫；從一些反應(yīng)產(chǎn)物來推斷煤的結(jié)構(gòu)同樣被證明——非常困難。因為這些產(chǎn)物幾乎和煤本身一樣復(fù)雜。

煤分子的結(jié)構(gòu)

煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!基本結(jié)構(gòu)單元煤的大分子是由若干基本結(jié)構(gòu)單元通過化學(xué)鍵連接而成的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元之間的連接是通過次甲基鍵、醚鍵、硫醚、次甲基醚以及芳香碳—碳鍵等橋鍵實現(xiàn)的。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!②Given模型——20世紀60年代初，P.H.Given（英）首次提出當(dāng)時獲公認的“結(jié)構(gòu)單元”模型C82%特點：針對低煤化度煙煤（碳含量82%—83%），首次提出煤具有三維空間結(jié)構(gòu)，主要是萘環(huán)與脂環(huán)互聯(lián)，分子線性排列構(gòu)成折疊狀的無序的三維空間大分子；存在各種官能團、氫鍵和含氮雜環(huán)；在煤液化過程中具有供氫活性。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!④本田模型特點：考慮了低分子化合物的存在，縮合環(huán)以菲環(huán)為主，由較長的次甲基鍵相連接。但沒有考慮氮和硫的結(jié)構(gòu)。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

隨著煤化程度的提高，構(gòu)成核的環(huán)數(shù)增多，連接在核周圍的側(cè)鏈和官能團數(shù)量則不斷變短和減少。褐煤次煙煤高揮發(fā)分煙煤石墨無煙煤低揮發(fā)分煙煤不同煤化程度煤的基本結(jié)構(gòu)單元煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!煤燃燒的基本過程

煤的燃燒是固體與氣體之間進行多相擴散燃燒過程，這是一個極其復(fù)雜的反應(yīng)過程。煤燃燒的實質(zhì)，就是在空氣中氧氣參與下，進行復(fù)雜的物理化學(xué)過程。在燃燒過程中，煤的可燃物在受熱下，形成與原始結(jié)構(gòu)不同的可燃組成物，將煤中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，形成燃燒產(chǎn)物——煙氣；煤中所含的礦物質(zhì)最后形成灰渣。一般燃燒過程可劃分為三個階段1.煤著火前的準(zhǔn)備階段（包括煤的預(yù)熱、干燥、析出揮發(fā)分和形成焦炭）；2.揮發(fā)分和焦炭的燃燒；3.爐渣爐灰中殘余焦炭燃盡。

各階段可能是串聯(lián)發(fā)生的，但在鍋爐燃燒室中，實際上各階段是相互交叉，或某些階段是同步進行的。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!燃燒的準(zhǔn)備階段

煤在爐中加熱、干燥、蒸發(fā)水分。當(dāng)溫度達到110℃左右時，水分全部被蒸發(fā)。H2O(l)→H2O(g)-44kJ/mol(g)隨溫度繼續(xù)增高，煤中有機質(zhì)開始熱分解，熱分解形成兩種產(chǎn)物：一種是從煤大分子上斷裂下來的側(cè)鏈和官能團所形成的揮發(fā)分，在揮發(fā)分氣體中主要有CO、CO2、H2、H2O、CH4及各種烴類化合物、含硫、含氮化合物等，另一種是稠環(huán)芳香核縮聚為焦炭（固定碳）。這一階段煤要吸收熱量，其熱源由火種或原燃燒著的煤供給。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!大致分為三個階段階段120℃以前脫去煤中游離水，120~200℃脫去煤所吸附的氣體如CO、CO2和CH4等，200℃以后年輕的煤如褐煤發(fā)生部分脫羧反應(yīng)，有熱解水生成，并開始分解放出氣態(tài)產(chǎn)物如CO、CO2和H2S等，300℃時開始熱分解反應(yīng)有微量焦油產(chǎn)生。煙煤和無煙煤在這一階段沒有顯著變化。第二階段300~600℃，特征是活潑分解，以分解和解聚為主，生成和排出大量揮發(fā)物，氣體主要是CH4及同系物，還有H2、CO、CO2及不飽和烴等。第三階段600~1000℃，以縮聚反應(yīng)為主，氣體主要是H2及少量CH4。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!碳在煤的可燃部分中的比例

煤的種類碳占可燃成分的重量％發(fā)熱量占總發(fā)熱量％無煙煤96.595煙煤57～8857.5～83.5褐煤5566泥煤3040.52）焦炭的燃燒固定碳的燃燒在燃燒過程中起決定性作用，其主要是因為：在煤的可燃成分中，碳的重量百分數(shù)是主要的碳的燃燒時間占全部燃料燃燒時間的90％左右。碳的發(fā)熱量占煤發(fā)熱量的主要部分，因而爐內(nèi)的溫度也主要取決于碳的燃燒速度。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!煤燃燒的過程中的能量轉(zhuǎn)換分析化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊鍵的斷裂，和新鍵的生成。斷鍵吸收的總能量<鍵放出的總能量;則為放熱反應(yīng)斷鍵吸收的總能量>新鍵釋放的總能量;則為吸熱反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)過程中所釋放或吸收的能量都可用熱量（或換成相應(yīng)的熱量）來表示，叫反應(yīng)熱，又稱“焓變”，符號用△H表示，單位一般采用kJ/mol。反應(yīng)的焓變可以通過①鍵焓來估算反應(yīng)焓變，也可以通過②標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓來計算反應(yīng)的焓變。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!煤分子的概念煤是由分子量不同、分子結(jié)構(gòu)相似但又不完全相同的一組“相似化合物”的混合物組成，多個相似的“基本結(jié)構(gòu)單元”通過橋鍵連接而成的立體結(jié)構(gòu)。煤大分子結(jié)構(gòu)的基本概念有機質(zhì)包括芳香結(jié)構(gòu)的環(huán)狀化合物占90％以上，非芳香結(jié)構(gòu)的化合物（低分子化合物）含量少。煤大分子結(jié)構(gòu)通常是指煤中芳香族化合物的立體結(jié)構(gòu)。是三維空間高度交聯(lián)的非晶質(zhì)的高分子縮聚物。煤分子的基本結(jié)構(gòu)單元類似于聚合物的聚合單體，分規(guī)則和不規(guī)則兩部分：

規(guī)則部分——由幾個或十幾個苯環(huán)、脂環(huán)、氫化芳香環(huán)及雜環(huán)（含氮、氧、硫等元素）縮聚而成，稱為基本結(jié)構(gòu)單元的核或芳香核。

不規(guī)則部分——連接在芳香核周圍的烷基側(cè)鏈和各種官能團。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!化學(xué)結(jié)構(gòu)模型

①Fuchs模型

——20世紀60年代以前的代表模型。由W.Fuchs（德）提出，1957年經(jīng)VanKrevelen修改特點：二戰(zhàn)前，以化學(xué)研究方法為主，僅獲得一些定性的概念，可用于建模的定量數(shù)據(jù)很少。采用“統(tǒng)計結(jié)構(gòu)分析”方法，次突破。定量描述了煤結(jié)構(gòu)中的芳香和脂肪簇，并首次引用X射線分析和紅外光譜的結(jié)果來證明其結(jié)論。特點是具有很大的蜂窩狀縮合芳香環(huán)?！容^片面，不能全面反映煤結(jié)構(gòu)的特征

煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!③Wiser模型——20世紀70年代中期，W.H.Wiser（美）提出的被認為是比較全面合理的模型。特點：引入了用以解釋煤熱解、加氫、氧化等化學(xué)反應(yīng)的弱鍵和橋鍵，較為全面和合理。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!⑤Shinn模型——1984年，J.H.Shinn根據(jù)一段和兩段液化產(chǎn)物分布提出的，又稱反應(yīng)結(jié)構(gòu)模型，目前廣為接受。特點：以煙煤為對象，分子量1萬為單位。假設(shè)：芳環(huán)或氫化芳環(huán)由較短的脂鏈和醚鍵相連，形成大分子聚集體，小分子相鑲嵌于聚集體孔洞或空穴中，可通過溶劑溶解抽提出來。受液化過程中溶劑作用的影響，沒有表示出煤中存在的低分子化合物。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!不同煤化程度煤的燃點煤種褐煤長焰煤氣煤肥煤焦煤無煙煤燃點/℃260~290290~330330~340340~350370~380約400煤的燃點隨煤化程度的增加而增高。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!煤燃燒各階段順序示意圖煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!煤中有機質(zhì)開始分解的溫度

種類泥炭褐煤煙煤無煙煤長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤開始分解溫度/℃<100約160約170約210約260約300約320約380煤的熱分解：煤的熱解過程是一個非常復(fù)雜的反應(yīng)過程。由于煤的組成復(fù)雜且極不均一，因而煤在熱解過程中化學(xué)反應(yīng)的形式很多，不可能用幾個簡單的反應(yīng)式來表達?？偟膩碚f，煤的熱解反應(yīng)可歸納為兩大類——裂解和縮聚煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!燃燒階段

當(dāng)溫度達到煤的燃點時，開始著火，然后可燃揮發(fā)分氣體和焦炭開始燃燒，這是過程的主要階段。1）揮發(fā)分的燃燒煤粒受熱分解析出揮發(fā)分與氧作用，在煤粒周圍著火燃燒，并放出熱量，主要反應(yīng)如下：CO+1/2O2→CO2+283kJ/molH2+1/2O2→H2O+242kJ/mol(g)或286kJ/mol(l)S+1/2O2→SO2+296kJ/mol揮發(fā)分燃燒時，一方面把熱量傳給焦炭，一方面被擴散來的氧氣先行燒掉。對于揮發(fā)分的析出過程現(xiàn)在有兩種不同的見解：一種觀點認為，揮發(fā)分的析出只是燃燒開始階段的一個短暫過程，還不到煤粒燃燒時間的10％；另一種觀點認為，在煤粒燃燒過程中，揮發(fā)分不斷地析出，析出過程與焦炭燃燒交叉平行進行，幾乎延續(xù)到燃盡階段。通常，煤的揮發(fā)分愈高，燃燒速度就愈快。煤炭的燃燒過程分析苗媛共22頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!

碳的燃燒過程主要是碳和氧的化學(xué)反應(yīng)過程。由于焦炭被揮發(fā)物所包圍，氧首先和可燃氣體反應(yīng)燃燒，因此，焦炭的燃燒一般要落后于揮發(fā)物，只有當(dāng)爐中的氧擴散到熾熱的焦炭表面時，焦炭才能燃燒。近年來研究發(fā)現(xiàn)，煤粉火炬燃燒時，懸浮在氣流中的粉煤粒加熱速度很快，在很高的升溫速度下，揮發(fā)分和焦炭幾乎同時著火。碳的燃燒反應(yīng)完全燃燒：C+O2→CO2+409kJ/mol不完全燃燒：C+1/2O2→CO+123kJ/mol焦炭在燃燒過程中還容易發(fā)生氣化反應(yīng)，使固態(tài)煤焦轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，從而加速了燃燒過程。這些反應(yīng)有：C+CO2