煤炭的燃烧过程分析-苗媛

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,煤的燃烧过程分析,煤分子的结构,煤燃烧的基本过程,煤燃烧过程中能量转换分析,煤结构的认识和发展,1830,年，煤的起源问题解决后，科学家将目光逐步转向煤结构的研究。,20,世纪初，试图把煤结构和煤的起源相联系,迷茫,；从一些反应产物来推断煤的结构同样被证明,非常困难,。因为这些产物几乎和煤本身一样复杂。,煤分子的结构,煤分子的概念,煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成，多个相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的立体结构。,煤大分子结构的基本概念,有机质包括芳香结构的环状化合物占,90,以上，非芳香结构的化合物（低分子化合物）含量少。煤大分子结构通常是指煤中芳香族化合物的立体结构。是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物。,煤分子的,基本结构单元,类似于聚合物的聚合单体，分规则和不规则两部分：,规则部分,由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。,不规则部分,连接在芳香核周围的烷基侧链和各种官能团。,基本结构单元,煤的大分子是由若干基本结构单元通过化学键连接而成的三维结构，结构单元之间的连接是通过次甲基键、醚键、硫醚、次甲基醚以及芳香碳,碳键等桥键实现的。,化学结构模型,Fuchs,模型,20,世纪,60,年代以前的代表模型。由,W.Fuchs,（德）提出，,1957,年经,Van,Krevelen,修改,特点,：,二战前，以化学研究方法为主，仅获得一些定性的概念，可用于建模的定量数据很少。,采用“统计结构分析”方法，第一次突破。定量描述了煤结构中的芳香和脂肪簇，并首次引用,X,射线分析和红外光谱的结果来证明其结论。特点是具有,很大的蜂窝状缩合芳香环。,比较片面，不能全面反映煤结构的特征,Given,模型,20,世纪,60,年代初，,P.H.Given,（英）首次提出当时获公认的,“,结构 单元,”,模型,C 82%,特点：,针对,低煤化度烟煤,（碳含量,82%,83%,），首次提出煤具有三维空间结构，主要是萘环与脂环互联，分子线性排列构成折叠状的无序的三维空间大分子；存在各种官能团、氢键和含氮杂环；在煤液化过程中具有供氢活性。,Wiser,模型,20,世纪,70,年代中期，,W.H.Wiser,（美）提出的被认为是比较全面合理的模型。,特点：,引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键，较为全面和合理。,本田模型,特点：,考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲环为主，由较长的次甲基键相连接。,但没有考虑氮和硫的结构。,Shinn,模型,1984,年，,J.H.Shinn,根据一段和两段液化产物分布提出的，又称反应结构模型，目前广为接受。,特点：,以烟煤为对象，分子量,1,万为单位。假设：芳环或氢化芳环由较短的脂链和醚键相连，形成大分子聚集体，小分子相镶嵌于聚集体孔洞或空穴中，可通过溶剂溶解抽提出来。受液化过程中溶剂作用的影响，没有表示出煤中存在的低分子化合物。,随着煤化程度的提高，构成核的环数增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少。,褐煤,次烟煤,高挥发分烟煤,石墨,无烟煤,低挥发分烟煤,不同煤化程度煤的基本结构单元,不同煤化程度煤的燃点,煤种,褐煤,长焰煤,气煤,肥煤,焦煤,无烟煤,燃点,/,260290,290330,330340,340350,370380,约,400,煤的燃点随煤化程度的增加而增高。,煤燃烧的基本过程,煤的燃烧是固体与气体之间进行多相扩散燃烧过程，这是一个极其复杂的反应过程。煤燃烧的实质，就是在空气中氧气参与下，进行复杂的物理化学过程。在燃烧过程中，煤的可燃物在受热下，形成与原始结构不同的可燃组成物，将煤中的化学能转化为热能，形成燃烧产物,烟气；煤中所含的矿物质最后形成灰渣。,一般燃烧过程可划分为三个阶段,1.,煤着火前的准备阶段（包括煤的预热、干燥、析出挥发 分和形成焦炭）；,2.,挥发分和焦炭的燃烧；,3.,炉渣炉灰中残余焦炭燃尽。,各阶段可能是串联发生的，但在锅炉燃烧室中，实际上各阶段是相互交叉，或某些阶段是同步进行的。,煤燃烧各阶段顺序示意图,燃烧的准备阶段,煤在炉中加热、干燥、蒸发水分。当温度达到,110,左右时，水分全部被蒸发。,H2O(l)H2O(g)-44kJ/mol(g),随温度继续增高，煤中有机质开始,热分解,，热分解形成两种产物：一种是从煤大分子上断裂下来的侧链和官能团所形成的挥发分，在挥发分气体中主要有,CO,、,CO2,、,H2,、,H2O,、,CH4,及各种烃类化合物、含硫、含氮化合物等，另一种是稠环芳香核缩聚为焦炭（固定碳）。这一阶段煤要吸收热量，其热源由火种或原燃烧着的煤供给。,煤中有机质开始分解的温度,种类,泥炭,褐煤,烟煤,无烟煤,长焰煤,气煤,肥煤,焦煤,瘦煤,开始分解温度,/,100,约,160,约,170,约,210,约,260,约,300,约,320,约,380,煤的热分解：,煤的热解过程是一个非常复杂的反应过程。由于 煤的组成复杂且极不均一，因而煤在热解过程中化学反应的形式很多，不可能用几个简单的反应式来表达。总的来说，煤的热解反应可归纳为两大类,裂解和缩聚,大致分为三个阶段,第一阶段,120,以前脱去煤中游离水，,120200,脱去 煤所吸附的气体如,CO,、,CO2,和,CH4,等，,200,以后年轻的煤如褐煤发生部分脱羧反应，有热解水生成，并开始分解放出气态产物如,CO,、,CO2,和,H2S,等，,300,时开始热分解反应有微量焦油产生。烟煤和无烟煤在这一阶段没有显著变化。,第二阶段,300600,，特征是活泼分解，以分解和解聚为主，生成和排出大量挥发物，气体主要是,CH4,及同系物，还有,H2,、,CO,、,CO2,及不饱和烃等。,第三阶段,6001000,，以缩聚反应为主，气体主要是,H2,及少量,CH4,。,燃烧阶段,当温度达到煤的燃点时，开始着火，然后可燃挥发分气体和焦炭开始燃烧，这是过程的主要阶段。,1,）挥发分的燃烧,煤粒受热分解析出挥发分与氧作用，在煤粒周围着火燃烧，并放出热量，主要反应如下：,CO+1/2O,2,CO,2,+283kJ/mol,H,2,+1/2O,2,H,2,O+242kJ/mol(g),或,286kJ/mol(l),S+1/2O,2,SO,2,+296kJ/mol,挥发分燃烧时，一方面把热量传给焦炭，一方面被扩散来的氧气先行烧掉。对于挥发分的析出过程现在有两种不同的见解：,一种观点认为,，挥发分的析出只是燃烧开始阶段的一个短暂过程，还不到煤粒燃烧时间的,10,；,另一种观点认为,，在煤粒燃烧过程中，挥发分不断地析出，析出过程与焦炭燃烧交叉平行进行，几乎延续到燃尽阶段。通常，煤的挥发分愈高，燃烧速度就愈快。,碳在煤的可燃部分中的比例,煤的种类,碳占可燃成分的重量,发热量占总发热量,无烟煤,96.5,95,烟煤,57,88,57.5,83.5,褐煤,55,66,泥煤,30,40.5,2,）焦炭的燃烧,固定碳的燃烧在燃烧过程中起决定性作用，其主要是因为：,在煤的可燃成分中，碳的重量百分数是主要的碳的燃烧时间占全部燃料燃烧时间的,90,左右。,碳的发热量占煤发热量的主要部分，因而炉内的温度也主要取决于碳的燃烧速度。,碳的燃烧过程主要是碳和氧的化学反应过程。由于焦炭被挥发物所包围，氧首先和可燃气体反应燃烧，因此，焦炭的燃烧一般要落后于挥发物，只有当炉中的氧扩散到炽热的焦炭表面时，焦炭才能燃烧。近年来研究发现，煤粉火炬燃烧时，悬浮在气流中的粉煤粒加热速度很快，在很高的升温速度下，挥发分和焦炭几乎同时着火。,碳的燃烧反应,完全燃烧：,C+O2CO2+409kJ/mol,不完全燃烧：,C+1/2O2CO+123kJ/mol,焦炭在燃烧过程中还容易发生气化反应，使固态煤焦转化成气态，从而加速了燃烧过程。这些反应有：,C+CO22CO-162kJ/mol,C+H2OCO+H2-199kJ/mol,C+2H2OCO2+2H2-75kJ/mol,CO+H2OCO2+H2-42kJ/mol,CO+3H2CH4+H2O+206kJ/mol,煤燃烧的过程中的能量转换分析,化学反应的本质是旧键的断裂，和新键的生成。,断键吸收的总能量,新键释放的总能量,;,则为吸热反应,在化学反应过程中所释放或吸收的能量都可用热量（或换成相应的热量）来表示，叫,反应热,，又称“焓变”，符号用,H,表示，单位一般采用,kJ/mol,。,反应的焓变可以通过键焓来估算反应焓变，也可以通过标准摩尔燃烧焓来计算反应的焓变。,自标准摩尔燃烧焓来计算反应的焓变。,H=,反应物燃烧焓的总和,生成物能量的总和,自键焓来估算反应焓变,