高等燃燒學(xué)—第六章煤的熱解及揮發(fā)分的燃燒

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1、高等燃燒學(xué)第六章煤的熱解及揮發(fā)分的燃燒本章介紹本章主要介紹煤的特性對熱解的影響、煤的熱解過程、煤熱解產(chǎn)物---揮發(fā)分的組成，以及各種因素（例如溫度、壓力、加熱速率等）的影響。本章還介紹了各種熱解的數(shù)學(xué)模型以及揮發(fā)分的燃燒過程。6.1煤的組成與特性煤在化學(xué)和物理上是非均相的礦物質(zhì)或巖石，主要含有C、H、和O，還有少量的S和N，其他組成是成灰的無機化合物，它們以礦物質(zhì)分散顆粒分布在整個煤中。本節(jié)主要介紹煤中有機化合物的性狀，因為煤的熱解主要與煤中的有機物有關(guān)。6.1.1煤巖學(xué)煤巖學(xué)定義（略）煤巖學(xué)研究目的：是鑒定煤的物質(zhì)成分和性質(zhì)，以認

2、識煤的形成過程，區(qū)別各種不同類型的煤，而這種不同種類的煤與揮發(fā)分的析出有很大很大的關(guān)系。按照煤巖學(xué)理論：煤是由各種在光學(xué)顯微鏡下不可辨別的微細顆粒顯微組分構(gòu)成。按化學(xué)性質(zhì)，這些顯微組分可分為：有機顯微組分和無機顯微組分。有機顯微組分來源于成煤的植物，通常分為三大組：鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。無機顯微組分主要來源于地殼的巖石。各組有機顯微組分具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，且這些性質(zhì)隨成煤程度而發(fā)生變化。煤中無機顯微組分受成煤時地質(zhì)條件及地理環(huán)境的影響。不同的煤由于成煤地的地質(zhì)條件和地理的不同而由不同的無機顯微組分組成。由此可見，煤本身的物質(zhì)

3、組成是不均一的。顯然煤的性質(zhì)將有其組成的顯微組分的性質(zhì)決定，而各種煤的性質(zhì)的差別正是由于所含顯微組分（組成、含量、性質(zhì)）不同所致，而這些成分與揮發(fā)分的析出，揮發(fā)分的成分以及揮發(fā)分的燃燒等密切相關(guān)有機顯微組分和無機顯微組分均有很多種類，鑒別他們的標(biāo)志主要是根據(jù)顏色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、突起和反應(yīng)性等。但是目前對煤中有機顯微組分的命名和分類還沒有完全統(tǒng)一的形式。目前國內(nèi)外分類方案可歸納起來分為兩類：一類：側(cè)重于成團研究，組分劃分較細，常用透光觀察；另一類側(cè)重于工藝性質(zhì)及其應(yīng)用的研究，分類較為簡明，常用反射光觀察。表6-1為國際煤巖學(xué)學(xué)術(shù)委員會的

4、分類方案，該方案中將有機顯微組分根據(jù)其反射率的方布分為三大組：惰質(zhì)組（亮的）、殼質(zhì)組或穩(wěn)定組（暗的）和鏡質(zhì)組（兩者之間），并根據(jù)各種成因標(biāo)志在顯微組分中進一步劃分亞分組。該分類側(cè)重于化學(xué)工藝性質(zhì)，并已為眾多利用煤巖學(xué)研究燃燒的研究者所用。這個分類最適用于煙煤化程度的煤，但也可用于所有煤化程度的煤。我國煤炭工業(yè)部地質(zhì)勘探研究所于1978年提出過煙煤顯微組分劃分和命名方案，該分類方案涉及成因和工藝兩方面的分類原則，并接近于國際顯微組分分類方案，但在命名和分類上有一定的差別，表6-2給出了它們的對應(yīng)關(guān)系。其中將鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組歸為一類，稱為

5、“活化成分”，而將惰質(zhì)組稱為“惰性分子”。這與最初發(fā)現(xiàn)燃盡度與惰質(zhì)組含量成反比有關(guān)。近期研究表明，按常規(guī)方法確定的惰質(zhì)組在快速加熱條件下大部分稱為活化分子。因此，在燃燒領(lǐng)域如何確切命名和劃分顯微組分將是需要進行研究的課題。煤的結(jié)構(gòu)是影響其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的根本因素，但由于我們目前對各顯微組分結(jié)構(gòu)的研究開展得很少，僅對鏡質(zhì)組的結(jié)構(gòu)了解較多一些，因為它在成煤過程中變化比較均勻以及礦物質(zhì)含量很低，且通常為煤的主要成分，故常常作為煤研究的對象，后續(xù)分析中的煤分子結(jié)構(gòu)模型亦以此為基礎(chǔ)。鏡質(zhì)組可看成是由三度空間結(jié)構(gòu)大分子構(gòu)成，這種分子有如下特

6、點：（1）大分子有許多結(jié)構(gòu)相似但又不完全相同的結(jié)構(gòu)單元通過橋鍵聯(lián)結(jié)而成；（2）結(jié)構(gòu)單元的核心為縮合芳香烴；（3）結(jié)構(gòu)單元的外圍為烷基側(cè)鏈和官能團；（4）氧多存于各種含氧官能團中，少量存在于雜環(huán)中；（5）有機硫與氮主要以環(huán)的形式存在。對鏡質(zhì)組的分子結(jié)構(gòu)盡管已進行了很多研究，但仍未能完全了解，目前一些新的技術(shù)已被用來分析煤的結(jié)構(gòu)。對殼質(zhì)組和惰質(zhì)組分子結(jié)構(gòu)的研究開展不多，對煙煤惰質(zhì)組研究顯示其芳香度較高，單元核大，而殼質(zhì)組芳香度低，包含更多的脂肪和脂環(huán)結(jié)構(gòu)。至于對顯微組分的熱解特性，研究表明，各種顯微組分的熱解行為是不同的，且產(chǎn)物的組成也

7、有差別。研究發(fā)現(xiàn)，殼質(zhì)組有最高的熱解反應(yīng)性，鏡質(zhì)組次之，各熱解特征溫度隨惰質(zhì)組、鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組而降低，顯微組分的熱解過程可分為三個階段，每一個階段可用一級反應(yīng)敘述。實際燃燒的煤粉是各種微觀巖相類型顆粒的組合，但對微觀巖相類型的熱解性質(zhì)還缺少認識。由于煤的多樣性，煤本身的不均勻性以及單個煤組分的復(fù)雜性，不同種類煤的結(jié)構(gòu)是不同的。建立一個統(tǒng)一的煤結(jié)構(gòu)模型熱需要做大量的工作。許多研究者對不同的煤種提出了假想的結(jié)構(gòu)，如葛文提出的一個假想的結(jié)構(gòu)模型，索羅曼等提出了一個煤的化學(xué)有機結(jié)構(gòu)模型如圖6-2，還有比較著名的是海蒂和溫特根據(jù)煤的分析結(jié)果提

8、出煤模型與分子的結(jié)構(gòu)式的方法，如圖6-3（a）、（b）。6.1.2煤化學(xué)6.1.3煤結(jié)構(gòu)與熱解反應(yīng)關(guān)系煤的熱解過程實際上是煤的大分子在溫度較高時某些弱鍵發(fā)生斷鍵，從而析出輕質(zhì)的氣態(tài)物質(zhì)、焦油，殘余的分子鍵再聚合生成穩(wěn)定的主要由碳組成的