高等燃烧学—第六章煤的热解及挥发分的燃烧

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1、高等燃烧学第六章煤的热解及挥发分的燃烧本章介绍本章主要介绍煤的特性对热解的影响、煤的热解过程、煤热解产物---挥发分的组成，以及各种因素（例如温度、压力、加热速率等）的影响。本章还介绍了各种热解的数学模型以及挥发分的燃烧过程。6.1煤的组成与特性煤在化学和物理上是非均相的矿物质或岩石，主要含有C、H、和O，还有少量的S和N，其他组成是成灰的无机化合物，它们以矿物质分散颗粒分布在整个煤中。本节主要介绍煤中有机化合物的性状，因为煤的热解主要与煤中的有机物有关。6.1.1煤岩学煤岩学定义（略）煤岩学研究目的：是鉴定煤的物质成分和性质，以认

2、识煤的形成过程，区别各种不同类型的煤，而这种不同种类的煤与挥发分的析出有很大很大的关系。按照煤岩学理论：煤是由各种在光学显微镜下不可辨别的微细颗粒显微组分构成。按化学性质，这些显微组分可分为：有机显微组分和无机显微组分。有机显微组分来源于成煤的植物，通常分为三大组：镜质组、壳质组和惰质组。无机显微组分主要来源于地壳的岩石。各组有机显微组分具有不同的物理和化学性质，且这些性质随成煤程度而发生变化。煤中无机显微组分受成煤时地质条件及地理环境的影响。不同的煤由于成煤地的地质条件和地理的不同而由不同的无机显微组分组成。由此可见，煤本身的物质

3、组成是不均一的。显然煤的性质将有其组成的显微组分的性质决定，而各种煤的性质的差别正是由于所含显微组分（组成、含量、性质）不同所致，而这些成分与挥发分的析出，挥发分的成分以及挥发分的燃烧等密切相关有机显微组分和无机显微组分均有很多种类，鉴别他们的标志主要是根据颜色、形态、结构、突起和反应性等。但是目前对煤中有机显微组分的命名和分类还没有完全统一的形式。目前国内外分类方案可归纳起来分为两类：一类：侧重于成团研究，组分划分较细，常用透光观察；另一类侧重于工艺性质及其应用的研究，分类较为简明，常用反射光观察。表6-1为国际煤岩学学术委员会的

4、分类方案，该方案中将有机显微组分根据其反射率的方布分为三大组：惰质组（亮的）、壳质组或稳定组（暗的）和镜质组（两者之间），并根据各种成因标志在显微组分中进一步划分亚分组。该分类侧重于化学工艺性质，并已为众多利用煤岩学研究燃烧的研究者所用。这个分类最适用于烟煤化程度的煤，但也可用于所有煤化程度的煤。我国煤炭工业部地质勘探研究所于1978年提出过烟煤显微组分划分和命名方案，该分类方案涉及成因和工艺两方面的分类原则，并接近于国际显微组分分类方案，但在命名和分类上有一定的差别，表6-2给出了它们的对应关系。其中将镜质组和壳质组归为一类，称为

5、“活化成分”，而将惰质组称为“惰性分子”。这与最初发现燃尽度与惰质组含量成反比有关。近期研究表明，按常规方法确定的惰质组在快速加热条件下大部分称为活化分子。因此，在燃烧领域如何确切命名和划分显微组分将是需要进行研究的课题。煤的结构是影响其物理性质和化学性质的根本因素，但由于我们目前对各显微组分结构的研究开展得很少，仅对镜质组的结构了解较多一些，因为它在成煤过程中变化比较均匀以及矿物质含量很低，且通常为煤的主要成分，故常常作为煤研究的对象，后续分析中的煤分子结构模型亦以此为基础。镜质组可看成是由三度空间结构大分子构成，这种分子有如下特

6、点：（1）大分子有许多结构相似但又不完全相同的结构单元通过桥键联结而成；（2）结构单元的核心为缩合芳香烃；（3）结构单元的外围为烷基侧链和官能团；（4）氧多存于各种含氧官能团中，少量存在于杂环中；（5）有机硫与氮主要以环的形式存在。对镜质组的分子结构尽管已进行了很多研究，但仍未能完全了解，目前一些新的技术已被用来分析煤的结构。对壳质组和惰质组分子结构的研究开展不多，对烟煤惰质组研究显示其芳香度较高，单元核大，而壳质组芳香度低，包含更多的脂肪和脂环结构。至于对显微组分的热解特性，研究表明，各种显微组分的热解行为是不同的，且产物的组成也

7、有差别。研究发现，壳质组有最高的热解反应性，镜质组次之，各热解特征温度随惰质组、镜质组、壳质组而降低，显微组分的热解过程可分为三个阶段，每一个阶段可用一级反应叙述。实际燃烧的煤粉是各种微观岩相类型颗粒的组合，但对微观岩相类型的热解性质还缺少认识。由于煤的多样性，煤本身的不均匀性以及单个煤组分的复杂性，不同种类煤的结构是不同的。建立一个统一的煤结构模型热需要做大量的工作。许多研究者对不同的煤种提出了假想的结构，如葛文提出的一个假想的结构模型，索罗曼等提出了一个煤的化学有机结构模型如图6-2，还有比较著名的是海蒂和温特根据煤的分析结果提

8、出煤模型与分子的结构式的方法，如图6-3（a）、（b）。6.1.2煤化学6.1.3煤结构与热解反应关系煤的热解过程实际上是煤的大分子在温度较高时某些弱键发生断键，从而析出轻质的气态物质、焦油，残余的分子键再聚合生成稳定的主要由碳组成的