1、燃料及燃烧全册配套完整课件燃料及燃烧全册配套完整课件3 绪论绪论 第一篇第一篇 煤化学煤化学第一章第一章 煤的外表特征和生成煤的外表特征和生成 第三章第三章 煤煤有机质的化学结有机质的化学结构构 第二章第二章 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析4总述总述第二篇第二篇 燃烧反应计算燃烧反应计算 第四章第四章 空气需要量和燃烧产物生成量空气需要量和燃烧产物生成量第五章第五章 燃烧温度燃烧温度5总述总述第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理 第六章第六章 燃气燃烧的气流混合过程燃气燃烧的气流混合过程第八章第八章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播第七章第七章 着火过程着火过程第九章第九章
2、 异相燃烧异相燃烧6总述总述 第四篇第四篇 燃烧方法和燃烧装置燃烧方法和燃烧装置第十章第十章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法 第十二章第十二章 燃气互换性燃气互换性 第十一章第十一章 燃气燃烧器燃气燃烧器第十三章第十三章 液体燃料的燃烧液体燃料的燃烧 第十四章第十四章 固体燃料的燃烧固体燃料的燃烧7绪论绪论 第一篇第一篇 煤化学煤化学第一章第一章 煤的外表特征和生成煤的外表特征和生成 第三章第三章 煤有机质的化学结构煤有机质的化学结构 第二章第二章 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析8中国能源概况及煤炭资源中国能源概况及煤炭资源绪绪 论论中国煤炭的综合利用情况中国煤炭的综合利用情况煤利用存
3、在的环境问题煤利用存在的环境问题 1 2 3 9 中国的能源概况及煤炭资源中国的能源概况及煤炭资源一、定义一、定义 能提供能量的物质即称之为能源能源。 能源的种类很多。人们通常把煤炭、石油、电力、柴薪等称为常规能源常规能源； 把太阳能、风能、地热能、水能、核能、沼气、天然气等称为非常规能源，即新能源新能源。 1 101.世界能源委员会推荐的能源类型： 固体燃料 液体燃料 气体燃料 水能 电能 太阳能 生物能 核能 海洋能 地热能 化石能源二二 、分类分类11 2.根据能源产生方式以及是否可以再利用分为一次能源和二次能源、可再生能源和不可再生能源；根据能源消耗后是否造成污染可分为污染型能源和清洁
4、型能源12一次能源一次能源：以现成的形式存在于自然界中，以现成的形式存在于自然界中， 如：天然气、石油、煤为常规能源如：天然气、石油、煤为常规能源二次能源二次能源：依靠某种能源转换而得到的能源，依靠某种能源转换而得到的能源， 如：电能、氢能、石油制品（汽油、煤油、柴油等）、如：电能、氢能、石油制品（汽油、煤油、柴油等）、煤气、焦炭等煤气、焦炭等 工业生产中的余热、余压也是一种二次能源。工业生产中的余热、余压也是一种二次能源。13 能源是工业的“粮食”，是国民经济发展的基础。 世界能源储量最多的是太阳能，在再生能源中占 99.44% 世界能源储量分布是不均匀的 三、世界能源概况三、世界能源概况
5、14探明储量约在9000亿吨，每年约开采13亿吨 绝大多数集中在华北、西北地区。如山西，内蒙 古，陕西 中国煤的灰分较高，平均灰分不小于20% 如煤球、蜂窝煤等四、中国能源概况（特点）指固体燃料四、中国能源概况（特点）指固体燃料15 中国煤炭的综合利用情况中国煤炭的综合利用情况一、几个煤炭利用部门的联合一、几个煤炭利用部门的联合1.采煤-电力-建材-化工2.采煤-电力-城市煤气-化工3.钢铁-炼焦-化工-煤气-建材4.炼焦-煤气-化工（三联供） 2161.焦化-气化-液化2.热解-气化-发电3.气化-合成4.液化-燃烧-气化5.液化-加氢气化二、几个单元过程的联合二、几个单元过程的联合1718
6、 煤利用存在的环境问题煤利用存在的环境问题污染贯穿于开采、运输、储存、利用和转化等过程污染贯穿于开采、运输、储存、利用和转化等过程采煤：酸性涌水、甲烷排放、煤矸石，煤堆自燃采煤：酸性涌水、甲烷排放、煤矸石，煤堆自燃燃烧：烟尘、烟气，炉渣燃烧：烟尘、烟气，炉渣气化和液化：生产较洁净燃料，但本身仍有污染！气化和液化：生产较洁净燃料，但本身仍有污染！砷燃烧形成砷燃烧形成剧毒物质物质As2O3 中国煤炭技术利用标准中国煤炭技术利用标准 1 1）清洁）清洁 2 2）高效）高效 所以开展洁净煤技术所以开展洁净煤技术319洁净煤技术洁净煤技术三废：废水 废气 废渣1. 煤矸石比例较高，煤矸石:煤1：12.
7、烟尘 1419万吨/年（全国排放量） 煤占90%3. SO2 1825万吨/年（全国排放量） 煤占90%4. CO2 6.3亿吨/年（全国排放量） 煤占85% 20 我国主要以煤为主，为了防止环境污染，应我国主要以煤为主，为了防止环境污染，应格外重视洁净煤技术。格外重视洁净煤技术。1.我国从前洗煤比例不大，将来应多采用洗煤。2.利用液化汽化工艺或改进燃烧方法 如采用流化床燃烧，再喷石灰石，与SO2发生反应，将SO2固定下来。3.燃烧型煤（煤球）也可降低粉尘。21 1 2 22一、煤的成因类型一、煤的成因类型二、煤的外表特征二、煤的外表特征 123一、煤的成因类型一、煤的成因类型煤煤是由许多高分
8、子碳氢化合物和少量无机矿物质组成的可燃有机矿产。由植物转变而成。不同类型的植物形成煤的特征、性质都有差异。根据成煤原始物质和堆积环境的不同，可以把煤分成腐植煤类、腐泥煤腐植煤类、腐泥煤类类和和腐植腐泥煤类。腐植腐泥煤类。24腐植煤类腐植煤类 由高等植物的遗体经过泥炭化作用和煤化作用形成。在自然界中分布最广，储量最大。腐泥煤类腐泥煤类 由低等植物和浮游生物经腐化作用和煤化作用形成，可分为藻煤藻煤、胶泥煤和油页岩胶泥煤和油页岩。腐植腐泥煤类腐植腐泥煤类腐植煤与腐泥煤中间的过渡类型，是由高等植物遗体和低等植物遗体共同形成的煤。主要有烛煤烛煤和煤精煤精两种。25二、煤的外表特征二、煤的外表特征26腐植
9、煤是腐植煤是煤加工、利用的主要对象。可分为：由植物中的纤维素和木质素等主要成分组成由植物中含量较少，但在成煤初期最不易被 微生物分解的组分形成 腐植煤的外表特征腐植煤的外表特征27 根据在成煤序列中煤化程度的不同，腐植根据在成煤序列中煤化程度的不同，腐植煤中的煤中的可分为可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤煤。 泥炭泥炭 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤28 是棕褐色或黑褐色的不均匀物质，是由植物转变成 煤的过程中的过渡产物。 特点：特点：其含水量很高，一般可达85%-90%。有机质组成：有机质组成：主要包括腐植酸、沥青质、稳定组分和 未分解或尚未完全分解的植物族。储量和用途：
10、储量和用途：我国泥炭储量约有270亿吨，主要分布在大小兴安岭、三江平原、长白山、青藏高原东部以及燕山和太行山的山前洼地等。近几年泥炭的开发和利用发展迅近几年泥炭的开发和利用发展迅速。速。29 大多数的褐煤外表呈褐色或暗褐色，因而得名。它与泥炭的区别是在外表上完全没有未分解的植物组织残体，不具有新开出的泥炭所特有的无定形状态。 我国褐煤资源丰富，储量约为893亿吨，分布在东北，西北，西南和华北等地，主要集中在内蒙古、云南和吉林等地。3031 烟煤是自然界中最重要和分布最广的煤。一般烟煤具有不同程度的光泽，绝大多数都呈条带状，其中有亮的条带，也有暗的条带，相互交替。 根据煤化程度我国将煤分为长焰煤
11、、不黏煤、弱黏煤、1/2中黏煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、瘦贫煤、贫煤。 我国烟煤储量最丰富，保有储量为4058亿吨。烟煤是煤加工利用的主要原料，所以也是煤化学的主要研究对象。 3233无烟煤无烟煤 无烟煤是煤化程度最高的一种腐植煤，呈灰黑色，带有金属光泽，无明显条带，硬度大，燃点高达360-410。 我国无烟煤探明储量为1044亿吨，主要集中在山西和贵州。 无烟煤主要用作气化和碳素工业的原料以及民用燃料等。3435 煤的生成煤的生成 煤的生成是一个漫长的历史过程，它决定了一种煤所处的煤阶或煤化程度，煤岩类型和根据工艺性质划分的等级。事实证明，煤是由植物，而且主要是高等植物生
12、成的。 主要成煤植物的演变和成煤情况见表1-5。 23637一、成煤的主要物质一、成煤的主要物质植物植物1.植物的类别植物的类别 低等植物低等植物 菌藻植物，无根茎叶器官的分化，大多生活在水中，是地球上出现最早的生物。但由于菌藻植物数量少以及其它原因，所以只生成少量的腐泥煤和石煤。 高等植物高等植物 包括苔藓、蕨类、裸子和被子植物，有明显的根茎叶和繁殖器官，是主要的成煤物质。 382.植物的演化植物的演化 地质历史时期，植物的演化是由单细胞到多细胞，由低级到高级，由简单到复杂，由水生到陆生逐步进化和发展的。其演化主要经历了以下几个阶段 菌藻植物时期:裸蕨植物时期，蕨类植物时期，裸子植物时期，被
13、子植物时期393.植物的组成植物的组成 高等植物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。 低等植物主要由蛋白质和糖类组成。 从化学的观点看，植物的成分可分为四类：糖类及其衍生物、木质素、蛋白质和脂类化学物。40包括纤维素、半纤维素和果胶等。纤维素是一种高分子的碳水化合物。纤维素在生长着的植物体内很稳定，但在植物死亡后，需氧细菌通过纤维素水解酶的催化可将纤维素水解为单糖。半纤维素在高等植物木质部中的含量高于纤维素，其结构多样。而果胶存在于植物的果实和木质部中，是由半乳糖醛酸与它的甲酯缩合而成的。41 是造煤植物中最主要的有机组分，常分布在植物的茎部的细胞壁中，它具有芳香结构的化合物。根据Flaig的
14、分析，木质素的组成因植物的种类不同而异，他有三种不同的单体。见表1-6。它的单体以不同的链连接成具有立方结构的大分子，不易水解，在多氧情况下，经微生物作用，比较容易氧化成芳香和脂肪羧酸。4243 是由氨基酸分子按一定排列方式结合而成的复杂有机高分子化合物，是构成植物细胞原生质的主要成分，也是有机生命起源的最重要的物质。植物死亡后，如果处在氧化条件下，蛋白质经微生物作用可全部水解成气态产物。在泥炭沼泽中，蛋白质可水解成简单的氨基酸，参与成煤。由于蛋白质的元素组成有碳、氢、氧、氮和硫等元素，有些蛋白质中含磷，所以有人认为煤中的氮和有机硫可能来自成煤植物中的蛋白质。44u脂类化合物脂类化合物 通常指
15、不溶于水，而溶于苯、醚、氯仿等有机溶剂的一类 有机化合物，存在于植物中的脂类化合物主要有脂肪、树脂、树蜡、角质、木栓质和孢粉质等几种类型454647 由于植物的种类不同，其有机组分的百分含量也不同。低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量较高；而高等植物则以纤维、半纤维素和木质素为主。 在高等植物形成煤中，如果成煤植物是以根、茎等木质纤维组织为主，煤的含氢量较低；如果成煤物质是以角质、木栓质、树脂、孢粉等脂类化合物为主，则煤的含氢量较高。4.4.成煤原始物质对煤质的影响成煤原始物质对煤质的影响48 高等植物高等植物 低等植物低等植物 两者混合两者混合腐植煤腐植煤腐泥煤腐泥煤腐植腐泥煤腐植
16、腐泥煤49富富营养营养沼沼泽泽 沼泽发育的初始阶段，水源补给以地下水和地表水为主。生长富营养型植物，如苔草、芦苇等贫营养贫营养沼沼泽泽 是沼泽发育的最高阶段。水源靠大气降水补充，生长贫营养性植物，其中泥炭藓占绝对优势。中中营养营养沼沼泽泽 介于以上两者之间，水源一部分靠地下水，一部分靠大气降水补充，既生长富营养型植物，也生长贫营养型502.植物遗体的堆积方式原地堆积原地堆积 植物遗体在原来生长的沼泽中堆积，并形成泥炭。在原地生成的煤层底版中能看到植物根部的化石，在有些煤层里甚至还发现有直立的树干形成的煤异地堆积异地堆积 植物遗体经过相当长远的距离的搬运（主要靠水力的作用）后沉淀下来而形成泥炭。
17、 显然，成煤主要靠原地堆积，异地堆积数量太少，很难形成有开采价值的煤层。51 从植物的死亡、堆积到变成煤经历了漫长的过从植物的死亡、堆积到变成煤经历了漫长的过程，发生了一系列的演变。一般可分为两大阶程，发生了一系列的演变。一般可分为两大阶段：段：泥炭化阶段泥炭化阶段和和煤化阶段煤化阶段。52是指高等植物的遗体经过复杂的生物化学变化和物理化学变化转变成泥炭的过程。根据引起变化的微生物的类型可以分为两个阶段5354 当泥炭被其它沉淀物所覆盖后，泥炭化作用即宣告结束，生物化学作用逐渐减弱以至停止，从而开始了从泥炭经褐煤和烟煤转变为无烟煤的煤化阶段。煤化阶段又可分为煤化阶段又可分为成岩作用：成岩作用：
18、泥炭转变为褐煤的过程变质作用：变质作用：如果把褐煤看作经过成岩作用形成的有机岩石，那么褐煤在变质作用影响下，逐步经烟煤向无烟煤演变。555657 1258定义：定义：煤的工业分析是煤的水分（煤的水分（M），灰分），灰分（A）、挥发分（）、挥发分（V）和固定碳（）和固定碳（FC）四个分析项目的总称。意义意义：利用工业分析可以初步判断煤的质量，特别是作为燃料的质量，利用干燥无灰基挥发分及焦渣特征可以大致确定煤的牌号。另外，从工业数据还可以计算煤的发热量和焦化产品的产率。 本节将分别对以上四个分析项目加以介绍本节将分别对以上四个分析项目加以介绍159煤质分析中常用的基准（简称煤质分析中常用的基准（简
19、称“基基”）有以下几种）有以下几种：空气干燥基（air dried basis）：指以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。符号ad干燥基（dry basis）：指以假想无水状态的煤为基准。符号d收到基（as received basis）：指以收到状态的煤为基准。符号ar干燥无灰基（dry ash free basis）：指以假想无水、无灰状态的煤为基准。符号daf干燥无矿物质（dry mineral matter free basis）：指以假想无水、无矿物质状态的煤为基准。符号dmmf 注：上述标准中，由实验室直接测定出的结果一般均是注：上述标准中，由实验室直接测定出的结果一般均是空气干空气
20、干燥基燥基结果，用户可根据需要换算为其他标准。结果，用户可根据需要换算为其他标准。60 煤是多孔性固体，含有或多或少的水分，其含量随煤化程度的增加而降低，到高煤化程度时又略有回升。 水分的存在一方面将对煤的加工利用带来不利影响，另一方面可反映煤的孔隙结构的变化。所以，水分的分析是煤的最基本的分析指标之一611.煤中水分的存在形态煤中水分的存在形态 游离水游离水结晶水结晶水外在水分外在水分(M(Mf f) )：内在水分内在水分(M(Minhinh) )： 指附着于煤粒表面的水膜和存在指附着于煤粒表面的水膜和存在于直径于直径 d d cmcm的毛细孔中的的毛细孔中的水分水分510 指吸附或凝聚在煤
21、粒内部直径指吸附或凝聚在煤粒内部直径小于小于 d d 0.2mm,105-110,1d0.2mm,105-110,1小时小时 用热气流（通常为用热气流（通常为N N2 2）将煤）将煤中水分赶出，然后用吸收剂中水分赶出，然后用吸收剂（CaClCaCl2 2或浓或浓H H2 2SOSO4 4）吸收，吸）吸收，吸附剂增重为水分含量。附剂增重为水分含量。将试剂与甲苯试剂混合，在水分将试剂与甲苯试剂混合，在水分测定仪内共热，使水分和溶剂一测定仪内共热，使水分和溶剂一起蒸发出来冷凝后分层起蒸发出来冷凝后分层d0.2mm,150-160,10d400oC（2）受热分解 ：碳酸盐在温度达500oC时开始分解，
22、800oC 时分解结束（3）氧化反应：当温度为400oC-600oC，在空气中氧的作用下发生氧化反应OHSOCOHSOC24242a2aOHOSOAOHOSOA223222322i2l2i2l23aaCOOCCOC23eeCOOFCOF232228e211e4SOOFOSF422222CaSOOSOCaO69（4）挥发：碱金属氧化物和氯化物在温度为700以上时部分挥发，故测定灰分的温度定在815 10，不应太高。为了避免SO2和CaO在燃烧过程中生成CaSO4，煤样应在500保持一段时间，让FeS2和有机硫充分燃烧，并将生成的SO2排出。这时，碳酸盐尚未分解，要在继续升高温度时它才能分解。70
23、3.灰分和矿物质之间的换算灰分和矿物质之间的换算（1 1）派尔公式派尔公式 MM:无机矿物质含量，% A：灰分含量或产率，% St：煤中全硫含量，%（2 2）吉文公式）吉文公式 Sp：煤中硫铁矿硫含量，% Cl：煤中氯的含量，% t55. 008. 1SAMMl5 . 047. 013. 1pCSAMM714.4.灰分的测定灰分的测定将一定重量的煤在815 10的温度下，将煤中的可燃物完全燃烧，然后对留下的灰分称重，经计算得出煤中灰分灰分含量。确切的说，应为“灰分产率”。因为矿物质矿物质在高温燃烧的条件下，有一部分已发生化学反应，二者的重量不同，组成也有所不同。72四、煤灰的组成和煤灰熔融性的
24、测定四、煤灰的组成和煤灰熔融性的测定 1 1、煤灰的化学组成、煤灰的化学组成 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O等 我国某些煤样的灰分组成见下表 732、 煤灰的熔融性煤灰的熔融性 煤灰熔融性习惯上称作煤灰熔点煤灰熔点,当然,这种称呼实际上是不确切的。其测定方法有熔点法和熔融曲线法，最常用的是角锥法。其方法要点是将煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角形锥体，放入灰熔点测定炉中以一定的升温速度加热，观察并记录灰锥变形情况。测定过程中有最初变形温度DT（T1)，软化温度ST(T2)和流动温度FT(T3) 74 我国某些煤样的灰熔融性见下表753. 3.研究煤中矿物质和灰分性质的
25、重要性研究煤中矿物质和灰分性质的重要性（1 1）对炼焦和炼铁的影响）对炼焦和炼铁的影响 炼焦煤灰分高，造成煤炭灰分高，炼铁时就要多消耗焦炭和作为助熔剂的石灰石。（2 2）对燃烧和气化的影响）对燃烧和气化的影响 煤中的灰分高，造成灰渣量增加，势必带走一部分潜热和显热，使热效率降低。（3 3）对直接液化的影响）对直接液化的影响 直接液化一般要求煤的灰分10%，黄铁矿对加氢有催化作用，因此它的存在是有利的。 764.煤中矿物质和灰分的利用途径煤中矿物质和灰分的利用途径（1 1）粉煤灰：粉煤灰：建筑材料，如人造混凝土软骨料等。（2 2）煤渣：煤渣：生产砖瓦、水泥及其它建筑材料。（3 3）煤灰：煤灰：筑
26、路，修筑机场跑道，回收稀有金 属和其它金属。目前已事先工业化回收的有锗、 钼和钒等 771.1.挥发分挥发分挥发分的概念挥发分的概念 煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度，并在该温度下停留一段时间，煤中有机质受热分解析出一部分气态和蒸气产物 挥发分。它占煤样重量百分比称挥发分产率或挥发分。挥发分的测定方法和计算方法挥发分的测定方法和计算方法 称取1g分析煤样装入带盖的瓷坩埚内，放入马弗炉，在隔绝空气和900 10下加热7分钟，煤样失重占煤样重量的百分比减去Mad即为分析煤样的挥发分。78挥发分的计算公式挥发分的计算公式 式中，Vad： 分析煤样的挥发分，% G： 分析煤样的重量，g G1 :
27、焦渣的重量，g Mad：分析煤样的水分，g 并且，随着煤化程度的不一样，留在坩埚内的焦渣形状并且，随着煤化程度的不一样，留在坩埚内的焦渣形状也不同，这和煤的粘结性有关。也不同，这和煤的粘结性有关。ad1ad%100MGGGV79挥发分与煤质的关系挥发分与煤质的关系 挥发分和煤的成因、煤岩组成及煤化程度等因素有关。腐泥煤的挥发分高于腐植煤；腐植煤中各显微组分的挥发分稳定组镜质组丝质组；腐植煤镜质组的挥发分随煤化程度的增加大体上均匀下降，所以通常把它作为代表煤化程度的指标。它对无烟煤和烟煤比较适用，但对褐煤不适宜。80 煤的固定碳煤的固定碳 ：指从煤中除去水分、灰分和挥指从煤中除去水分、灰分和挥发
28、分后的残留物。发分后的残留物。 固定碳和挥发分一样，不是煤中的固有成分，而是热分解产物。它不仅含有碳，还包含氧、氮和硫等元素。另外，固定碳与煤中碳含量是两个不同的概念。）（adadadad100VAMFCadFC2 2、固定碳、固定碳81六、各种煤的工业分析结果比较六、各种煤的工业分析结果比较82（1 1）概念）概念：煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧所产：煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧所产生的全部热量生的全部热量Q Q（2 2）测定原理：）测定原理：以以氧弹量热法氧弹量热法为标准为标准 称取1-1.1g分析煤样放在氧弹中，从氧气钢瓶中充入氧气至初压2.6-3.0MPa，利用电流加热弹筒内
29、的金属丝使煤样着火。后者在过量的氧气中完全燃烧，其产物有CO2, H2O 和灰以及燃烧后被水吸收形成的产物H2SO4 和HNO3等。燃烧产生的热量被内筒的水所吸收。根据水温的上升，并进行一系列的温度校正后，可计算出单位质量的煤燃烧所产生的热量，即弹筒发热量 Qb,ad8384l（3）恒容高位发热量和恒容低位发热量）恒容高位发热量和恒容低位发热量 高位发热量：高位发热量：从弹筒发热量中扣除由于煤中的硫和氮分别生成硫酸和硝酸所产生的热量（包括化学生成热和溶解热）后即得到煤的恒容高位发热量，因为煤在空气中燃烧时，是不会生成硫酸和硝酸的。 低位发热量：低位发热量：上述高位发热量中包含水的冷凝热，而煤在
30、工业锅炉中燃烧时，水在烟道气中以气态存在。所以，需要引入低位发热量的概念。)*95(,adbadbadbadvgrQaSQQ)9(25,netadadadvgradvHMQQ85（4）煤的发热量与煤化程度的关系）煤的发热量与煤化程度的关系 见表2-4 86 由上表可以看出，以褐煤到焦煤，发热量随煤化程度的加深而增加，至焦煤阶段时，出现最大值，其干燥无灰基高位发热量达到37.05 MJ/kg 。从焦煤到无烟煤，发热量又随着煤化程度的增加而降低，不过降低幅度不大。 究其原因，在褐煤至焦煤阶段，碳含量明显增加，氧含量明显降低，而氢含量变化不大，故发热量呈上升趋势；在焦煤至无烟煤阶段，碳含量增加和氧含
31、量降低的幅度变小，而氢含量明显下降，由于氢的发热量为碳的发热量的3.7倍，故总的结果是导致发热量缓慢降低。在低煤化阶段，发热量和煤化程度有很好的线性关系，所以发热量可用作年轻煤的分类指标。返回返回87一、碳和氢分析原理一、碳和氢分析原理 通常用燃烧法。其原理是：将盛有分析煤样的瓷舟放入燃烧管中，通入氧气，在800下使煤样充分燃烧，煤中的氢和碳分别生成水和二氧化碳，用装有无水氯化钙或过氯酸镁的吸收管先吸收水，再以装有碱石棉或钠石灰的吸收管吸收二氧化碳。根据吸收管的增重即可计算出煤中碳和氢的含量。288（1）煤的燃烧反应 煤+O2 CO2 +H2O +SO3 +SO2 +Cl2 +NO2 +N2
32、+. （2）二氧化碳和水的吸收反应 2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O CaCl2+2H2O=CaCl2.2H2O CaCl2.2H2O+4H2O=CaCl2.6H2O 或Mg(ClO4)2+6H2O= Mg(ClO4)2.6H2O 800800o oC C催化剂催化剂89 注意注意：1.为防止燃烧不完全，在燃烧管中充填线状氧化铜或高锰酸银氧化剂。 2.为避免煤中硫和氯对测定的干扰 三节炉法中燃烧管内还要装入铬酸铅和银丝网。铬酸铅可与SOX反应生成硫酸铅和三氧化二铬，并放出氧气。银丝网可以除去氯气。 4PbCrO4+4SO2 4PbSO4+ 2Cr2O3 + O2 4PbCrO4+4SO
33、2 4PbSO4+ 2Cr2O3 + O2 2Ag+ Cl2 2AgCl 600 600o oC C 600 600o oC C 180 180o oC C90 二节炉法中，用AgMnO4分解产物脱除硫氧化物和氯 AgMnO4 Ag.MnO2+O2 2Ag.MnO2+2SO2+O2 Ag2SO4.MnO2+MnSO4 2 Ag.MnO2+2SO2 Ag2SO4.MnO2+MnSO4 2Ag.MnO2+Cl2 2AgCl.MnO2 500 500o oC C 500 500o oC C 500 500o oC C913.煤中的氮有一部分可能生成NOx ,会干扰碳的测定，故应在水分吸收管和二氧化碳
34、吸收管之间装一个充填粒状二氧化锰的吸收管，以除去NOx 。 MnO2+H2O MnO(OH)2 MnO(OH)2+2NO2 Mn(NO3)2+H2O 92注：注：碳氢含量测定实验将采用BCHI型半自动碳氢测定法，煤样于850OC在AgMnO4热解产物作用下，在氧气流中燃烧，生成的水与pt-P2O5电解池中的P2O5反应生成HPO3，根据电解HPO3所消耗的电量 ，应用法拉第定律，即可算出煤中氢的含量。 H2O+P2O5 2HPO3 电解偏磷酸，在pt-P2O5电解池内产生如下反应： 阳极：2PO3- - 2e- P2O5 + 1/2 O2 阴极：2H+2e- H2 煤样燃烧生成的二氧化碳用碱石
35、棉（NaOH）吸收。 试样中硫和氯对测定产生的干扰用高锰酸银热解产物除去，氮对测定的影响用二氧化锰除去。93二、氮的分析二、氮的分析 一般采用凯氏法或改良凯氏法。包括以下步骤：1. 1.消化消化。用浓硫酸、硫酸钾和硫酸铜作反应剂。浓硫酸能将煤中的碳和氢氧化为二氧化碳和水。氮经过复杂的反应变为氨再与硫酸反应生成硫酸氢氨。2. 2.蒸馏。蒸馏。用消化后的溶液加入过量碱并蒸出氨。3. 3.吸收。吸收。以硼酸作吸收剂，与氨生成分子配合物。4. 4.以标准酸滴定。以标准酸滴定。 OHSONNHOHNSOHHSONH242342444a2(a4过量）333333NHBOHNHBOH33424423332)
36、(2BOHSONHSOHNHBOH94三、硫的分析三、硫的分析1. 1.煤中硫的存在形式煤中硫的存在形式 可分为无机硫和有机硫两类，前者包括硫酸盐硫，硫铁矿硫和元素硫；后者包括硫醇，硫醚和噻吩等。 2. 2.全硫的测定全硫的测定 有艾氏法、高温燃烧法和弹筒燃烧法等。艾氏法的原理是将艾氏试剂与煤混匀后，置于马弗炉中使其缓慢燃烧，煤中的硫转化为硫酸钠和硫酸镁，然后再测定。 高温燃烧法则是使煤在高温氧气流中燃烧，硫转变为二氧化硫，以双氧水吸收后用酸碱滴定法测定生成的硫酸的量。 本实验采用库仑滴定法：煤样在催化剂作用下，于95 空气流中燃烧分解，煤中硫生成SO2并被KI溶液吸收，以电解KI溶液所生成的
37、I2进行滴定，根据电解消耗的电量计算煤中全硫的含量。 3. 3.无机硫的测定无机硫的测定 （1）硫酸盐硫：用稀盐酸溶解煤样中的硫酸盐，然后测定硫酸盐中的SO42- （2）硫铁矿硫：直接测定法是用硝酸处理，使Sp转化为硫酸，然后测定SO42- ；间接测定法是分别测定硝酸处理溶液和盐酸浸取溶液中的铁含量，根据二者之差和硫铁比计算出Sp （3）元素硫：用亚硫酸钠浸取，再用碘量法测定生成的Na2S2O4 4. 4.有机硫有机硫：从总硫中减去上述三种从总硫中减去上述三种9697 从上表可以看出从上表可以看出 随着煤化程度的增加，C、H、O的含量均呈现出一定规律的变化，而N、S则无一定规律。C基本上是均匀
38、增加；H在中等煤化程度以前大致不变或变化幅度很小，进入无烟煤阶段后则明显减少；O与C正好相反，它随着煤化程度的增加而逐渐降低。 煤中的N与S与煤化程度基本无关，前者多在1-2%，后者变化幅度相当大。同一煤化程度的煤的含硫量有的低于0.5%，有的高于5%。它和成煤条件有关，泥炭沼泽中如有海水侵入，煤的硫含量就高，反之则低。981.基准基准 煤分析中常用的基准有分析基(空气干燥基），干燥基和干燥无灰基，此外还有收到基（应用基），恒温无灰基和干燥无矿物基等。它们的符号和意义见表2-6。992.2.有关煤质指标及符号有关煤质指标及符号 有关煤质指标及符号列于表2-7.其用法如分析煤样水分Mad，干燥无
39、灰基挥发分Vdat等。100总原则总原则 煤中任一成分的分析，无论结果采用那种基准来表示，该成分的绝对量是保持不变的。据此可以列一个等式求出未知量。 101例如：已知例如：已知X Xadad 和和MMadad，求，求X Xd d。（。（X X为煤样分析中任一成分）为煤样分析中任一成分） 设空气干燥基ad下煤样的质量为100，此基准下X的 绝对质量为 干燥基d下煤样质量100-Mad，此基准下X的绝对质量为 所以两式相等，即可求出XdadaddXMX100100100100adX)100(100adadMX102103104不同基准之间的关系如下表所示，此表是基准换算的基础！不同基准之间的关系如
40、下表所示，此表是基准换算的基础！1051. 1.空气干燥基与干燥基之间的换算空气干燥基与干燥基之间的换算1062. 2.全水分与外在水分与空气干燥基水分的关系全水分与外在水分与空气干燥基水分的关系1071083.收到基与空气干燥基之间的换算收到基与空气干燥基之间的换算109110111112113114115基基准准换换算算的的基基础础！1161 2 2 2117 一、煤化学结构的研究办法一、煤化学结构的研究办法 1 1）物理研究法）物理研究法：红外光谱，X射线衍射，核磁共振，密度，折射率等 2 2）物理化学的研究方法：）物理化学的研究方法：溶剂抽提和吸附性能等 3 3）化学研究法：）化学研究
41、法：氧化，加氢，解聚，烷基化，热解和官能团分析等 1 118溶剂抽提是最经典的煤化学研究方法之一，溶剂抽提是最经典的煤化学研究方法之一，至今仍在不断发展中。至今仍在不断发展中。对煤的溶剂抽提物的分析可为煤结构研究提对煤的溶剂抽提物的分析可为煤结构研究提供大量信息。供大量信息。119根据溶剂种类、抽提温度和压力等条件的不同，煤的根据溶剂种类、抽提温度和压力等条件的不同，煤的溶剂抽提可以分为以下溶剂抽提可以分为以下5类：类：u普通抽提普通抽提：100的温度下，用普通的低沸点有机溶剂抽提。此种抽提的抽提物很少。如：苯、氯仿CH3Cl和乙醇.u特定抽提特定抽提：200，采用具有电子给予体性质的亲核性溶
42、剂。如酚类、胺类和抽提物产率较高20-40%，甚至超过50%。抽提中基本上无化学变化，对煤的结构研究特别重要。u超临界抽提超临界抽提：以甲苯、异丙醇或水为溶剂在超过溶剂临界点的条件下抽提煤。抽提温度一般在400左右。抽提率可达30%以上。它已发展成为一种液化工艺。120u热解抽提热解抽提：抽提温度在300以上，溶剂中有菲、蒽、喹啉和焦油馏分等。因抽提中伴有热解反应，故称热解抽提。抽提率一般在60%以上，少数煤甚至高达90%。u加氢抽提加氢抽提：抽提温度在300以上，采用供氢溶剂或采用非供氢溶剂但在有氢气存在的条件下进行抽提。抽提中伴有热解和加氢反应，是典型的煤液化方法，因此抽提率较高。121褐
43、煤的苯-乙醇抽提:以1:1的苯和乙醇混合溶液在沸点下抽提褐煤，所得抽提物称为沥青。它是由树酯、树蜡和少量地沥青组成的复杂化合物。氯仿抽提：为研究煤的粘结机理，对煤的氯仿抽提已进行过不少研究。表3-1为原煤和经预处理后的煤用氯仿在其沸点温度下抽提所达到的抽提率。122煤经过快速预热后，氯仿抽提物的组成分析见表3-2。抽提率在中等变质程度烟煤处出现最高点。123特定抽提最常用的溶剂是吡啶、有机胺类和甲基吡咯特定抽提最常用的溶剂是吡啶、有机胺类和甲基吡咯烷酮等。烷酮等。 例：吡啶抽提：吡啶在沸点温度下对煤的抽提率和抽提物的碳、氢元素组成见表3-3。图3-1 是煤的吡啶抽提物的溶剂分级。124图图3-
44、1 是煤的吡啶抽提物的溶剂分级是煤的吡啶抽提物的溶剂分级 煤煤吡啶不溶物吡啶不溶物（-级分）级分）吡啶可溶物吡啶可溶物石油醚不溶物石油醚不溶物氯仿不溶物氯仿不溶物（ - -级分）级分）氯仿可溶物氯仿可溶物（? ?- -级分）级分）石油醚可溶物石油醚可溶物（? ?1 1- -级分）级分）乙醚可溶物乙醚可溶物（? ?2 2- -级分）级分）乙醚不溶物乙醚不溶物丙酮不溶物丙酮不溶物（? ?4 4- -级分）级分）丙酮可溶物丙酮可溶物（? ?3 3- -级分）级分）125由上表可见，吡啶的抽提率明显高于普通的有机溶剂。在烟煤阶段，抽提率先随变质程度的增加而增加，在煤中含C量为88%左右时达到最大值，然
45、后随变质程度的进一步提高而急剧下降。抽提物的元素组成与原煤很接近。由于煤的复杂性，有些国家的煤在C 83%左右时，吡啶抽提物的产率最高。吡啶抽提率较高的原因是： 由于吡啶具有很强的亲核性和形成氢键的能力，故与煤的有机质之间产生较强的分子作用力。 126通过解聚等方法的研究，发现煤与一般聚合物不同，后者是由单一化学结构的一种或几种单体聚合而成，而煤的单位仅仅彼此相似，具体组成并不完全相同。为区别起见，通常称为结构单元。煤结构单元的外围部分主要是含氧（还有少量硫和氮）官能团和烷基侧链。 2127羧基（-COOH):它是褐煤的特性官能团，有酸性，且比乙酸强。测定方法如下：酚羟基（-OH）：一般认为，
46、绝大多数煤只含酚羟基而无醇羟基。他们存在于泥炭、褐煤和烟煤中。羰基：羰基无酸性，在煤中分布很广，从泥炭到无烟煤都含有羰基。128甲氧基（-OCH3):它仅存在于泥炭和软褐煤中，能和HI反应生成CH3I，再用碘量法测定。醌基：它是羰基的一种形式，有氧化性，还没有标准测定方法，也难以测定。醚键：它不属于官能团，但可以测定。 然后测定煤中增加的羟基或测定与煤结合的碘。129 煤中的含氧官能团随煤化程度的增加而急剧降低，其中以羟基为最多，其次是羰基和羧基。在煤化过程中，甲氧基首先消失，接着是羧基，它在典型烟煤中已不再存在。图中其它氧主要是指醚键和杂环氧。130煤的性质与氧相似，所以煤中的含硫官能团种类
47、与含氧官能团差不多。所以硫含量比氧含量低，加上分析测定方面的困难，故煤中的硫的分布尚未完全弄清。 表3-8列出了几种美国煤有机硫的形态分布。131总述总述第二篇第二篇 燃烧反应计算燃烧反应计算第四章第四章 空气需要量和燃烧产物生成量空气需要量和燃烧产物生成量第五章第五章 燃烧温度燃烧温度132按照燃料中可燃物分子与氧化剂分子进行按照燃料中可燃物分子与氧化剂分子进行化学反应的反应方程式，根据物质平衡和热量化学反应的反应方程式，根据物质平衡和热量平衡的原理，确定燃烧反应的各参数。平衡的原理，确定燃烧反应的各参数。 主要参数有：主要参数有：1.1.单位数量燃料燃烧所需的氧化单位数量燃料燃烧所需的氧化
48、剂的数（空气或氧气）；剂的数（空气或氧气）；2.2.燃烧产物的数量、成分；燃烧产物的数量、成分；3.3.燃烧温度；燃烧温度；4.4.燃烧完全程度。燃烧完全程度。 这些参数在热工研究，炉子设计和生产操这些参数在热工研究，炉子设计和生产操作中都应掌握。作中都应掌握。133二、燃烧计算的条件二、燃烧计算的条件 1. 1.燃烧反应计算需要知道燃烧反应计算需要知道燃料成分燃料成分，并且是应用成分，并且是应用成分（对固、液体燃料）或湿成分（对气体燃料）；如果（对固、液体燃料）或湿成分（对气体燃料）；如果原始数据不是这样的成分，则首先要进行必要的成分原始数据不是这样的成分，则首先要进行必要的成分换算。换算。
49、2. 2.氧化剂氧化剂。在工业炉中多数是用空气，少数情况下也。在工业炉中多数是用空气，少数情况下也有用氧气或富氧空气。空气成分主要是氧气和氮气，有用氧气或富氧空气。空气成分主要是氧气和氮气，还有少量氩、氙、氖、氦等稀有气体及二氧化碳气体。还有少量氩、氙、氖、氦等稀有气体及二氧化碳气体。计算中假定干空气的成分按质量为：氧占计算中假定干空气的成分按质量为：氧占23.2%23.2%，氮占，氮占76.8%76.8%；按体积氧占；按体积氧占21%21%，氮占，氮占79%79%，空气中水蒸汽的，空气中水蒸汽的含量通常可以按某温度（大气温度）下的饱和水蒸汽含量通常可以按某温度（大气温度）下的饱和水蒸汽含量计
50、算。含量计算。134三、化学配平关系三、化学配平关系燃料在燃烧室中燃料在燃烧室中不一定不一定都能按照化学方程式中都能按照化学方程式中的比例来完成。例如，当空气量供应不足时，的比例来完成。例如，当空气量供应不足时，将会有一些可燃物分子不能被充分氧化而生成将会有一些可燃物分子不能被充分氧化而生成H H2 2、COCO等等。等等。燃烧反应计算属于燃烧燃烧反应计算属于燃烧静力学静力学计算，仅就化学计算，仅就化学反应的反应的平衡状态平衡状态计算。因此，在以后的燃烧计计算。因此，在以后的燃烧计算中，将假定燃料和氧化剂均匀混合，达到分算中，将假定燃料和氧化剂均匀混合，达到分子接触，而燃料数量和氧化剂数量的关
