2025年大学《能源化学》专业题库- 煤化学研究与燃烧机理分析

2025年大学《能源化学》专业题库——煤化学研究与燃烧机理分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填入括号内）1.下列哪种元素含量过高通常会导致煤燃烧时产生较多的SO₂？(A)碳(C)(B)氢(H)(C)氧(O)(D)硫(S)2.在煤的热转化过程中，挥发分开始大量释放的温度范围通常被称为：(A)温度平台区(B)固定床区(C)挥发分区域(D)着火温度3.煤的工业分析中，"Mad"表示：(A)水分(B)灰分(C)挥发分(D)固定碳4.对于同一种煤，其高位发热值通常比低位发热值：(A)更低(B)相等(C)更高(D)无法比较5.在煤的燃烧过程中，下列哪种物质是气相燃烧的主要产物？(A)焦炭(B)二氧化碳(CO₂)(C)灰分(D)水蒸气6.Boudouard反应指的是：(A)水煤气反应(B)一氧化碳分解反应(C)甲烷热解反应(D)挥发分与焦炭的反应7.煤燃烧过程中，NOx的主要生成机理是：(A)热力型NOx(B)光化学型NOx(C)燃料型NOx(D)以上都是8.下列哪种技术主要利用了焦炭与氧气在高温下的反应？(A)煤气化(B)煤液化(C)煤干馏(D)煤直接燃烧9.在流化床燃烧中，固体物料（床料）呈现类似流体状态的现象称为：(A)膨胀(B)沸腾(C)鼓泡(D)搅拌10.能够有效降低燃烧温度，从而抑制NOx生成的燃烧技术是：(A)分级燃烧(B)低氧燃烧(C)燃料分级燃烧(D)以上都是二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填入横线处）1.煤主要由碳、氢、氧、氮和硫元素组成，此外还含有__________和__________。2.煤的工业分析包括水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和__________。3.煤的热解是指在隔绝或有限空气条件下，煤受热分解生成焦炭、煤气和煤焦油的过程。4.煤燃烧过程中，挥发分首先释放出来并着火燃烧，随后焦炭与残留气体及氧气发生反应。5.污染物SO₂主要是在煤燃烧时，煤中的__________与氧化剂（通常是O₂）反应生成的。6.影响煤燃烧过程的主要因素包括煤的性质、燃烧温度、氧气浓度和__________。7.煤的元素分析中，氢含量是计算煤发热值的重要依据之一。8.选择性催化还原（SCR）技术是控制NOx排放的一种常用方法，其反应通常在催化剂存在下进行。9.煤炭气化是将煤炭转化为含有CO、H₂等可燃气体和CO₂、N₂等非可燃气体的过程。10.煤焦油是煤热解过程中产生的一种复杂的黑色粘稠液体，含有多种有机化合物。三、简答题（每题5分，共15分。请简明扼要地回答下列问题）1.简述煤中水分存在的形式及其对煤燃烧的影响。2.简要说明煤燃烧过程中NOx的主要生成途径及其影响因素。3.与传统炉排炉燃烧相比，流化床燃烧具有哪些优点？四、计算题（每题10分，共20分。请列出计算步骤并给出结果）1.某煤样经工业分析测定如下：Mad=5.0%,Vad=25.0%,Aad=30.0%。已知该煤样的收到基低位发热值为23.0MJ/kg。请计算该煤样的收到基元素分析中氢的质量分数（H）。（提示：Mad+Vad+Aad+Fad=100%；收到基高位发热值约比收到基低位发热值高20-25%。）2.在一个恒容燃烧体系中，1摩尔的甲烷（CH₄）在纯氧中完全燃烧，反应方程式为：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O。假设反应前体系温度为298K，压强为1atm。请估算该反应的标准焓变（ΔH<0xE2><0x82><0x9F>）。（提示：可参考标准生成焓数据：ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CO₂)=-393.5kJ/mol,ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(H₂O,l)=-285.8kJ/mol,ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CH₄)=-74.8kJ/mol）。五、论述题（15分。请结合所学知识，全面、深入地回答下列问题）煤燃烧是一个复杂的多相、多步反应过程。试结合挥发分释放、焦炭反应和污染物生成等关键环节，论述影响煤燃烧效率的主要因素，并提出至少两种提高燃烧效率、同时减少污染物排放的综合措施，并简述其原理。试卷答案一、选择题1.(D)2.(D)3.(A)4.(C)5.(B)6.(B)7.(D)8.(D)9.(B)10.(D)二、填空题1.灰分硫2.固定碳3.温度4.着火5.硫6.燃烧方式（或空气供给方式）7.发热值8.催化剂9.氧化剂（或空气）10.挥发分三、简答题1.煤中水分主要以自由水（吸附水）和化合水（结晶水）形式存在。自由水易蒸发，吸收大量热量，延缓挥发分析出和着火；化合水需要在更高温度下才能分解，同样消耗热量，并可能影响燃烧稳定性。水分含量越高，对燃烧越不利。2.煤燃烧过程中NOx主要生成途径包括：①热力型NOx：在高温下（>1300°C），空气中的N₂和O₂直接反应生成，与燃烧速率关系不大。②燃料型NOx：煤中的氮（主要在挥发分中）在燃烧高温下转化为NOx，与燃料中碳含量和燃烧温度正相关。③快速型NOx：挥发分中的含氮化合物与O₂快速反应生成NOx。主要影响因素包括燃烧温度、氧气浓度（或气氛）、燃料性质（含氮量、挥发分含量）、燃烧方式（如是否有空气分级、燃料分级）。3.流化床燃烧相比传统炉排炉燃烧的优点主要有：①燃烧温度较低（通常600-900°C），有利于抑制NOx生成，且对设备材质要求较低。②燃料适应性广，可以燃烧低质、高灰、含硫磷高的煤，甚至废弃物。③燃烧效率高，床内湍流强烈，传热传质效果好。④易于实现污染物（SO₂、NOx、粉尘）的有效脱除。四、计算题1.解：*煤样挥发分与灰分之和：Vad+Aad=25.0%+30.0%=55.0%*根据工业分析：Mad+Vad+Aad+Fad=100%，则固定碳Fad=100%-(Mad+Vad+Aad)=100%-(5.0%+25.0%+30.0%)=40.0%*计算收到基高位发热值（HHV）：HHV≈23.0MJ/kg×(1+0.25)=28.75MJ/kg（取整为28.8MJ/kg）*1kg收到基煤中各组分质量：M=5.0%,A=30.0%,V=25.0%,FC=40.0%*1kg煤中氢的质量分数H=(收到基氢含量)/100%=(HHV-8.4×(收到基碳含量+收到基氧含量))/1000（注：8.4kJ/g为氢燃烧热）*但更常用方法是利用元素分析（需通过工业分析换算或假设）或直接从高位热值估算。这里用比例关系近似：*碳氢燃烧放热：C+O₂→CO₂+8.4kJ/molH₂→H₂O+8.4kJ/mol*碳含量约等于固定碳：收到基碳≈40.0%*氢含量估算：收到基氢含量≈(HHV-收到基碳含量×32.0kJ/mol)/8.4kJ/mol=(28.8MJ/kg-40.0kg/kg×32.0kJ/mol)/8.4kJ/mol≈(28.8×1000kJ/kg-1280kJ/kg)/8.4kJ/mol≈1600/8.4≈190.5kg/kg*换算为百分比：H≈190.5/1000×100%≈19.1%**修正：上述估算方法不严谨，直接从工业分析出发计算氢含量更准确。收到基氢含量H=HHV/8.4-32×(收到基碳+收到基氧)/100。需先计算收到基氧含量。**收到基氧含量O=100%-(Mad+Aad+Vad+Fad)=100%-(5.0%+30.0%+25.0%+40.0%)=0%（此假设煤中无氧，与实际不符，通常煤含氧，此题计算有误，应重新审视或假设。）**更正计算思路：*直接使用工业分析和HHV估算。1kg煤燃烧放热28.8MJ，其中碳燃烧约放热40kg×32kJ/mol/12mol≈1067kJ，氢燃烧约放热Hkg×8.4kJ/g。设H%为氢含量，则28800=10667+H%×8400。解得H%≈(28800-10667)/8400≈17133/8400≈2.04%。**最终采用近似方法：*假设煤中氢燃烧释放的热量占HHV的某个比例，或者直接利用工业分析结果和经验估算。根据经验，煤中氢含量通常在2-4%之间。结合此煤样高挥发分和较高发热值，氢含量可能在3%左右。此处答案给2.04%过于低，采用经验值。*答案：H≈3.0%（基于经验估算）2.解：*写出反应方程式：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O(l)*查阅标准生成焓（ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>），单位通常为kJ/mol：*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CO₂)=-393.5kJ/mol*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(H₂O,l)=-285.8kJ/mol*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CH₄)=-74.8kJ/mol（注意：这里给出的数据可能为燃烧焓ΔH<0xE1><0xB5><0x8D>，需注意区分）*O₂的标准生成焓为0，因为它被视为元素单质。*标准反应焓变（ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>）计算公式：ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=ΣΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(生成物)-ΣΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(反应物)*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=[1×ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CO₂)+2×ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(H₂O,l)]-[1×ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(CH₄)+2×ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>(O₂)]*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=[1×(-393.5)+2×(-285.8)]-[1×(-74.8)+2×0]*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=[-393.5-571.6]-[-74.8]*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=-965.1+74.8*ΔH<0xE2><0x82><0x9F><0xE2><0x82><0x8B>=-890.3kJ/mol五、论述题煤燃烧是一个涉及挥发分与焦炭两个并行体系，以及气相与固相相互作用的复杂物理化学过程。其效率受多种因素影响，主要包括：①煤的性质，如挥发分含量、灰分熔点、元素组成（特别是碳氢比、氮硫含量）、大分子结构等。挥发分含量高、易燃、灰熔点低的煤燃烧效率通常较高。②燃烧条件，如温度、氧气浓度、空气供给方式（如分级供给、富氧燃烧）、燃烧方式（层燃、悬浮燃烧、流化床燃烧）。高温有利于挥发分析出和燃烧，但易生成NOx；适宜的氧气浓度和湍流有利于燃烧完全；空气/燃料分级可以降低局部氧浓度和温度，抑制NOx生成。提高燃烧效率、减少污染物排放的综合措施：1.空气分级燃烧（AirStaging）：将空气分为两股或多股，一部分在燃料着火前喷入，另一部分在火焰后喷入。前期低温空气使燃料部分氧化，减少后