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c f b 锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究一浙江大学博士学位论文 摘要 以一种典型福建无烟煤一龙岩煤为对象，从理论和试验两方面较为系统地研究了与影响福建 无烟煤在c f b 锅炉中洁净燃烧问题特别是燃尽问题有关的若干因素。全文的研究主要包括有五 部分内容( 1 ) 研究背景及相关研究综述；( 2 ) 福建无烟煤及其燃烧性质测量；( 3 ) 锅炉飞灰及 其含碳性质分析；( 4 ) 锅炉运行特性的影响研究；和( 5 ) 理论分析与计算模拟。 首先介绍了研究背景。分析c f b 锅炉燃烧无烟煤的特点，指出燃烧无烟煤c f b 锅炉存在的问 题与原因，综述了影响无烟煤在c f b 锅炉中。燃尽”的煤质及其燃烧特性和锅炉运行特性等方面 的研究情况。特别是关于无烟煤流化床燃烧中的破碎研究。 关于福建无烟煤及其燃烧性质的研究方面。首先用浮选法对龙岩煤入炉煤进行分选，得到密 度不同、能代表不同宏观煤岩的颗粒。利用工业分析，元素分析、煤岩分析、电子显微镜扫描分 析、压汞仪测试、热天平分析、和小型流化床燃烧试验等手段研究了不同岩相颗粒的显微组分分 布、颗粒表面形貌及内部孔隙结构、热天平着火温度及燃尽温度、反应性等颗粒性质及燃烧性质； 并分别在热天平和自制小型流化床上研究了不同岩相龙岩煤颗粒的熟破碎特性。分析了造成福建 无烟煤燃烧中发生强烈热破碎的原因。归纳了不同岩相颗粒热破碎的特点，研究了影响福建无烟 煤热破碎的因素，总结了热破碎随燃烧时间演化的规律。其次是研究福建无烟煤的反应动力学参 数利用热天平实验测试数据分别采用f r g 目m a a - c a r r o l l 微分法、改良c o m s - r e d f e r n 积分法和 f l y n n - w a l l o z a w a 法等热分析手段求解4 种无烟煤的燃烧动力学参数。研究不同热天平试验工况、 不同处理方法和不同拟合区间等对求解结果的影响，分析用不同热分析方法求解反应动力学参数 的可靠性并计算得到了几种典型福建无烟煤的燃烧反应动力学参数# 再次是研究流化床燃烧中无 烟煤焦的反应性随燃尽度的变化。提出了一个可用于比较煤焦反应性的通用判据一最大比失重 速率，通过非等温热天平实验，采用最大比失重速率对不同煤种、同一煤种的不同宏观煤岩和同 一种煤岩不同燃烧时间煤焦等的反应性进行了判断，并与用其它判据的比较结果作了对比；重点 研究了流化床燃烧中不同燃尽度亮煤煤焦的反应性随时闻变化情况。 对锅炉的飞灰及其含碳性质的分析则以当前燃烧福建无烟煤的三台工业c f b 锅炉的飞灰为对 象，通过筛分、称重、灼烧等手段分析了飞灰的粒径和含碳量分布：利用场发射扫描电子显微镜 ( s e 帅观察、电子探针能谱分析( e d x ) 、热天平测试、和小型流化床燃烧试验等手段研究了飞灰颗 粒的表面形态及颗粒性质、比较了飞灰碳与相应入炉煤的反应性，讨论了飞灰碳的来源。 针对于锅炉运行特性参数对福建无烟煤洁净燃烧的影响，则主要研究了入炉煤颗粒径分布、 飞灰回燃、过量空气系数和二次风率调整、添加石灰石脱硫等几种情况：一是在一台2 0 讹的第 一代循环流化床锅炉上测试了三种不同平均粒度分布入炉煤的燃烧情况。研究入炉煤粒度分布对 福建无烟煤燃尽的影响。得到入炉煤平均颗粒径变化对c f b 锅炉炉膛稀相区的燃烧情况，对炉膛 内温度分布和煤燃尽效果等的影响规律；二是研究了飞灰回燃对锅炉运行特别是飞灰含碳量及 燃烧效率的影响。理论分析了飞灰回燃对c f b 锅炉燃烧效率的影响，并在一台7 5 t h 采用两级飞 灰分离装置的第三代工业循环流化床上测试了飞灰回燃对锅炉返料器运行温度、飞灰的粒度分布 及其含碳星、和锅炉燃烧效率及其它运行参数的影响。得到飞灰匣】燃量与飞灰含碳量和锅炉燃烧 摘要 效率的关系；三是研究调整锅炉运行参数对洁净燃烧的影响。在一台7 5 t h 的采用中温旋风飞灰 分离装置的第三代工业循环流化床锅炉上测试了调整过量空气系数和二次风率等参数对燃用福 建无烟煤的c f b 锅炉运行中n o x 、s 0 2 、c o 等污染物捧放及锅炉飞灰含碳量的影响，得到了锅 炉运行参数对无烟煤燃烧中污染物排放及飞灰含碳量的影响规律；最后是研究燃烧福建无烟煤 的c f b 锅炉炉内脱硫问题。在一台3 5 t 1 1 第三代工业循环流化床锅炉上进行了炉内添加石灰石混 烧的脱硫试验，测试钙硫比和石灰石颗粒径等参数变化对脱硫及锅炉运行的影响。 最后。在理论分析与计算模拟方面，主要分析了粒径对无烟煤颗粒在c f b 锅炉中燃尽的影响。 讨论不同宏观煤岩福建无烟煤颗粒在c f b 锅炉中的燃烧行为及其对飞灰碳生成的贡献，研究了细 颗粒煤焦在c f b 锅炉燃烧室的燃尽特性，并针对于c f b 的燃烧特点，在考虑质量与能量平衡、炉 内流体动力特性、锅炉特点及分离器性能等因素的基础上，建立了细无烟煤颗粒的燃烧模型并进 行了数值求解。研究了燃烧温度、过量空气系数、炉膛烟气流速、分离器效率等参数变化对飞灰 舍碳的影响。并与工业实际运行结果进行了对比。 关键词： 福建无烟煤；颗粒性质； 燃烧性质；流化床；热分析；c f b 锅炉；运行特性；燃尽特性； c f b 锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究一浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t a k i n gl o n g y a nc o a l at y p i c a lf u j i a na n t h r a c i t ea s e x a m p l e t h e s ef a c t o r sw h i c h e f f e c to nt h ec l e a nc o m b u s t i o no ff u j i s ua n t h r a c i t e ，e s p e c i a l l yi t sb u r n o u ti nc f bb o i l e r , w a se x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hi n c l u d e st h e f o l l o w i n gf i v ep a r t so fc o n t e n t s ：( 1 ) a ni n t r o d u c t i o no nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n d a l lo v e r v i e wo fc o r r e l a t i v es t u d i e s ；( 2 ) s t u d yo nt h ep a r t i c l eo ft y p i c a lf u j i a na n t h r a c i t e a n di t sc o j b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；( 3 ) f l ya s ho fc f bb o i l e rb u r n i n gf u j i a na n t h r a c i t e a n di t sr e s i d u a lc a r b o na n a l y z e d ；( 4 ) c l e a nc o m b u s t i o no ff u j i a na n t h r a c i t ei nc f bb o i l e r e f f e c to fr u n n i n gc h a r a c t e r & o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n d ( 5 ) c h a rp a r t i c l ec o m b u s t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ； t h er e s e a r c hb a c k g r o u n dw a si n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r c h a r a c t e r o fc f bb o i l e rb u r n i n gf u j i a na n t h r a c i t ea n ds o m eo ft h er e l a t e dr u n n i n gp r o b l e m sw e r e a n a l y z e d 。锄o v e r v i e w - c a s to nt h es t u d yo ft h e s ef a c t o r ss u c ha sc o a lp r o p e r t y ， c o a lc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u n n i n gc h a r a c t e ro fb o i l e rw h i c hc a l le f f e c to nt h e b u r n o u to fa n t h r a c i t e ，s p e c i a l l y ，t h er e s e a r c ho nt h et h e r m a lf r a g m e n t a t i o no f a n t h r a c i t ed u r i n gc o m b u s t i o ni nf l u i d i z e db e dc o m b u s t o rw a sa l s os u m m a r i z e d f o rt h es t u d yo ft h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl o n g y s uc o a l ，t h ef l o t a t i o nm e t h o d w a su s e dt os e p a r a t et h ed i f f e r e n tl i t h o t y p e sf r o mf e e d i n gc o a l ，a n dp a r t i c l e sw i t h d i f f e r e n ts i z ea n dd e n s i t yw e r eo b t a i n e d b yp r o x i m a t ea n du l t i m a t ea n a l y s i s 。 p e t r o g r a p h i c a la n a l y s i s ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ea n a l y s i s ，m e r c u r yp o r o s i m e t e r a n a l y s i s ，t ga n a l y s i sa n dp i l o ts c a l ef l u i d i z e db e dc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t ，t h e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r t i c l ep r o p e r t i e so fl o n g y a nc c u lw i t hd i f f e r e n t l i t h o t y p ew e r es t u d i e d , i n c l u d i n gt h es u r f a c ef i g u r ea n dp o r es t r u c t u r eo fp a r t i c l e ， t h em a c e r a lc o n t e n t ，t h ei g n i t i o na n db u r n o u tt e m p e r a t u r e ，a n dt h er e a c t i v i t y ，a c t f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m a lf r a g m e n t a t i o np r o p e r t i e so fl o n g y a na n t h r a c i t ep a r t i c l ew i t h d i f f e r e n tl i t h o t y p e sd u r i n gp y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o nw e r em e a s u r e dr e s p e c t i v e l yi na t h e r m o b a l a n c ea n dp i l o t s c a l ef l u i d i z e db e dr e a c t o r ，t h er e a s o no ff r a g m e n t a t i o nd u r i n g c o m b u s t i o ni nc f bw a sa n a l y z e 正t h ef r a g m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h o s ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h er e s u l to ff r a g m e n t a t i o nw e r es t u d i e d a n dt h ev a r i a t i o no ff r a g m e n t a t i o n w i t hc o m b u s t i o nt i m ew a sa l s od i s c u s s e d u s i n gd a t e so b t a i n e df r o mt g ae x p e r i m e n t ，t h er e a c t i o nk i n e t i c sp a r a m e t e r so ff u j i n n a n t h r a c i t ew a ss t u d i e 正t h e w et h e r m o a n a l y s i st o o l ss u c ha sf r e e m a n - c a r r o l id i f f e r e n t i a l m e t h o d i m p r o v e dc o a t s r e d f e r ni n t e g r a lm e t h o d a n df l y n n - w a l l 0 z a m am e t h o dw e r e i n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h ek i n e t i cp a r a m e t e r so fr e a c t i o mt h ee f f e c to ft h e s ef a c t o r s s u c ha st h et h e r m o a n a l y s i sm e t h o du s e d ，t h eh e a t i n gr a t ei nt g ae x p e r i m e n tc h o s e n ，a n d t h ec o r r e l a t i v er e a c t i o na r e as e l e c t e do nt h ek i n e t i c sp a r a m e t e r sc o r r e l a t e dw e r e d i s c u s s e d ，t h ea u t h e n t i c i t yo ft h ek i n e t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t e df r o mt h e s ed i f f e r e n t t h e r m o a n a l y s i sn e t h o dw a sa n a l y z e da n dt h ek i n e t i c sp a r a m e t e r so f3k i n d so ff u j i a n a n t h r a c i t ew e r ec o r r e l a t e d v a r i a t i o no ft h er e a c t i v i t yo fc h a rw i t ht i m ef o rf u j i a na n t h r a c i t ed u r i n g i l l a b s t r a ( 玎 。1 c o m b u s t i o ni naf l u i d i z e db e dw a sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r ap a r a m e t e rc a l l e d t h es p e c i f i cm a x i m u mw e i g h tl o s sr a t ew h i c hd e f i n e da st h eq u o t i e n to ft h em a x i m u mw e i g h t l o s sr a t ei nn o n i s o t h e r m a lt g ae x p e r i m e n tt ot h ef i x e dc a r b o nc o n t e n to fc o r r e s p o n d i n g s a m p l ew a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra sac r i t e r i o nt oj u d g et h er e a c t i v i t yo f c h a r t h r o t i g han u m b e ro fn o n - i s o t h e r m a lt g ae x p e r i m e n t ，t h er e a c t i v i t yo fd i f f e r e n tk i n do f c o a l ，c o a lw i t hd i f f e r e n tl i t b o t y p e ，o rc h a rw i t hd i f f e r e n tc a r b o nc o n v e r s i o nr a t ew e r e c o m p a r e db yu s i n gt h i sc r i t e r i o n ，a n dt h er e s u l tw e r ea n a l y z e da n dc h e c k e dw i t ht h a t o b t a i n e df r o bo t h e re r i t e r i o at h ev a r i a t i o no fc h a rr e a c t i v i t yo fl o n g y a ne l a r a i nw i t h d i f f e r e n tc a r b o nc o n v e r s i o nr a t ew e r es t u d i e dw i t ha ne m p h a s i s a s f o rt h er e s e a r c ho f t h ep r o p e r t i e so ff l ya s h a n di t sc o r r e s p o n d i n gr e s i d u a l c a r b o n ，3k i n d so ff l ya s hf e t c h e df r o mc o m m e r c i a lc f bb o i l e rb u r n i n gf u j i a na n t h r a c i t e w e r es e l e c t e d u s i n gt h es t a n d a r dd r y s i e v i n gt e c h a i q u e sa n dl o im e t h o d t h es i z e s d i s t r i b u t i o no fa s ha n dt h ec a r b o nc o n t e n t so fd i f f e r e n ts i z ef r a c t i o n sw e r em e a s u r e d ， a n db yt h eh e l po fs e m 曲s e r v a t i o na n 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f u r i z i n ga g e n t ，t h ee f f e c t so fv a r i a t i o no fc a sc r a t i oi nm 0 1 ) a n ds i z eo f l i m e s t o n ep a r t i c l eo nt h ed e s u l f a r i z a t i o ne f f i c i e n c ya n do no t h e rr u n n i n gp a r a m e t e r s o fb o i l e rw e r es t u d i e l f o rap u r p o s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h ec h a rp a r t i c l e c o m b u s t i o np r o c e s s ，t h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo nt h eb u r n o u to fa n t h r a c i t ew a sa n a l y z e d ， t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff u j i a na n t h r a c i t ep a r t i c l ew i t hd i f f e r e n tl i t b o t y p e s a n di t sc o n t r i b u t i o nt ot h ef o r m a t i o no ff l ya s hc a r b o nw a sd i s c u s s e d ft h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ff i n ec h a rp a r t i c l ei nt h ef u r n a c eo fc f bb o i l e rw a ss t u d i e d m o d e l f o rt h ec o m b u s t i o no ff i n ea n t h r a c i t ep a r t i c l ew a se s t a b l i s h e d ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r o fc f bw a sc o n s i d e r e da n dt h e s ef a c t o r ss u c ha s 哪sb a l a n c e 。e n e r g yb a l a n c e ，h y d r o d y n a m i c ， c h a r a c t e ro fb o i l e r ，p e r f o r m a n c eo fc y c l o n e , e c t ，w e r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t t h em o d e l w a nn u m e r i c a lr e s o l v e da n dt h ee f f e c to fc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ， g a sv e l o c i t yi nf u r n a c ea n dt h ee f f i c i e n c yo fc y c l o n eo nt h ec a r b o nc o n t e n to ff l ya s h w e r es t u d i e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h a tf r o mi n d u s t r ya n dag o o d c o n f o r m i t yw a sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ： f u j i a na n t h r a c i t e ；p a r t i c l ep r o p e r t i e s ： c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ； b e dc o m b u s t i o n ：t h e r m o a n a l y s i s ； c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e ri p a r a m e t e r s ；b u r n o u t v f l u i d i z e d o p e r a t i n g 符号表 英文字母 爿：入炉煤空干基含灰量，； 4 t 细煤焦颗粒的原始含灰量； a r ：阿基米德数曲= 吒3 岛( 见一p s ) g 印； a ：沿炉膛高度的氧气浓度衰减系数； b ：煤空干基可燃物份额； b t ：热天平燃尽温度， c 一灰空千基可燃物份额； c a ，s ；钙硫摩尔比 c d ，阻力系数； t 有飞灰回燃时的炉渣含碳量，； o 。无飞灰回燃时的炉渣含碳量，# 巳； 有飞灰回燃后的飞灰古碳量，； 符号表 q 。 无飞灰回燃时的飞灰含碳，； ( 。入炉煤含碳，# ( t 回燃飞灰自身的含碳，； 。捧放飞灰的含碳量，； g n ，颗粒周围氧气浓度，k 咖； d 口：氧在灰壳中的扩散系数，m 即s # 4 t 气体在无灰壳时的理论计算扩散系数， ； 成：煤焦颗粒初始直径。m ； 以；理论切割粒径。m ； z zf 时刻焦中炭的直径，m ； 毛：煤颗粒的i 临界流化直径，m ； 以：焦炭粒子初始粒径，m ； m ：t 时刻样品的质量5 脚，f 时刻含灰煤焦颗粒的质量，k g m o ： 样品初始时刻质量； 珥d ；初始时刻煤焦颗粒的质量，k g = 嘲；f 时刻焦炭的质量，砚= ( 巧喊3 ) 6 ，k 昏 ”k ： 反应终止时样品质量； ；颗粒在燃烧室中的总循环次数； m ： 回燃灰与入炉爆质量比； 玎：表观反应级数； ，外旋流速度分布指教，可取o 5 口o 7 5 # p t l热天平燃烧出现最大失重速率的峰值温度， c f b 锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究一浙江大学博士学位论文 厶z 进逸出分离器时刻焦炭颗粒的粒径，m ； el 表观活化能，j l m o l ： ：燃饶效率i e ，煤焦颗粒中固定碳含量，k 眺g ， f c ：试样干燥无灰基含碳； o 有灰壳时实测扩散系数和无灰壳时理论计算扩散 系数的比值； z ：化学当量系数，( 1 【g 燃料k g 氧) ， fc a ) ：反应机理函数； g ：重力加速度，g = 9 8 1 m 2 1 s ； “出转化翱数积分) = 骗。 县。炉膛高度，m 。 h ：焦炭颗粒与周围烟气的对流换热系数，舒k # r r 。热天平着火温度，； 七l 反应速度常数。m s 1 ：频率因子，m ，s 屯。化学反应速度，m s ； k ；焦炭颗粒燃烧比速度，k g l m s s ； l o g 【( 毛瑚：表征反应性参数； 朋：i 碳的摩尔质量，m c 一1 2 咖叫； 希腊符号 a ： 反应虎口等( ，一肼) “，一。) ； q 。 有飞灰回燃时的炉渣份额，； 掣： 无飞灰回燃时的炉渣份额， # ：温升速率，k m i n ； , 8 0 ：对流传质系数m ，s 尾： 刨燃飞灰量占飞灰总质量的份额，； 盯：波尔兹曼常数，= 5 6 7 x 1 0 4 ( j 1 2 k 4 ) ； l 写：反应开始时刻温度，k ； 0 t 表征反应性温度，； 巧：颗粒周围炉膛烟气湿度 k ； z ：样品在任一时刻i 的反应温度x # 乙，焦炭颗粒温度，k ； 乙t 炉膛水冷壁面温度，取己= 弓，k ； 甜，2 漉化速度，m ，s ； ：炉膛烟气流速，m s ； 矿。最小流化速度，m s 。 够却。煤颗粒在烟气中的漂移速度，m s i i 颗粒飞出速度，m s ； 玑，颗粒运动终端速度，m 概 。有飞灰回燃时的飞灰质量，k g ： o l 无飞灰回燃时的飞灰质量，k g ； 矸。入炉煤质量，k g ； 矸o 无飞灰回燃时入炉煤的质量，k g 玎0t 回燃飞灰的质量，k g ； ：有飞灰回燃时的捧渣量，k 勘 o ，无飞灰回燃时的捧渣量，k g 啊( 以) ：分离器的分级效率； 占，稀相区平均空隙率；取占= 0 9 5 ； 0 。焦颗粒辐射率，取0 = 0 8 5 l 孝：灰壳厚度，# = ( d j 一4 ) ，2 m ； 五；过量空气系数 乃：煤焦颗粒导热系数，w m - k ； 以：烟气运动粘度，k g , m s 符号表 。 述逸出分离器时刻焦炭颗粒与灰颗粒的质量尸p 。煤焦颗粒密度，k g m 3 ； 比： ：回归相关系数 口k ，颗粒对壁面辐射角系数，取9 2 1 。 t 烟气牯度，m z s ； r 。 有飞灰回燃时锅炉的燃烧效率，； 矿； 无飞灰回燃时锅炉的燃烧效率。： 岛：高温烟气密度，i 唱m 3 ： f 0 ：颗粒完成一次循环燃烧的时间，吒= 弓+ 毛，s ； t ：反应时间。s ； f lt 颗粒在燃烧室内的停留时间，s ； f 2 ：颗粒在外循环阿路的停留时问，取 v m 学号! q 2 q 8 0 3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签名吻荔脏字嗍 2 0 0 5 t i z0 9 , 91 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：形可易句 导师签名：杏岛c 乞 签字日期：2 0 0 5 年9 月1 7 日签字日期：3 - 年i f 月如日 第一章绪论 第一章 1 1 绪论 引言 1 1 1关于无烟煤 煤炭是我国主要的能源资源，在一次能源结构中，煤约占7 5 * * 。目前，我国的7 0 电能来自 煤炭；在可以预见的将来，我国以燃煤电站为主的电力结构在未来较长时间内将不会改变。 在我国的煤炭储藏中，无烟煤占有较大的份额，约为2 4 2 。在已探明的煤炭保有储量中， 无烟煤有3 6 0 0 多亿吨，其贮量仅次于烟煤。 无烟煤是埋藏年代最久，碳化程度最深、挥发分最低的一个煤种。典型的无烟煤具有含碳量 高、发热量高、灰融点高和低挥发份，低