燃料与燃烧--全书

1、燃料及燃烧学燃料及燃烧学 授课教师：王淅芬授课教师：王淅芬 Email: 教材及参考书教材及参考书 燃料及燃烧燃料及燃烧，韩昭沧主编，冶金工业出版社，韩昭沧主编，冶金工业出版社，20072007， 第二版第二版 燃烧理论与技术燃烧理论与技术，刘联胜主编，化学工业出版社，刘联胜主编，化学工业出版社， 20082008，第一版，第一版 工程燃烧学工程燃烧学，汪军编著，中国电力出版社，汪军编著，中国电力出版社，20082008，第，第 一版一版 燃烧学燃烧学，徐通模编著，机械工业大学出版社，徐通模编著，机械工业大学出版社，20112011， 第一版第一版 内容概要内容概要 固体燃料固体燃料 射流混合

2、过程射流混合过程 空气需要量和空气需要量和 燃烧产物生成量燃烧产物生成量 液体燃料液体燃料 燃烧传播过程燃烧传播过程 气体燃料气体燃料 燃烧温度燃烧温度 燃烧反映速度和反应机理燃烧反映速度和反应机理 13 15 2 10 7 11 燃料及燃烧 着火过程着火过程 4 6 空气消耗系数及不完空气消耗系数及不完 全燃烧损失的检测计算全燃烧损失的检测计算 8 1 3 5 9 12 14 16 异相燃烧异相燃烧 火焰的结构及稳定火焰的结构及稳定 气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧 液体燃料的燃烧液体燃料的燃烧 固体燃料的燃烧固体燃料的燃烧 煤的气化煤的气化 第一篇第一篇 燃料概论燃料概论 第二篇第二篇 燃烧反

3、应燃烧反应 第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理 第四篇第四篇 燃烧方法与燃烧装置燃烧方法与燃烧装置 绪论绪论 获得热能获得热能 化石燃料，可再生能源，核能化石燃料，可再生能源，核能 热能转换热能转换 电能，动力，机械能，化学能电能，动力，机械能，化学能 热能利用热能利用 高效节能，安全合理高效节能，安全合理 环境保护环境保护 洁净技术，减少污染洁净技术，减少污染 热力发电厂的能量转换热力发电厂的能量转换 能源（化石及核燃料、新能源等）能源（化石及核燃料、新能源等） 锅炉或其他设备锅炉或其他设备 热能（蒸汽、燃气）热能（蒸汽、燃气）Thermal energy 原动机原动机 机械能机械能 M

4、echanical energy 发电机发电机 电电 能能 Electric energy 一、一、 能源形势能源形势 1. 1. 能源分类和品质能源分类和品质 能源分类：能源分类： 一次能源：自然界天然存在，没有经过加工转换的能源一次能源：自然界天然存在，没有经过加工转换的能源 可再生能源可再生能源太阳能，水力，风能，海洋能，潮汐能，地热，太阳能，水力，风能，海洋能，潮汐能，地热， 生物质能等生物质能等 非再生能源非再生能源原煤，原油，天然气，核燃料原煤，原油，天然气，核燃料 二次能源：由一次能源加工、转换而成的能源制品二次能源：由一次能源加工、转换而成的能源制品 电力、蒸汽、热水、煤气、焦

5、炭、汽油、煤油、电力、蒸汽、热水、煤气、焦炭、汽油、煤油、 柴油、重油、液化气、沼气、氢能柴油、重油、液化气、沼气、氢能 能源品质：能源品质：能流密度能流密度 kJ/kg(NmkJ/kg(Nm3 3) ) 、开发难度及费用、存储量、连、开发难度及费用、存储量、连 续供能、运输费用、污染危险、转换品质、可再生性、设备利用率。续供能、运输费用、污染危险、转换品质、可再生性、设备利用率。 2. 2. 中国能源资源现状中国能源资源现状 l我国能源我国能源-富煤富煤 贫油少气贫油少气 l煤为主要能源；煤为主要能源；6070%的一次能源来自煤，是世界上为数不多的几个以的一次能源来自煤，是世界上为数不多的几

6、个以 煤为主要能源国家之一；煤为主要能源国家之一；2005年煤炭在一次能源生产总量和消费总量中的比年煤炭在一次能源生产总量和消费总量中的比 重，分别为重，分别为76.3%和和68.7%；远远高于全球平均；远远高于全球平均27%和和27.8%； l一次能源分布：绝大部分化石燃料的储藏量和一次能源产量在干旱的三北，一次能源分布：绝大部分化石燃料的储藏量和一次能源产量在干旱的三北， 华北，西北和东北，而使用主要在东南沿海，需要大量的远距离输送。华北，西北和东北，而使用主要在东南沿海，需要大量的远距离输送。 l人口众多，能源相对不足，人均拥有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、人口众多，能源相对不足，人

7、均拥有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、 天然气人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的天然气人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的58.6、7.69和和7.05。 世界一次能源总供应中各类能源所占比例 BP世界能源统计世界能源统计2006的数的数 据表明，以目前的开采速度计据表明，以目前的开采速度计 算，全球石油储量可供生产算，全球石油储量可供生产40 年，天然气和煤炭则分别可以年，天然气和煤炭则分别可以 供应供应65年和年和162年。年。 我国与世界能源结构对比我国与世界能源结构对比 煤炭依旧为全球增长最快的燃料，中煤炭依旧为全球增长最快的燃料，中 国消费了全球煤炭的国消费了全球煤炭的36.

8、9%，其中几，其中几 乎全部产自中国本土。乎全部产自中国本土。2005年，中国年，中国 的煤炭消费增长了的煤炭消费增长了10.9%，比，比2004年年 14.4%的消费增长率有所降低。在中的消费增长率有所降低。在中 国以外的其他地区，煤炭的增长平缓，国以外的其他地区，煤炭的增长平缓， 2005年增幅为年增幅为1.8%，略高于过去，略高于过去10年年 1.5%的平均增长率。的平均增长率。 我国一次能源总供应中各类能源所占比例 地蕴天成地蕴天成 能量无限能量无限 风能机械能电能 风力机风力机 发电机发电机 太阳能热发电太阳能热发电 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通太阳能热发电是利

9、用集热器将太阳辐射能转换成热能并通 过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。 根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同， 该系统可以分为分散型和集中型两大类。该系统可以分为分散型和集中型两大类。 集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟 踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太 阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受阳，把入射光反射到位于场地中

10、心附近的高塔顶端的接受 器上。器上。 采用压水式反应堆的核电站采用压水式反应堆的核电站 采用压水式反应堆的核电站基本分为核岛、常规岛和核电站采用压水式反应堆的核电站基本分为核岛、常规岛和核电站 其他部分。由反应堆产生的核能会通过在核岛内的蒸汽发生器产生蒸其他部分。由反应堆产生的核能会通过在核岛内的蒸汽发生器产生蒸 汽，而核岛所供应的蒸汽会推动常规岛内的涡轮发电机发电。汽，而核岛所供应的蒸汽会推动常规岛内的涡轮发电机发电。 核电站其他部分则包括站内的辅助设备及附属设施等。核电站其他部分则包括站内的辅助设备及附属设施等。 核岛内的反应堆会进行核裂变，并产生热力，热力由一回路内的核岛内的反应堆会进行

11、核裂变，并产生热力，热力由一回路内的 高压水带到蒸汽发生器高压水带到蒸汽发生器( (即热交换器即热交换器) )，蒸汽发生器会将二回路给水转，蒸汽发生器会将二回路给水转 化为约化为约 6767巴巴( (或或 67006700千帕千帕) )的高压蒸汽，再经过蒸气管送到常规的高压蒸汽，再经过蒸气管送到常规 岛，以推动涡轮发电机。岛，以推动涡轮发电机。 在常规岛内，蒸汽会经过多级涡轮机，然后进入冷凝器。冷在常规岛内，蒸汽会经过多级涡轮机，然后进入冷凝器。冷 凝器再将蒸汽冷却成水，即凝结水凝器再将蒸汽冷却成水，即凝结水( (冷凝器的冷却水由泵房以海水泵冷凝器的冷却水由泵房以海水泵 从海中抽取从海中抽取)

12、 )。从冷凝器流出的凝结水。从冷凝器流出的凝结水( (即给水即给水) )会泵回核岛内的蒸汽会泵回核岛内的蒸汽 发生器，然后再次转化为蒸汽。在这过程中，蒸气会将涡轮发电机作发生器，然后再次转化为蒸汽。在这过程中，蒸气会将涡轮发电机作 高速转动高速转动( (广东核电站及岭澳核电站所采用的涡轮发电机的额定转速广东核电站及岭澳核电站所采用的涡轮发电机的额定转速 为每分钟三千转为每分钟三千转) )，从而产生电力及完成整个能源转化过程。，从而产生电力及完成整个能源转化过程。 二、可持续发展与科学发展观二、可持续发展与科学发展观 知识经济时代：知识经济时代： 信息科学技术信息科学技术 生命科学技术生命科学技

13、术 新能源与可再生能源新能源与可再生能源 新材料新材料 空间科学技术空间科学技术 海洋科学技术海洋科学技术 有利环境的科学技术有利环境的科学技术 管理科学技术管理科学技术 循环经济循环经济 三、三、 本课程的内容和要求本课程的内容和要求 1.1.基本知识：燃料性质基本知识：燃料性质 （1 1） 建立起燃料的科学概念建立起燃料的科学概念 （2 2）掌握各种燃料具体性质）掌握各种燃料具体性质 2.2.基本方法：基本方法： 燃烧静力学计算燃烧静力学计算 （1 1）掌握计算原理和方法）掌握计算原理和方法 （2 2）通过计算加深对燃料性质的了解）通过计算加深对燃料性质的了解 3.3.基本理论：燃烧机理基

14、本理论：燃烧机理 （1 1）掌握和理解基本概念）掌握和理解基本概念 （2 2）了解影响燃烧过程的因素）了解影响燃烧过程的因素 4.4.基本能力基本能力 （1 1）掌握燃烧方法）掌握燃烧方法 （2 2）燃烧装置的设计和工作原理）燃烧装置的设计和工作原理 5. 5. 学习要求学习要求 （1 1）正确地选择燃料）正确地选择燃料 （2 2）掌握燃烧计算方法）掌握燃烧计算方法 （3 3）组织燃烧过程）组织燃烧过程 （4 4） 设计燃烧装置设计燃烧装置 第一篇第一篇 燃料概论燃料概论 固体燃料固体燃料 液体燃料液体燃料 气体燃料气体燃料 燃料概论燃料概论 燃料：燃料：由自身内部结构发生变化或与其它物质反应

15、使之由自身内部结构发生变化或与其它物质反应使之 持续地转化为化学能或核能的物质总称。持续地转化为化学能或核能的物质总称。 通常概念：通常概念：在空气或氧气存在的情况下发生连续反应在空气或氧气存在的情况下发生连续反应 （氧化）而发热的单质（分子、原子）、化合物及混合（氧化）而发热的单质（分子、原子）、化合物及混合 物。物。 工业燃料的一般要求：工业燃料的一般要求： （1 1）在当前技术条件下，单位质量（体积）燃料燃烧时，）在当前技术条件下，单位质量（体积）燃料燃烧时， 单位时间内放出的热量要足够大，放热速度足够快，并单位时间内放出的热量要足够大，放热速度足够快，并 可以有效地加以利用；可以有效地

16、加以利用； （2 2） 燃烧产物为气态，热量包含其中，使之能够在燃烧燃烧产物为气态，热量包含其中，使之能够在燃烧 地点以外加以利用其热量；地点以外加以利用其热量； 物物 态态 天天 然然 的的 人人 造造 的的 固体燃料固体燃料木材、木材、 煤炭、可燃页岩煤炭、可燃页岩木炭、焦炭木炭、焦炭 液体燃料液体燃料石油石油汽油、煤油、柴油、焦油等汽油、煤油、柴油、焦油等 气体燃料气体燃料天然气天然气焦炉煤气、高炉煤气、发生焦炉煤气、高炉煤气、发生 炉煤气、石油液化汽等炉煤气、石油液化汽等 （3 3）燃烧产物对被加热物体没有不利作用，对人无害；）燃烧产物对被加热物体没有不利作用，对人无害； （4 4）燃

17、烧过程能被控制；）燃烧过程能被控制； （5 5）有足够的储藏量，便于开采和运输，经济上合理。）有足够的储藏量，便于开采和运输，经济上合理。 煤是古代植物埋藏在 地下经历了复杂的生 物化学（缺氧、厌氧 细菌分解）和物理化 学（温度、高压、地 壳运动），变化逐渐 形成的固体可燃性矿 物 我国能源资源中煤炭我国能源资源中煤炭 在在一次能源消费结构一次能源消费结构 中约占中约占70%，是世界，是世界 上为数不多的以煤为上为数不多的以煤为 主要能源的国家。主要能源的国家。 第一章第一章 固体燃料固体燃料 主要特点概述：主要特点概述： u煤的化学组成和结构十分复杂，它包括有机质和无机质，煤的化学组成和结构

18、十分复杂，它包括有机质和无机质， 以有机质为主。以有机质为主。 u煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、 氧、氮、硫等元素组成。氧、氮、硫等元素组成。 u无机质主要是指存在于煤中（包括有机质中）的所有无无机质主要是指存在于煤中（包括有机质中）的所有无 机的非煤物质：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质机的非煤物质：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质 煤的化学成分与分析基准煤的化学成分与分析基准 为了实用方便，一般采用元素分析和工业分析来确定煤中各成分的含量 我国煤的分类我国煤的分类 10%37% 无烟煤无烟煤贫煤和烟煤贫煤和烟煤褐煤褐

19、煤 以煤化程度（干燥无灰基挥发分含量）划分为三大类：以煤化程度（干燥无灰基挥发分含量）划分为三大类： Vdaf 性能性能成煤成煤 年龄年龄 煤化煤化 程度程度 挥挥 发发 份份 反反 应应 性性 含含 水水 份份 含含 C C 量量 含含 HOHO 量量 密密 度度 机械机械 强度强度 热热 值值 泥煤泥煤 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤 年青年青 年老年老 低低 高高 高高 低低 好好 差差 高高 低低 低低 高高 高高 低低 低低 高高 差差 好好 低低 高高 煤的组成特性煤的组成特性-元素分析元素分析 氢氢(H)(H) 碳碳(C)(C) 水分水分(M) 氮氮(N) 氧氧(0) 灰分灰分

20、(A) 硫硫(S)(S) 元元 素素 分分 析析 “元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中” ” 。这。这 充分地说明了煤炭组成的极端复杂性。根据其含量不同，通常充分地说明了煤炭组成的极端复杂性。根据其含量不同，通常 可将煤的组成分为三类：可将煤的组成分为三类： 含量低于含量低于100ppm的，称之为痕量元素，多指重金属的，称之为痕量元素，多指重金属 在在1001000ppm之间的，称为次量元素，常指矿物质之间的，称为次量元素，常指矿物质 高于高于1000ppm的，为主量元素，即指碳、氢、氧、氮、硫的，为主量元素，即指碳、氢、氧、氮、硫 重金属重金属：

21、铅、铬、铜、锌等矿物质矿物质：钙、硅、铝、铁、镁等 n 煤的元素分析煤的元素分析(Ultimate analysis of coal)是指对煤中的碳是指对煤中的碳 （C）、氢（）、氢（H）、氧（）、氧（O）、氮（）、氮（N）、硫（）、硫（S）五种元素）五种元素 的分析，元素分析的结果表示为各种元素的质量百分数，但的分析，元素分析的结果表示为各种元素的质量百分数，但 是并不能代表煤中有机化合物的组成。是并不能代表煤中有机化合物的组成。 小贴士： 碳（C）、氢（H）、硫（S）是可燃的，另外两种是不可燃 n 煤的元素分析可以判断煤的化学性质，常用于指导锅炉煤的元素分析可以判断煤的化学性质，常用于指导

22、锅炉 设计、热工试验和燃烧计算等设计、热工试验和燃烧计算等 碳是煤中主要可燃元素，也是煤的发热量的主要来源，每碳是煤中主要可燃元素，也是煤的发热量的主要来源，每 千克碳完全燃烧时可放出约千克碳完全燃烧时可放出约3.27104kJ的热量。煤中碳的含量的热量。煤中碳的含量 随着成煤地质年代的变化而有所不同，地质年代长的无烟煤，随着成煤地质年代的变化而有所不同，地质年代长的无烟煤， 其含碳量可达其含碳量可达70%以上，而年代浅的煤则含碳量不到以上，而年代浅的煤则含碳量不到40%。 纯碳的着火和燃烧很困难，煤的含炭量越多，着火与燃烧越困难，但发热量大纯碳的着火和燃烧很困难，煤的含炭量越多，着火与燃烧越

23、困难，但发热量大 碳碳C n 煤中氢多以碳氢化合物状态存在煤中氢多以碳氢化合物状态存在 ，含量大多在，含量大多在3%-6%，碳化，碳化 程度越深的煤，氢的含量越少。程度越深的煤，氢的含量越少。氢是煤中发热量最高的可燃元氢是煤中发热量最高的可燃元 素素，热值可达，热值可达120103kJ/kg（燃烧产物为水蒸气）（燃烧产物为水蒸气） n 氢及碳氢气体分子极易着火与完全燃烧，因此，氢含量高，氢及碳氢气体分子极易着火与完全燃烧，因此，氢含量高， 则对煤的着火燃烧有利。则对煤的着火燃烧有利。 氢主要存氢主要存 在于煤分在于煤分 子侧链和子侧链和 官能团上官能团上 氢氢H 全硫全硫St 无机硫无机硫 有

24、机硫有机硫（Sor： ：与 与C、H、O等结合成复杂的化合物）等结合成复杂的化合物） 硫化物硫硫化物硫Spy 硫酸盐硫硫酸盐硫Ss l 煤中的硫以三种形态存在煤中的硫以三种形态存在：有机硫 、黄铁矿硫和硫酸盐硫 。 可燃硫包括有机硫可燃硫包括有机硫 、黄铁矿硫。硫酸盐一般不再氧化，表现为灰、黄铁矿硫。硫酸盐一般不再氧化，表现为灰 分。分。 （FeS2 ） （CaSO4、MgSO4等）等） 小知识： 硫的发热量很低，只有9103kJ/kg。煤中硫的含量一 般小于2%，但是对于高硫煤来说，其含量可能超过4%，个别煤 种高达8%-10%。 硫是煤中的有害成分，对锅炉运行以及生态环境都造成危害，是造成

25、酸雨的主要根源硫是煤中的有害成分，对锅炉运行以及生态环境都造成危害，是造成酸雨的主要根源 硫硫S 氧氧O和氮和氮N 氧氧(oxygen)和氮和氮(nitrogen)都是煤中的不可燃元都是煤中的不可燃元 素、内部杂质，它们降低了煤的发热量。素、内部杂质，它们降低了煤的发热量。 氮还是有害元素，煤在高温燃烧时生成的氮氧化氮还是有害元素，煤在高温燃烧时生成的氮氧化 合物（合物（NOx），有毒，污染大气。），有毒，污染大气。 煤中氧的含量变化很大，少的只有煤中氧的含量变化很大，少的只有1.02.0%， 多的高达多的高达40%；氮的含量一般很少，约为；氮的含量一般很少，约为0.52.0%。 煤煤 元素分

26、析仪元素分析仪 原理及主要技术指标：原理及主要技术指标： 采用燃烧法自动测定固体或液体采用燃烧法自动测定固体或液体 有机物中的碳、氢、氮、硫、氧有机物中的碳、氢、氮、硫、氧 。 具有独特的石英管炉子以及局部具有独特的石英管炉子以及局部 吹氧设计，与电脑相连，带自动吹氧设计，与电脑相连，带自动 进样装置，一次可装入进样装置，一次可装入79个样品，个样品， 其样品量可大至其样品量可大至200毫克，每个毫克，每个 样品分析时间约样品分析时间约12分钟，分析结分钟，分析结 果以及曲线直接在计算机上显示果以及曲线直接在计算机上显示 并可打印出来，这个周期完全自并可打印出来，这个周期完全自 动化。采用热导

27、法检测，有两种动化。采用热导法检测，有两种 测试模式测试模式CHNS模式模式/O模式模式. 主要技术指标：主要技术指标： 准准 确确 度：度： 碳碳 0.1%; 氢氢 0.1%; 氮氮 0.1%; 仪器型号：仪器型号：EL-2 生产厂家：德国生产厂家：德国 Vario公司公司 煤的组成特性煤的组成特性-工业分析工业分析 内部杂质内部杂质 O N C（固定（固定 碳和挥发碳和挥发 分中的分中的C） H S（可燃（可燃 硫硫 和硫酸和硫酸 盐硫）盐硫） 可燃元素可燃元素 可燃气体可燃气体 挥发分挥发分V 不可燃成分不可燃成分 水分水分(M) 灰分灰分(A) 挥发分挥发分(V) 固定碳固定碳(FC)

28、 工业分析工业分析 不可燃元素不可燃元素 M（内、外）、（内、外）、A 外部杂质外部杂质 n 煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析 成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性 n 工业分析成分构成工业分析成分构成(Proximate analysis)(Proximate analysis)：水分、灰分、：水分、灰分、 挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭 水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC） n 煤中的水分含

29、量差别很大，与成煤地质年代、开采方法、煤中的水分含量差别很大，与成煤地质年代、开采方法、 运输和储存条件等因素有关，原煤中的水分低的仅有运输和储存条件等因素有关，原煤中的水分低的仅有2%2%，高的，高的 可达可达50%50%以上。以上。 煤全水分（煤全水分（M）分外在水分（）分外在水分（Mf）和内在水分（）和内在水分（Minh） 外在水分外在水分free moisture 是附在煤粒表面的外来水分，这部 分水变化很大，易于蒸发，可以通过自然干燥的方法除掉。 内在水分内在水分inherent moisture 又称固有水分，需要在较高温度 下才能从煤中除掉。 水分水分M 全水分测定方法全水分测定

30、方法 l 全水分的测定方法是将原煤样置于全水分的测定方法是将原煤样置于105110（褐煤相应（褐煤相应 温度稍高）的烘箱内约温度稍高）的烘箱内约2小时，使之干燥至恒重，采用质量差小时，使之干燥至恒重，采用质量差 减法即可得到。减法即可得到。 水分测定使用的仪器设备有水分测定使用的仪器设备有分析天平、干燥箱、称量瓶分析天平、干燥箱、称量瓶等等 烘箱烘箱 电子分析天平电子分析天平 n 特点特点：并不是以固有的形态存在于煤：并不是以固有的形态存在于煤 中，而是煤在加热过程中分解后析出的中，而是煤在加热过程中分解后析出的 产物。产物。 坩埚 马弗炉 n 测定测定：称：称1g1g煤放入坩埚煤放入坩埚 在

31、在900900的的 马弗炉内隔绝空气加热马弗炉内隔绝空气加热7min7min取出，冷取出，冷 却后称量并根据质量损失得到其含量却后称量并根据质量损失得到其含量 n 组成组成：主要由各碳氢化合物、氢、：主要由各碳氢化合物、氢、 一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量 氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成 挥发分挥发分V 煤中固定碳（煤中固定碳（FC) n煤脱除挥发分后的剩余的固体物即为焦炭煤脱除挥发分后的剩余的固体物即为焦炭 , ,它是由固定碳和它是由固定碳和 灰分构成的。将焦炭加热至灰分构成的。将焦炭加热至8508501010，待完全燃烧后

32、失去的，待完全燃烧后失去的 重量为固定碳重量为固定碳(FC) (FC) n焦炭的黏结性与强度称为煤的焦结性，它是煤的重要特性指焦炭的黏结性与强度称为煤的焦结性，它是煤的重要特性指 标之一。标之一。 煤的灰分不是煤中固有组成，而是由煤中矿物质转化而来。煤的灰分不是煤中固有组成，而是由煤中矿物质转化而来。 n 煤中原生矿物质：煤中原生矿物质：指存在于成煤的植物中，主要是碱金属、指存在于成煤的植物中，主要是碱金属、 碱土金属的盐类，与有机质分子紧密结合，很难用机械方法碱土金属的盐类，与有机质分子紧密结合，很难用机械方法 分开分开 n 煤中外来矿物质煤中外来矿物质这种矿物质原来不含于煤层中，它是在这种

33、矿物质原来不含于煤层中，它是在 采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。 它与煤是独立存在的，几乎不影响煤的可选性它与煤是独立存在的，几乎不影响煤的可选性 煤中次生矿物质：煤中次生矿物质：主要来源于成煤过程中因地壳变动混入主要来源于成煤过程中因地壳变动混入 到煤层中的泥沙。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内到煤层中的泥沙。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内 在矿物质在矿物质 灰分灰分A n 将焦炭加热至将焦炭加热至8508501010，待完全燃烧后失去的重量为固定，待完全燃烧后失去的重量为固定 碳碳(FC)(FC)，剩下来

34、的残留物就是灰分，剩下来的残留物就是灰分A A 。 n 灰分的主要成分是由硅、钙、铝、铁以及少量的镁、钛钾、灰分的主要成分是由硅、钙、铝、铁以及少量的镁、钛钾、 钠等元素组成的化合物。不同煤的灰分含量差别很大，少的钠等元素组成的化合物。不同煤的灰分含量差别很大，少的 只有只有10%10%左右，多的高达左右，多的高达50%50%以上。以上。 小贴士：煤中灰分矿物质的行为特性是导致结渣、沾污、 磨损的重要根源 煤煤- -工业分析仪工业分析仪 原理及主要技术指标原理及主要技术指标： 利用利用 热失重原理分析煤的工业分热失重原理分析煤的工业分 析。将分析试样放入样盘坩析。将分析试样放入样盘坩 埚中，通

35、过机械传动送入低埚中，通过机械传动送入低 温炉，氮气干燥到恒重，再温炉，氮气干燥到恒重，再 将干燥后的样送入预先通入将干燥后的样送入预先通入 氮气的高温炉中，加热氮气的高温炉中，加热7分钟，分钟， 后改输氧气，灰化至恒重，后改输氧气，灰化至恒重， 分别通过电子天平测得失重，分别通过电子天平测得失重， 得出样品中水分、挥发分、得出样品中水分、挥发分、 灰分和固定碳含量。灰分和固定碳含量。 仪器型号：仪器型号：TGA2000；西；西 班牙班牙 Las Navas 公司公司 煤的分析基准煤的分析基准 基准概念的引出基准概念的引出 煤是由碳（煤是由碳（C）、氢（）、氢（H）、氧（）、氧（O）、氮（）、

36、氮（N）、硫（）、硫（S） 五种元素及水分（五种元素及水分（M）、灰（）、灰（A）分组成。这些成分的含量都以）分组成。这些成分的含量都以 质量百分数表示，其总和为质量百分数表示，其总和为100%。由于煤中的水分（。由于煤中的水分（M）和灰）和灰 分（分（A）易受到外界环境的影响而变化，其它成分的质量百分数）易受到外界环境的影响而变化，其它成分的质量百分数 也自然随之发生变化。因此，在给出煤中各成分含量时，应标明也自然随之发生变化。因此，在给出煤中各成分含量时，应标明 其分析基准才有实际意义。其分析基准才有实际意义。 常用的基准常用的基准 收到基（收到基（as received） 空气干燥基（空

37、气干燥基（air dry） 干燥基（干燥基（dry） 干燥无灰基（干燥无灰基（dry and ash free） 煤的成分基准煤的成分基准 C Sly A H N O Sr Mad Mf 空气干燥基空气干燥基 收收 到到 基基 干干 燥燥 基基 干燥无灰基干燥无灰基 水分水分挥发分挥发分固定碳固定碳灰分灰分 收到基收到基ar（原应用基（原应用基y）以入炉）以入炉 煤（包括煤的全部成分）为基准煤（包括煤的全部成分）为基准 空气干燥基空气干燥基ad（原分析基（原分析基f）以）以 风干状态煤（除外部水分）为基准风干状态煤（除外部水分）为基准 干燥基干燥基d（原干燥基（原干燥基g）以去掉全）以去掉全

38、部水分煤为基准部水分煤为基准 干燥无灰基干燥无灰基daf（原可燃基（原可燃基r）以）以 去掉全部水分及灰分煤为基准去掉全部水分及灰分煤为基准 煤成分基准间的换算煤成分基准间的换算 不同基准之间的换算公式不同基准之间的换算公式 X = K X0 式中式中 X0 、 X 某成分原基准及新基准质量百分比，某成分原基准及新基准质量百分比，%； K 换算系数换算系数 Cad+Had+Sad+Oad+Nad+Aad =100-Mad Car+Har+Sar+Oar+Nar+Aar =100-Mar 因为煤中具有的干成分是不变的，因为煤中具有的干成分是不变的，Cd=Cad/(100-Mad)=Car/(10

39、0-Mar) ar ar ad ad C M100 M100 C 例例: : CHONSMA100% CHONSMA100% CHONSA100% CHONS100% ararararararar adadadadadadad dddddd dafdafdafdafdaf 注意：注意：换算系数可以用于各基准之间的百分数的换算，也可以用于各基准的高换算系数可以用于各基准之间的百分数的换算，也可以用于各基准的高 位发热量之间的换算，但是不能用于低位发热量和水分的换算。对于不同基准下位发热量之间的换算，但是不能用于低位发热量和水分的换算。对于不同基准下 的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量。

40、的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量。 例例 将下列煤的成分换算成收到基成分将下列煤的成分换算成收到基成分 解：解： dafdafdafdafdaf adar C=72%,H=5%,N=2%,S=1%,O20%, A =12.5%,M =20% 10010020 %12.5%10% 100100 100100 1020 %72%72% 0.750.4% 100100 100 %5% 0.73.5% 100 100 %20% 0.714.0% 100 100 %2% 0.71. 100 ar arad arar ardaf arar ardaf arar ardaf arar ardaf

41、 M AA AM CC AM HH AM OO AM NN 4% 100 %1% 0.70.7% 100 arar ardaf AM SS 煤的发热量煤的发热量 高位发热量高位发热量( (Qgr) ) gross calorific value 煤的发热量（煤的发热量（kJ/kg) 低位发热量（低位发热量（Qnet） net calorific value 单位质量的煤完全燃烧时所释放的热量单位质量的煤完全燃烧时所释放的热量 烟气中的水蒸汽形成中吸收了汽烟气中的水蒸汽形成中吸收了汽 化潜热，使煤的发热量降低形成化潜热，使煤的发热量降低形成 的发热量的发热量(水蒸汽冷却到水蒸汽冷却到20) 煤的

42、理论发热量，由实验测得的煤的理论发热量，由实验测得的 弹筒发热量（弹筒发热量（Qb）减去校正值确）减去校正值确 定定(水蒸汽冷成水蒸汽冷成0水，水，水蒸汽凝水蒸汽凝 结放出的汽化潜热结放出的汽化潜热) 小于小于 发热量的测定发热量的测定 氧弹量热仪氧弹量热仪 把一定量的试样放在密闭的充氧弹筒（俗称氧弹）中完全燃把一定量的试样放在密闭的充氧弹筒（俗称氧弹）中完全燃 烧。氧弹置于盛水的内筒中，并被水完全浸没。根据内筒水烧。氧弹置于盛水的内筒中，并被水完全浸没。根据内筒水 温的升高，计算出试样的发热量。温的升高，计算出试样的发热量。 煤的发热量计算煤的发热量计算 4.187 81246266kJ k

43、g netararararar QCHOSM 4.187 81342.522.5kJ kg 8 ar grararar O QCHS 4.187 8130026kJ kg grarararar QCHOS (1)方法一：根据煤的工业分析值计算方法一：根据煤的工业分析值计算Qnet 优点：简单方便；优点：简单方便； 缺点：只考虑固定碳含量和挥发份含量，误差大。缺点：只考虑固定碳含量和挥发份含量，误差大。 (2)方法二：根据元素分析值计算方法二：根据元素分析值计算 杜隆公式：杜隆公式： 门捷列夫公式：门捷列夫公式：(目前常用目前常用) 标准煤：标准煤：7000 kcal/kg=29310 kJ/k

44、g 收到基高、低位发热量之间的换算收到基高、低位发热量之间的换算 式中式中 r 水的汽化潜热，通常取水的汽化潜热，通常取r = 2510 kJ/kg . 9 22625.1 100100 arar ar netar grar grarar HM QQrQHM 煤中矿物质燃烧后去向煤中矿物质燃烧后去向 1.大部分形成飞灰随着烟气被除尘器捕获 2.少部分形成炉渣经过淬冷由捞渣机带走 3.一部分灰分经过蒸发熔融、黏结和沉积在受 热面上，形成渣层 灰渣的熔融特性对锅炉的影响灰渣的熔融特性对锅炉的影响 （1）在高温火焰的中心，灰分一般会处于熔融或软化状态，）在高温火焰的中心，灰分一般会处于熔融或软化状态

45、， 接触到受热面或炉墙，黏附形成渣层接触到受热面或炉墙，黏附形成渣层 （2）沾污、结渣会降低炉内受热面的传热能力，使得炉膛出）沾污、结渣会降低炉内受热面的传热能力，使得炉膛出 口烟温相应提高，引起过热器的沾污和腐蚀口烟温相应提高，引起过热器的沾污和腐蚀 （3）尾部受热面省煤器和空气预热器的积灰容易导致烟道堵）尾部受热面省煤器和空气预热器的积灰容易导致烟道堵 塞、传热恶化，提高排烟温度，降低锅炉运行经济性塞、传热恶化，提高排烟温度，降低锅炉运行经济性 成分MgOCaOAl2O3SiO2Fe2O3FeOFeSFeS2K2O,Na2O 熔化温度2800237020502230157013401105

46、11708001000 影响灰熔点的因素影响灰熔点的因素 1、灰成分及其含量比例：灰成分及其含量比例：灰中的SiO2和Al2O3含量越高，灰的 熔融温度就越高；如果碱性物质增多，灰熔点将降低 2、矿物之间的共熔：矿物之间的共熔：灰中氧化物结成共晶体，属SiO2-Al2O3-CaO- FeO系统，熔点比结合前要低，如CaOSiO2，只有1540 3、气氛：、气氛：还原性气氛中比氧化性气氛中低200300 灰渣的熔融特性灰渣的熔融特性 角锥法测定灰熔点 （1）将灰制成小角锥（正三角形）将灰制成小角锥（正三角形 底，边长底，边长7cm，20cm)，角锥垂直，角锥垂直 地面的侧面与灰托板表面垂直地面的

47、侧面与灰托板表面垂直 （2）至于硅碳管加热炉中加热）至于硅碳管加热炉中加热 （3）加热速度）加热速度 900 以前，以前，1520 /min 900 以后，以后，51 /min （4）介质气氛）介质气氛 弱还原性弱还原性(50%H2+50%CO2) 或或(60%CO2+40%CO) 三角形锥体 灰渣的熔融特性灰渣的熔融特性 FT 原形 DT ST HT DT 变形温度变形温度灰锥尖端开始变圆或弯曲时的温度。灰锥尖端开始变圆或弯曲时的温度。 ST 软化温度软化温度灰锥变形至下列情况时的温度：锥体弯曲至锥尖灰锥变形至下列情况时的温度：锥体弯曲至锥尖 触及托板、灰锥变成球形和高度等于（小于）底触及托

48、板、灰锥变成球形和高度等于（小于）底 长的半球形。长的半球形。 HT 半球温度半球温度角锥熔融为一体，形如半球状时的炉膛温度。角锥熔融为一体，形如半球状时的炉膛温度。 FT 流动温度流动温度灰锥熔化成液体或展开成高度在灰锥熔化成液体或展开成高度在1.5mm以下薄层以下薄层 灰渣的熔融特性灰渣的熔融特性 灰熔点分析仪 n 仪器型号：仪器型号：CAF digital imaging n 生产厂家：英国生产厂家：英国CARBOLITE公司公司 n 主要技术指标：主要技术指标：CAF-DIGITAL 1%，计算机自动控制与数据采集，计算机自动控制与数据采集 n 主要用途：用于测定煤灰的变形温主要用途：

49、用于测定煤灰的变形温 度、软化温度和熔融温度。度、软化温度和熔融温度。 灰渣的熔融特性灰渣的熔融特性 煤燃烧过程的四个阶段 1 2 3 煤的热解与挥发分燃烧 焦炭的燃烧 煤的燃烧特性煤的燃烧特性 煤燃烧的四个阶段煤燃烧的四个阶段 煤燃烧过程：首先是煤中水分的蒸发使其变成干燥 的煤，接着煤中的碳氢化合物以挥发分的形式逐渐 析出并着火，然后就是焦碳的着火和燃烧。 1. 干燥阶段干燥阶段 煤被加热，温度逐渐升高。当温度达100左右时， 煤粒表面及煤粒缝隙间的水被逐渐蒸发出来，煤被 干燥。大量吸热大量吸热 2.挥发份析出与着火阶段挥发份析出与着火阶段 温度升至一定值，煤中挥发分析出，同时生成焦碳（固定

50、碳）。挥发 分的释放量及成分主要取决于升温速度。不同的煤，开始析出挥发分 的温度不同，达到一定温度，析出的挥发分就着火、燃烧。对应的温 度称煤的着火温度，不同煤的着火温度不同。少量吸热少量吸热 煤的着火温度 煤 种褐 煤烟 煤无 烟 煤 着火温度（）300-400400-500700 挥发分开始析出温度 煤 种褐 煤烟 煤贫 煤无 烟 煤 析出温度（）130-170170-260350380-400 3. 挥发份与碳焦燃烧阶段挥发份与碳焦燃烧阶段 4. 燃尽阶段燃尽阶段 残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣。少量放热少量放热 说明：说明： 上述各阶段实际是交叉进行的；其中着火和燃尽上述各阶段实际是交叉

51、进行的；其中着火和燃尽 是最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的。是最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的。 挥发份首先燃烧造成高温，包围焦炭的挥发分基本烧完 且燃产物离析后，碳开始着火、燃烧。大量放热 煤的热解与挥发份燃烧煤的热解与挥发份燃烧 1. 煤热解的基本概念煤热解的基本概念 n 煤被加热到足够高的温度时开始分解，产生焦碳油和被 称为挥发分的气体。 n 挥发分是可燃性气体、二氧化碳和水蒸汽的混合物。可 燃性气体中除了一氧化碳和氢气外，主要是碳氢化合物， 还有少量的酚和其它成分。 说明说明：挥发分释放过程中煤中析出的挥发分总量取决于其加热过程的 时间和温度历程，即取决于升温速

52、度、所达到的最终温度以及在此温 度下所经历时间的长短。挥发分的成分同样受到上述因素的影响。 煤的热解过程煤的热解过程 在105之前，主要析出吸附的气体和水分； 在200-300时析出的水分称为热解水，同时析出气态产 物如CO和CO2等，并有微量的焦油析出； 在300-550时，开始大量析出焦油和气体，主要为CH4及 其同系物，以及不饱和烃及CO，CO2等； 在500-750时，半焦开始分解，此时开始大量析出含氢 较多的气体； 在750-1000时，半焦继续热解，析出少量以含氢为主的 气体，半焦变为高温焦炭。 a) 快速热解：快速热解：煤粉颗粒的加热速度很高（104/s或更 高），总的挥发分释放

53、时间小于1秒，挥发分很快地由 炭粒表面逸出。在实际中，只有当煤颗粒尺寸小于 100m时才会产生这里所定义的快速热解（煤粉燃 烧）。 b) 慢速热解：慢速热解：煤的加热速度低到小于10/min，挥发分 释放的时间长达几分钟或几小时（在许多碳化炼焦流 程中）。 煤热解过程加热速率的分类煤热解过程加热速率的分类 分类加热速率/(s) 对颗粒为100m的煤粒加热到1000所用 的时间 慢速加热220min 中速加热5-10010s-4min 快速加热500-10000010ms-2s 闪速加热10650 4060 1040 40 3550 316 13 发热量发热量 22.3万万 2.43.1万万 3

54、.13.6万万 33.5万万 颜色颜色 暗土色暗土色深黑色深黑色 光泽光泽无光泽无光泽金属光泽金属光泽 表观比重表观比重0.51.0 0.81.3 1.21.5 1.41.8 硬度硬度 小小 大大 反应性反应性 大大 小小 可燃性可燃性 大大 小小 粘结性粘结性 弱弱 较弱较弱 强强 弱弱 第二章第二章 液体燃料液体燃料 天然的液体燃料：原油（石油）天然的液体燃料：原油（石油） 人造的液体燃料：石油加工产品；煤干馏的产品；煤气化产人造的液体燃料：石油加工产品；煤干馏的产品；煤气化产 品（焦油）；煤液化产品；合成石油。品（焦油）；煤液化产品；合成石油。 一、一、 工业液体燃料的组成工业液体燃料的

55、组成 组成：烷烃组成：烷烃 C Cn nH H2n+2 2n+2，环烷烃 ，环烷烃 C Cn nH H2n 2n，芳香烃 ，芳香烃C Cn nH H2n-6 2n-6 ，稀烃 ，稀烃 C Cn nH H2n 2n ， ， 氧化物，硫化物，氮化物，水分和矿物杂质。氧化物，硫化物，氮化物，水分和矿物杂质。 分类：石蜡基（主要是烷烃），稀基，中间基（混合基），分类：石蜡基（主要是烷烃），稀基，中间基（混合基）， 芳香基原油。芳香基原油。 1.1. 石油加工基本方法：分馏和裂解石油加工基本方法：分馏和裂解 （1 1）直接蒸馏）直接蒸馏( (分馏分馏) ) 常压蒸馏常压蒸馏 P P1atm1atm 液化

56、汽液化汽常压重油（从塔底排出的分馏剩下的高沸点油，常压重油（从塔底排出的分馏剩下的高沸点油， 6080%） 减压蒸馏减压蒸馏 减压塔压力减压塔压力0.1at0.1at以下以下 重油中沸点降低重油中沸点降低200200，沸点，沸点700700以下成分都馏出来。减压重油以下成分都馏出来。减压重油 （塔底）。塔底）。 石油石油 常压蒸馏常压蒸馏 减压蒸馏减压蒸馏 沥青和减压重油沥青和减压重油 液液 航航 汽汽 挥挥 煤煤 轻轻 柴油柴油 轻质油轻质油 化化 发发 柴柴 润滑油润滑油 汽汽 油油 油油 油油 油油 油油 发热量发热量 高高 （2 2）裂解：蒸馏残留物在高温高压下使分子裂化）裂解：蒸馏残

57、留物在高温高压下使分子裂化 目的目的: :多提取轻质油多提取轻质油, ,产量可达石油的产量可达石油的3035 2. 2. 燃料油（直接用于工业燃烧）燃料油（直接用于工业燃烧） 种类：常压重油，减压重油，裂化重油种类：常压重油，减压重油，裂化重油 优点：杂质少，可燃成分多，发热量大；便于运输；燃优点：杂质少，可燃成分多，发热量大；便于运输；燃 烧过程易控制；燃烧较完全；燃烧温度高，火焰辐射能烧过程易控制；燃烧较完全；燃烧温度高，火焰辐射能 力强。力强。 加热加热 二、二、 重油的化学组成和发热量重油的化学组成和发热量 1. 1. 化合物组成：烃，固体烃，氧化物、氮化物和硫化物等化合物组成：烃，固

58、体烃，氧化物、氮化物和硫化物等 2. 2. 族组成族组成（1 1）烷烃烷烃 CnH2n+2 n=14( (气态气态) )，n=516( (液态液态 烃烃) )，n 17( (固态固态) ) （2 2） 稀烃稀烃 CnH2n 不饱和烃不饱和烃 （3 3） 环烷烃环烷烃CnH2n 饱和烃饱和烃 （4 4）芳香烃）芳香烃CnH2n-6 6 不饱和环状化合物不饱和环状化合物 3. 3. 成分分析方法成分分析方法:(:(与固体燃料相同）与固体燃料相同） （1 1）元素分析：）元素分析： C H O N S Cdaf=8588%， Hdaf=1013% ， Odaf+Ndaf=1.51.0%， Sdaf=

59、0.23% （2 2）工业分析：主要分析）工业分析：主要分析A和和W含量（一般为外部混入的）含量（一般为外部混入的） A0.3% M=410% 4. 4. 发热量发热量 40000 42000KJ/KG net Q 三三、 重油的物理性质（使用性质）重油的物理性质（使用性质） 1. 1. 粘度：衡量重油流动性的指标粘度：衡量重油流动性的指标 运动粘度：运动粘度：（m2/s）， （准确度高，广泛采用）（准确度高，广泛采用） 动力粘度动力粘度 = （kg/ms） 恩氏粘度：恩氏粘度：Et Et = t的的200ml油流出时间油流出时间 / 20的的200ml水流出时间水流出时间 温度升高，重油粘度

60、降低温度升高，重油粘度降低 要求要求 (1)(1)管道输送管道输送 Et3040 (2) (2)烧嘴前，保证重油的雾化质量烧嘴前，保证重油的雾化质量 Et=510， T=100130 (3) (3)敞开式油缸内合适的加热温度敞开式油缸内合适的加热温度 T=6080 （4）T蒸汽 蒸汽 150 42 0.063 0.07310m /sE E 2. 密度密度 体积膨胀系数体积膨胀系数 0.00250.002 20 20 20 20 20 时重油密度，时重油密度，20 = 0.920.98 g/cm3 3. 表面张力表面张力 =0.0250.03N/m 4.4.比热和导热系数比热和导热系数 比热比热