燃烧学02固体燃料

1、燃料的分类 固体燃料：煤(Coal)燃 液体燃料：石油(Petroleum)料 气体燃料：天然气(Nature Gas) 燃 烧 学第二讲 固体燃料的性质第二讲 固体燃料的性质煤炭的分类；煤炭性质随煤阶的演变规律；煤质分析内容：工业分析与元素分析；煤质分析基准及换算；煤炭工艺性质：发热量(热值)、粘结性与结焦性、结渣性、热稳定性、反应性或燃烧特性。第二讲 固体燃料的性质 工业热能和动力 的来源煤 化工原料 炼焦和气化第二讲 固体燃料的性质煤的种类及其化学组成煤的形成生物学地质学化 学煤是由植物残骸在适宜的地质环境下经过漫长岁月的天然煤化作用形成的一种棕色至黑色的可燃烧的固体矿物质燃料植物泥炭化

2、泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用煤的种类煤化程度泥煤(Peat Coal)褐煤(Brown Coal、Lignite)烟煤(Bituminous Coal)无烟煤(Anthracite Coal)不同煤化程度煤的基本结构单元褐煤次烟煤高挥发分烟煤低挥发分烟煤无烟煤石墨煤的种类泥煤or泥炭最年轻的煤保留着植物遗体的痕迹质地疏松吸水性强(40%)堆积密度300450 kg/m3(露天风干)含氧量高(28-38%)含氢量高(20-30%)含碳量少挥发分高可燃性好反应活性好含硫量低机械性能很差灰分熔点低主要用于产区附近的锅炉燃料、气化原料不适于远途运输、工业应用价值不大泥炭化作用peati

3、fication煤的种类煤的种类褐煤外表呈褐色或者暗褐色，无光泽真密度较大(1.301.60g/cm3)堆积密度750800kg/m3含碳量较高含氢、氧量较少挥发分产率较低粘结性弱极易氧化和自燃吸水性较强机械强度较大(新开采)在空气中极易风化和破碎，导致其机械性能很差主要用于产区附近的锅炉燃料、气化原料不适于远途运输和长期储存工业应用价值不大煤的种类烟煤煤化程度较高挥发份较少密度较大吸水性较小含碳量继续增加含氢、氧量继续减少具有粘结性褐煤变质作用煤的种类烟煤粘结性的强弱挥发份的多少长焰煤 C O 挥发份气 煤肥 煤焦 煤瘦 煤贫 煤 高 低 低煤的种类无烟煤煤化程度最高、年龄最老灰黑色、具有金

4、属光泽、无明显条带密度大含碳量高挥发份极少组织致密、坚硬吸水性小发热量大(29260kJ/kg)灰分少含硫量低受热时易爆裂成碎片不易着火与燃烧，反应活性差适于长途运输与长期储存主要用作气化和碳素工业的原料、民用燃料煤炭性质随煤化程度(煤阶)的演变规律 性 质成煤年龄煤化程度(煤阶) 挥 发 份 反 应 性 含 水 份 含 C 量 含H、O 量 密 度机械强度 热 值泥煤褐煤烟煤无烟煤年青 年老 低 高 高 低 好 差 高 低 低 高 高 低 低 高 差 好 低 高煤的种类煤大分子结构的现代概念示意图煤的化学组成煤的化学组成煤质分析元素分析(元分)Ultimate Analysis碳(Carbo

5、n-C)氢(Hydrogen-H)氧(Oxygen-O)氮(Nitrogen-N)硫(Sulfur-S)工业分析(工分)Proximate Analysis评价工业用煤的主要指标。灰分(Ash-A)水分(Moisture-M)挥发份(Volatile-V)固定碳(Fixed Carbon-FC)煤的化学组成煤碳(Carbon-C)2070%氢(Hydrogen-H) 35%氧(Oxygen-O)氮(Nitrogen-N)硫(Sulfur-S)可燃质矿物质(Ash-A)水分(Moisture-M)惰性质C(Carbon)：主要的可燃元素，占燃料质量煤5090% ；完全燃烧时生成二氧化碳，此时每千

6、克纯碳可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为9270kJ。煤化程度越高，煤的含炭量越大，越不易着火与燃尽，但发热量大。煤的化学组成煤的化学组成氢可燃氢(有效氢)：与碳、硫结合在一起的氢，可参与燃烧有效地放出热量，为可燃元素。在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%。化合氢：与氧结合，不参与燃烧反应，不能放出热量H(Hydrogen):有利的可燃元素，发热量最高，其低热值为120370kJ/kg(约为纯碳发热量的4倍)；煤一般含氢量为210%，煤化程度越高，含氢量越少；在煤中氢以两种形式存在:可燃氢(有效氢)与化合氢；在计算发热量和理论空气量

7、时，以有效氢为准。煤的化学组成氧：含量随着煤化程度增加而减小O(Oxygen)：不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性，使可燃物含量相应减少，从而降低了燃料热值，为煤中的有害元素。 含氧官能团OH主要是酚羟基，烟煤的主要官能团COOH 褐煤特性官能团，酸性比乙酸强C=O 无酸性，煤中分布很广OCH3 存在于泥炭和软褐煤中O 年老褐煤中占优势煤的化学组成O(Oxygen)：不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性，使可燃物含量相应减少，从而降低了燃料热值，为煤中的有害元素。 煤的化学组成氮高温燃烧时可以和氧形成NOx含量高时可以作为氮素资源通过干

8、馏回收N(Nitrogen)：氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.52%。为煤中的有害元素。含氮官能团主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在还有胺基、亚胺基、腈基等煤的化学组成N(Nitrogen)：氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.52%。为煤中的有害元素。 煤的化学组成S(sulphur/sulfur)：为煤中的有害元素。三种存在形式：有机硫、无机硫（黄铁矿硫，硫酸盐硫）、单质硫。硫酸盐中的硫已经充分氧化，不能参与燃烧反应，是燃料燃烧后所形成灰渣的一部分；有机硫、单质硫和黄铁矿硫可燃烧放热，

9、但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ，合称可燃硫或挥发硫。硫燃烧后生成SO2、SO3，危害人体，污染大气并可形成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。 煤的化学组成元素硫有机硫（可燃）无机硫元素硫(可燃)硫酸盐硫（不可燃）硫化物硫 （可燃）黄铁矿、白铁矿（FeS2）砷黄铁矿（FeAsS）磷黄铁矿黄铜矿（CuFeS2）石膏（CaSO42H2O）绿矾（FeSO47H2O）重晶石（BaSO4）硫醇化合物（RSH）：苯硫酚硫化物（RSR）：硫醚二硫化合物（RSSR）：二硫醚噻吩类杂环硫化物：噻吩、硫茂煤中硫的存在形式 含硫官能团 硫 醇（RSH） 硫 醚（RSR） 二硫醚（RSSR） 硫 醌 杂环硫

10、煤的化学组成符号描述A灰分是指煤中所含矿物质在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物。来源有两个，一是煤化过程中由土壤等外界带入的矿物质，称为外来灰分；另一种灰分是原来成煤植物中固有的，称为内在灰分。灰分增加时，因为灰分占据一定的质量份额，故煤的总热值降低，如果水分不变，则相应的煤质低位发热量降低；反之灰分产率降低，则煤质的低位发热量增大。并使受热面积灰，影响传热效果，受热面腐蚀、磨损，烟道堵灰等。在工业上解决灰分的方法大体是：（1）在入炉前减少煤中灰分，采用洗煤。（2）在燃烧过程中排渣（液体排渣）或在燃烧之后的排气中除尘（固体除尘）。煤的组成灰分灰分煤中所含的矿物质(碳酸盐、粘土矿物质及

11、微量稀土元素)在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成的一些固体残留物SiO2 4060 Al2O3 1535%Fe2O3 525% CaO 115%MgO 0.58% Na2O+K2O 14%煤的组成灰分灰分降低煤的发热量，增加了烟尘污染和出渣量，污染环境使煤着火、燃尽困难、易造成不完全燃烧使受热面积灰，腐蚀、磨损受热面，不利于设备维护和操作熔点太低，易积灰、结渣，影响传热，破坏燃烧过程，酿成工程事故熔点：10001500熔点：MgO 2800 CaO 2570 Al2O3 2050 SiO2 1625 Fe2O3(氧化性气氛) 1560 FeO(弱还原性气氛) 1420 K2O和Na2O

12、800-1000 煤的组成灰分煤的组成水分水分外在水分-外水分为环境条件下机械地附在燃料表面的水分，可以通过干燥除去，含量与大气湿度和外界条件有关(4550)内在水分-不能通过干燥除去，为实验室条件下的燃料达到风干状态而失去外在水分后的剩余水分，主要是化学吸附水和矿物杂质结晶水(105110 )泥煤:40%-50%褐煤:30%-60%烟煤:4%-15%无烟煤:2%-4%煤的组成水分煤中水分存在的危害：水分是煤中的不可燃成分，其存在不仅占有一定的质量份额而且还要吸收汽化热，导致煤质的低位发热量减小；水分含量降低时，相对来说煤质的低位发热量增大了。即水分不仅降低了燃料的可燃质含量，含水量大的燃料发

13、热量低，不易着火、燃烧；含水量大的煤在燃烧时消耗热量使水分蒸发和将蒸发的水蒸气加热，降低燃烧室温度，降低锅炉效率，加大排烟损失，造成低温处设备腐蚀；含水量大的煤制粉困难，需要高温空气或烟气干燥；水分大的煤不利于运输，并使成本增加。煤的组成水分因此，综合考虑，应以合适水分为好。煤中水分存在好处：在高温火焰中水蒸气对燃烧具有催化、媒介作用，可以加速煤粉焦炭的燃烧；提高火焰黑度，增加火焰及烟气的辐射放热强度，加强燃烧室炉壁的辐射换热，而且，水蒸气分解时产生的氢分子和氢氧根可以提高火焰的热传导率。这样，水分使飞灰中碳粒减少，从而使机械不完全损失减少，TSP减少。水分的蒸发有利于疏松煤层，增加孔隙率，改

14、善燃烧。煤的组成挥发份挥发份煤中的矿物结晶水挥发性成分热分解产物：CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2、热解水、矿物结晶水在高温条件下，煤中部分有机物和矿物质受热分解而析出的气态和蒸汽态产物。非燃料固有物质，是在特定条件下分解产物。在干馏过程中，除了外部水分外，逸出的全部气体均为挥发份挥发分析出温度和析出量对燃烧过程影响很大，是判别煤着火特性与燃烧特性的重要指标之一，也是煤炭分类的主要指标。煤的组成挥发份挥发份挥发分析出数量与质量与煤种有关，是煤炭分类的主要判断指标，煤化程度增加其挥发分相对减少，但挥发分热值却越来越高。煤质挥发分含量(Vdaf)开始析出温度无烟煤10380400贫煤10

15、20370390烟煤2040170320褐煤4060130170泥煤60%煤质分析表示方法煤质分析工业分析(工分)Proximate Analysis评价工业用煤的主要指标。元素分析(元分)Ultimate Analysis灰分(Ash-A)水分(Moisture-M)挥发份(Volatile-V)固定碳(Fixed Carbon-FC)碳(Carbon-C)氢(Hydrogen-H)氧(Oxygen-O)氮(Nitrogen-N)硫(Sulfur-S)燃料中的灰分和水分会随着燃料的开采、运输和储存过程而发生变化。而燃料成分表示的是各成分的相对百分含量，为此必须规定燃料成分表示的分母基准。根据

16、燃料中灰分和水分的变化情况分为4种基准：-收到基（ar -as received)；-空气干燥基(ad -air dry)；-干燥基(d-dry)；-干燥无灰基(daf-dry ash free)煤质分析表示方法煤的成分表示方法收到基，(As received basis-ar)用于煤的燃烧计算空气干燥基(Air Dry basis-ad)，燃料被60oC的空气干燥至风干状态，外在水分已经逸出，仅剩下内在水分，常用于实验室煤质分析干燥基(Dry basis-d)，烘箱(102-105)中烘干失去全部水分，表示煤中的稳定成分，用于不同煤种的质量比较煤质分析表示方法干燥无灰基 ( dry ash

17、free basis-daf)，除去全水分和灰分后燃料成分总量作为计算基准，用daf来表示，常用于确切地说明煤的化学组成特点。煤的成分表示方法煤按大类分为褐煤、烟煤、无烟煤。其主要分类指标是按工业分析中的煤的挥发分产率(Vdaf)来划分的，褐煤挥发分产率(Vdaf)一般在40-60%，烟煤Vdaf10-40%，无烟煤挥发分产率(Vdaf)一般在1.5-10%。煤质分析表示方法煤质分析表示方法已知基准成分需要换算到的基准成分收到基（ar）空气干燥基(ad)干燥基(d)干燥无灰基(daf)收到基（ar）1空气干燥基(ad)1干燥基(d)1干燥无灰基(daf)1煤质分析表示方法煤质分析表示方法例题：

18、书pp22.已知某一煤种的干燥无灰基成分、干燥基灰分和收到基水分为：CdafHdafOdafNdafSdafAdMar75%4182112.520求该煤种的收到基质量百分数。Car=Cdaf(100-Aar-Mar)/100Aar=Adaf(100-Mar)/100水分换算公式：Mq(Mar) 全水分 Mn (Mad) 内水分Mw (Mf) 外水分M和M内M外在什么基准下相等？Mar=Mn, arMw, arMn, ar= Mad(100-Mw, ar)/100外水分的基准为收到基；内水分的基准为空气干燥基。煤质分析表示方法煤的工业分析煤的工业分析值水 分灰 分挥发份固定碳热值焦渣特性灰熔点煤

19、的工业分析过程水分（M) 挥发分（V） 灰分（A） 固定碳（FC)将煤样加热到110时所失去的重量所占原始重量的百分比。隔绝空气继续加热到900oC时所失去的重量占原始重量的百分比，即为挥发分产率。影响挥发分产率的因素：煤种、热解温度、停留时间、升温速率等。通入空气在815oC燃烧后剩下的为灰分，失去的为固定碳焦炭煤的工业分析值收到基 Aar+FCar +Var +Mar =100%空气干燥基 Aad + FCad+Vad +Mad =100%干燥基 Ad+FCd+Vd =100%干燥无灰基 FCdaf +Vdaf =100%煤的工业分析基准煤的工业分析值煤的发热量(热值)热值(发热量)是评价

20、燃料质量的重要参数，也是工程燃烧计算和设备设计中必不可少的燃料特性参数(热平衡、热效率、燃料消耗量计算)。 工程计算中规定，1kg煤完全燃烧后所放出的热量，单位kJ/kg高位发热量：1kg燃料在常压空气中完全燃烧，冷却至起始温度时放出的全部热量，包括水蒸汽凝结时放出的气化潜热热量，即水蒸气凝结成0的水。 表示：Qgr,ar低位发热量：1kg燃料在空气中完全燃烧，冷却至起始温度时放出的全部热量去掉水蒸汽凝结时放出的热量。表示：Q net,ar煤的发热量(热值)发热量高位发热量QgrGross heating value低位发热量QnetNet heat of combustion水蒸气潜热Q弹Q

21、高Q低,S、N氧化放热煤的发热量(热值)发热量煤的发热量(热值)式中：Sb,ad由弹筒洗液测得的煤的含硫量，%a由氮生成硝酸并融于水所放出的热 量系数贫煤、无烟煤时， a=0.001其他情况下， a=0.0015高位发热量和低位发热量之间换算高位发热量和低位发热量之间相差燃料燃烧后生成水分所吸收的汽化潜热。水在0，1atm下的汽化潜热为2512kJ/kg，收到基低位发热量和收到基高发热量之间的换算见下式约定：工程上，排烟温度高于100，蒸汽不会凝结，烟气中的水蒸气尚未冷凝而直接排出，使燃料燃烧后烟气中的水蒸汽潜热无法回收利用。应用低位发热量作为计算燃料热量的依据。煤的发热量(热值)收到基和空气

22、干燥基干燥基和干燥无灰基煤的发热量(热值)煤的发热量(热值)已知基准成分需要换算到的基准成分收到基（ar）空气干燥基(ad)干燥基(d)干燥无灰基(daf)收到基（ar）1空气干燥基(ad)1干燥基(d)1干燥无灰基(daf)1标准煤能源的种类很多，所含的热量也各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国规定应用基低位发热量Qnet,ar=29271kJ/kg (即7000kcal/kg)的燃料为标准煤，也称煤当量。燃料的发热量与标准燃料发热量的比值称为燃料的热当量，用以评价燃料质量的优劣。标准煤实际是不存在的，只是人为的规定。提出标准煤的主要目的是把不同燃料划归统一的标准，便于分析、比

23、较热力设备的经济性。不同的煤具有不同的发热量，有时差别很大。因此，在相同容量、相同参数的锅炉，在相同运行条件下，不能仅仅依据消耗燃料量的多少，来衡量锅炉运行的经济性。如果把不同的燃煤都折算为统一的标准煤，那就容易判断：哪一台炉的标准煤耗量低，哪一台锅炉的运行经济性就好。煤的发热量(热值)煤的发热量发热量与煤化程度的关系煤的化学组成的变化引起，一般煤中含碳量为87%左右时，发热量最大。褐煤到焦煤，碳含量增加，氧含量减少，氢含量基本上不变，所以发热量上升；焦煤到无烟煤，碳含量增加和氧含量减少的幅度变小，但氢含量明显下降，而氢的发热量是碳发热量的3.7倍，所以此时发热量降低。87%煤的粘结性和结焦性

24、粘结性和结焦性粘结性：煤粉碎后在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成一定大小和强度焦块的能力结焦性：工业炼焦条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性，即煤能形成焦炭的性质。该指标用于判断某煤种或配煤是否适于炼焦。粘结性好的煤，结焦性比较强。结焦性好的煤粘结性好，但粘结性好不一定结焦性好。如有的煤粘结性好，能结焦，但焦炭裂缝多、强度差，其结焦性并不好。粘结性好坏主要取决于煤中所含沥青质的多少。煤焦颗粒煤焦颗粒煤的粘结性和结焦性粘结性和结焦性坩埚法焦渣特性粘结性对煤粉炉和流化床炉的燃烧影响不大，但是对层燃(火床)炉，影响很大。粘结性不好的煤，粉末状的碳粒易被吹出炉膛，使不完全燃烧损失

25、增大，而粘结性很强的煤又将使煤层黏结成片，增大煤层阻力，妨碍空气流通，使燃烧过程恶化。煤的结渣性结渣性高温下煤灰粘结成渣的特性，用于判断煤在气化或燃烧过程中是否容易结渣的一个重要指标。灰熔点酸度灰份产率煤灰熔融性灰灰煤的结渣性对煤粉锅炉设备运行安全和可靠性有着决定性影响，结渣性严重的煤运行时使炉内结渣导致燃烧工况恶化而无法正常运行，甚至发生严重的设备及人身事故，同时也造成渣块包裹煤块，导致燃烧不完全损失增大，严重影响着经济运行。灰熔点角锥法DT变形温度ST软化温度FT流动温度熔融时粘度组成气氛在氧化气氛下的灰熔点比在还原气氛下高40170燃煤装置炉膛出口烟气温度应低于T2150，对于一般煤种应

26、取1070煤的结渣性酸度接近于1，灰熔点较低，为1200酸度为5以上，灰熔点较高，超过1350T21425 难熔性灰二者之间，可熔性灰煤的结渣性煤的耐热性(热稳定性)耐热性又称热稳定性，是煤在高温下保持原来粒度大小性能，即煤在加热过程中是否易于破碎烟煤耐热性好，褐煤和无烟煤的耐热性差褐煤水分高，受热后水分蒸发，导致煤颗粒变碎无烟煤质地致密，受热后由于传热不好，导致了煤颗粒内外温差而引起膨胀不均匀所致，经过热处理，可以改变这种局面煤的比热、导热系数比热随煤化程度的提高而减小常温下，与水分和灰分含量呈线性关系0.84-1.67 kJ/kg导热系数随煤化程度和温度的升高而增大0.232-0.348

27、W/m煤的反应性和可燃性反应性和可燃性反应性煤的反应能力，燃料中的碳与二氧化碳、水蒸气进行还原反应的能力反应性反应产物中CO的生成量和氧化层的最高温度表示可燃性燃料中的碳与氧进行氧化反应的速度，即燃烧速度着火点一定条件下，煤加热到开始正常燃烧的温度煤的煤(炭)化程度越高，其反应性和可燃性就越差煤的燃烧特性煤的燃烧特性水分煤质分析9-19% 难稳定19-30% 中等稳定30-37% 易稳定37% 褐煤区着火点煤的燃烧特性煤的燃烧特性焦渣特性：对煤粉炉和流化床炉，影响不大；对层燃炉，影响很大。灰分：灰分多，发热量低；灰熔点低的煤，易在水冷壁和层燃炉的炉排、炉墙、炉拱处产生结渣现象。硫和氮：必须控制SO2和NOx的含量。煤的特种分析方法煤的特种分析热天平-热重分析热显微镜着火指数炉-着火