煤的組成及特性

1、鍋爐與鍋爐房設(shè)備施工 教案模塊一：鍋爐房設(shè)備的基本知識(shí)單元三：鍋爐燃料1.3.1 煤的組成及特性 學(xué) 院 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 院 （部） 機(jī)電與暖通工程學(xué)院 教 師 王思文 煤的組成及特性教學(xué)目的通過(guò)課程教學(xué)，挖掘?qū)W生潛在創(chuàng)造力，激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。以工作任務(wù)形式組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)，組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新思維能力，溝通交流能力，自我學(xué)習(xí)能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握鍋爐與鍋爐房的基本知識(shí)，為今后繼續(xù)學(xué)習(xí)鍋爐打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1具有分析煤基本特性的能力。1 掌握煤的元素分析成分。2 掌握煤的工業(yè)分析成分。3 掌

2、握煤的各種“基”的表示方法。4 熟悉焦渣特性、煤灰熔融特性、煤的發(fā)熱量。5 掌握標(biāo)準(zhǔn)煤的概念。6 掌握煤的分類。1挖掘?qū)W生潛在創(chuàng)造力，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性；2培養(yǎng)學(xué)生的與人交流、與人合作的能力，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題、自我學(xué)習(xí)能力。任務(wù)與案例任務(wù)：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容， 掌握煤的成分分析及各種特性。案例：1. 利用教材的內(nèi)容進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：1.煤的成分分析及各種特性。 難點(diǎn)：1.煤的各種“基”的表示方法。解決方法：通過(guò)教材的內(nèi)容詳細(xì)講解，通過(guò)練習(xí)題進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。參考資料鍋爐與鍋爐房設(shè)備 夏喜英主編 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社鍋爐及鍋爐房設(shè)備杜漸主編 中國(guó)電力出版社工業(yè)鍋爐設(shè)備 丁崇功主編

3、 機(jī)械工業(yè)出版社工具與媒體計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄像、課件、圖紙、筆、橡皮、專業(yè)相關(guān)資料等。授 課 教 案一燃料的基本知識(shí)1 燃料：是由有機(jī)可燃成分、不可燃成分和水分等物質(zhì)組成的復(fù)雜的混合物，在燃燒過(guò)程中能放出大量的熱量的物質(zhì)。2 鍋爐需要的燃料：鍋爐燃燒所用的燃料有固體燃料（煤、焦炭、煤矸石、頁(yè)巖、木屑、甘蔗渣等)、液體燃料（輕柴油、重油、渣油等）、氣體燃料（天然氣、混合發(fā)生爐煤氣、水煤氣、液化石油氣混合氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等)。二煤的元素分析1 煤的元素分析成分：包含碳、氫、氧、氮、硫、灰分和水分等七種。煤的元素分析成分是用各成分相應(yīng)的質(zhì)量占燃料總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）表示的。2 為便于燃料

4、的熱工計(jì)算和燃燒機(jī)理分析，對(duì)煤的各組成成分用相應(yīng)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，各成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的總和為100%，稱為煤的元素分析。即 C + H + O + N + S + A + M = 100% 1） 碳（C）碳是煤中最主要的可燃元素。無(wú)煙煤的含碳量最高，其次是煙煤、褐煤，泥煤。泥煤的炭化程度最淺，因此含碳量也最低。也就是說(shuō)，煤中碳的含量隨著煤齡的增長(zhǎng)而增加，這是因?yàn)槊褐械钠渌兀?、氧、氮等）隨著時(shí)間的流逝而逐漸揮發(fā)逸散。各種煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%95%之間，一般說(shuō)來(lái)，含碳量愈多的煤，其發(fā)熱量也愈高，但也有部分無(wú)煙煤的發(fā)熱量低于煙煤，這是因?yàn)樵摲N無(wú)煙煤中氫的含量太低的緣故。1kg純碳完全燃燒可放

5、出32866kJ熱量，同時(shí)被氧化生成CO2。如果不能完全燃燒而生成CO，則lkg純碳僅能放出 9270kJ的熱量。純碳的著火溫度較高，煤中的碳含量愈高愈難著火，燃燒過(guò)程也愈緩慢，燃盡時(shí)間也愈長(zhǎng)。2） 氫（H）氫是煤中重要可燃元素。1kg氫完全燃燒可放出125600kJ的熱量，大約是純碳發(fā)熱量的4倍。氫的著火溫度較低，燃燒速度較快，所以，煤中氫的含量愈多對(duì)燃燒愈有利。在各種煤中，氫的含量在2%6%之間。3） 硫（S）硫是煤中的有害元素。它雖可燃燒，但發(fā)熱量不大，1kg硫完全燃燒放出9050kJ熱量。硫的燃燒產(chǎn)物是二氧化硫和三氧化硫氣體，當(dāng)煙氣與水蒸汽相遇會(huì)生成亞硫酸和硫酸；對(duì)鍋爐尾部受熱面將會(huì)產(chǎn)

6、生嚴(yán)重腐蝕；如果將它們排入大氣，則會(huì)造成大氣污染。硫在煤中可分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫兩大類，無(wú)機(jī)硫又分為硫鐵礦硫和硫酸鹽硫兩種。其中有機(jī)硫和硫鐵礦硫能與燃燒，成為可燃硫；硫酸鹽硫則不參與燃燒而轉(zhuǎn)化為灰分，成為灰分的一部分。煤中硫含量的變動(dòng)范圍很大，約在可燃成分的0.1%8.0%。4） 氧（O）和氮（N）氧和氮是煤中的不可燃元素。由于氧和氮的存在，使煤中的碳和氫的含量減少，降低了煤的發(fā)熱量。煤中氧的含量隨著碳化程度加深而減少，如無(wú)煙煤中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1%2%，而泥煤則高達(dá)40%。氮的含量通常在0.2%。5） 水分（M）水分是煤中的主要雜質(zhì)，由于水分的存在，占據(jù)了煤中可燃成分的含量，使煤的發(fā)熱量降低；

7、水分對(duì)煤的加工和磨制造成困難，而且增加了能量的消耗；水分對(duì)煤的著火、燃燒、都非常不利，它在汽化時(shí)吸收熱量，使?fàn)t膛溫度下降，造成著火困難；水分在高溫下汽化成水蒸氣，成為煙氣的一部分，增加了排煙熱損失。 煤中的水分由外水分（MW）和內(nèi)水分（MN）組成。前者是在煤在開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和洗選過(guò)程中附著在煤粒表面的水分，通過(guò)自然風(fēng)干而除去。后者是吸附和凝聚在煤塊內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分，也稱固有水分。內(nèi)水分不易蒸發(fā)，在105110溫度下可以烘干。外水分和內(nèi)水分的總和稱為煤的全水分。不同的煤的水分含量差別甚大，低者僅為2%5%，高者可達(dá)50%60%，一般隨煤的碳化程度增高而逐漸減少。6） 灰分（A）灰分是煤中不可

8、燃的礦物質(zhì)。由于灰分的存在，減少了煤中可燃成分的含量、降低了煤的發(fā)熱量；灰分增加了煤在開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加工的工作量和能量消耗以及設(shè)備的磨損；灰分影響煤的著火和燃燒，造成鍋爐受熱面結(jié)渣、積灰、磨損和腐蝕，并影響其傳熱效果，降低了鍋爐熱效率；煙塵隨煙氣排入大氣，污染環(huán)境。煤中灰分的波動(dòng)幅度很大，一般在5%35%之間，劣質(zhì)煤中灰分的含量高達(dá)75%。三煤的各種“基”的表示方法：煤的元素分析成分是用各成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的。在開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中，水分、灰分隨外界條件的變化而改變，必然對(duì)其他可燃成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)造成影響，各種成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)也隨之而變動(dòng)，不能很確切地表示其含量。因此，他需要根據(jù)煤的存在

9、條件定出幾種基準(zhǔn)，提供或應(yīng)用燃料成分分析數(shù)據(jù)時(shí)，必須標(biāo)明其分析基準(zhǔn)；只有分析基準(zhǔn)相同的分析數(shù)據(jù)，才能確切的說(shuō)明燃料的特性，評(píng)價(jià)和比較燃料的優(yōu)劣。分析基準(zhǔn)，也叫計(jì)算基數(shù)。通常采用以下四種分析基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的。1. 接收基接收基表示實(shí)際應(yīng)用的煤（爐前煤且未經(jīng)過(guò)任何處理的煤）中各組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和，它以包括全部水分在內(nèi)的七種成分之和作為100%，用下角標(biāo)ar表示。其表達(dá)式為Car + Har + Oar + Nar+ Sar + Aar + Mar=100% 在進(jìn)行鍋爐熱工計(jì)算以及分析鍋爐運(yùn)行工況時(shí)，以接收基作為原始依據(jù)。2. 空氣干燥基空氣干燥基表示不含外水分條件下，煤中各組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和

10、，它以包括內(nèi)在內(nèi)水分在內(nèi)的七種成分之和作為100%，用下角標(biāo)ad表示。其表達(dá)式為：Cad + Had+ Oad + Nad+ Sad + Aad+ Mad =100% 空氣干燥基是在實(shí)驗(yàn)室中做煤樣分析時(shí)采用的基準(zhǔn)。3. 干基干基表示不含水分條件下，煤中各組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和，它以不包括水分在內(nèi)的六種成分之和作為100%，用下角標(biāo)d表示。其表達(dá)式為Cd + Hd + Od + Nd + Sd+ Ad =100% 4. 干燥無(wú)灰基干燥無(wú)灰基表示不含水分和灰分條件下，煤中各組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和，它以不包括水分和灰分在內(nèi)的五種成分之和作為100%，用下角標(biāo)daf表示。其表達(dá)式為：Cdaf+ Hda

11、f+ Odaf + Ndaf + Sdaf=100% 干燥無(wú)灰基中各成分不受水分和灰分變化的影響，常用以表示煤中揮發(fā)分的含量。5. 煤的各種 “基”的換算各種“基”可以相互換算，按下式進(jìn)行： B=KA式中A已知“基”的相應(yīng)成分；B換算“基”的相應(yīng)成分；K換算系數(shù)，如表1所示。表1 燃料不同基成分換算系數(shù)表已知基所求基空氣干燥基收到基干燥基干燥無(wú)灰基空氣干燥基收到基干燥基干燥無(wú)灰基四煤的工業(yè)分析：煤的工業(yè)分析是測(cè)定煤的水分（M）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）、固定碳（Cgd）的含量。煤的工業(yè)分析成分是用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的。即 Cgd+V+M+A=100%1. 揮發(fā)分（V）煤在隔絕空氣的條件下進(jìn)行加熱，

12、所得可燃?xì)怏w稱為揮發(fā)分。揮發(fā)分的主要成分有碳?xì)浠衔?、碳氧化合物、氫氣和焦油蒸氣等，是煤中有機(jī)物質(zhì)熱分解的產(chǎn)物。煤的揮發(fā)分與煤的種類、煤的碳化程度關(guān)系密切，煤齡愈久遠(yuǎn)，揮發(fā)分含量愈少，揮發(fā)分逸出的溫度和煤的著火溫度相應(yīng)也愈高，與此相反，煤齡愈短，揮發(fā)分含量愈高，揮發(fā)分逸出溫度愈低，著火溫度也愈低，則此種煤量容易燃燒。2. 灰分（A）灰分是指煤完全燃燒后殘留的固定物質(zhì)。3. 水分（M）水分是指煤中的全部水分，包括外水分和內(nèi)水分。4. 固定碳（Cgd）從煤的試樣中減去其中的灰分、水分及揮發(fā)分，剩下的質(zhì)量就是煤的固定碳含量。五焦炭（焦渣）特性焦炭是煤中揮發(fā)分析出后在坩堝中的殘留物。焦炭包括煤中的固定

13、碳及灰分。焦炭特性隨煤種不同而變化，它對(duì)鍋爐（尤其是層燃爐）的燃燒過(guò)程影響較大。根據(jù)焦炭特性，可以初步鑒定煤的粘結(jié)特性，一般分為以下八級(jí)：1級(jí)：焦炭全部為粉狀，沒(méi)有相互粘著的顆粒粉狀。2級(jí)：以手指輕壓即碎成粉狀粘著。3級(jí)：以手指輕壓即成碎塊弱粘結(jié)。4級(jí)：以手指用力壓才裂成碎塊不熔融粘結(jié)。5級(jí)：焦炭成扁平的餅狀，煤粒的界限不易分清，表面有銀白色金屬光 澤不膨脹熔融粘結(jié)。6級(jí)：用手指壓不碎，表面有銀白色金屬光澤和較小的膨脹泡微膨脹熔 融粘結(jié)。7級(jí)：表面有銀白色金屬光澤，有明顯的膨脹，但膨脹高度小于等于 15mm-膨脹熔融粘結(jié)。8級(jí)：表面有銀白色金屬光澤，有明顯的膨脹，膨脹高度大于15mm強(qiáng)膨脹熔融

14、粘結(jié)。六煤灰熔融性（灰熔點(diǎn)）灰熔點(diǎn)對(duì)鍋爐的燃燒工況影響很大，它是煤灰的重要指標(biāo)之一。通常采用“角錐法”測(cè)定其熔融性。所謂角錐法，就是將灰樣制成高為20mm 。底面為邊長(zhǎng)7mm的正三角形、且一個(gè)棱面垂直于底面的灰錐體，然后將灰錐體置于弱還原性氣氛的高溫加熱爐中升溫加熱，觀察或拍攝試樣變化情況，并記錄灰錐體形狀發(fā)生變化的三個(gè)特征溫度：1.變形溫度t1(灰錐體尖端開(kāi)始變圓或彎曲時(shí)的溫度）；2.軟化溫度t2(灰錐體彎曲且錐尖觸及底板，或灰錐體變成球形，或高度小于等于底邊長(zhǎng)度的半球形時(shí)的溫度）；3.熔融溫度t3(灰錐體完全熔化或展開(kāi)成髙度小于等于1.5mm的薄層時(shí)的溫度）。七煤的發(fā)熱量的概念煤的發(fā)熱量是

15、指單位質(zhì)量的煤完全燃燒時(shí)所放出的全部熱量，單位為kJ/kg。發(fā)熱量分為高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量?jī)煞N。高位發(fā)熱量是指1kg煤完全燃燒后所產(chǎn)生的全部熱量，包括水蒸汽全部凝結(jié)成水所放出的凝結(jié)熱，用Qgr，××表示，單位為kJ/kg。（××代表相應(yīng)的“基”）低位發(fā)熱量是指1kg煤完全燃燒后所產(chǎn)生的全部熱量中，減去其中水蒸氣凝結(jié)時(shí)放出的凝結(jié)熱，低位發(fā)熱量用Qnet，××表示，單位為kJ/kg。燃煤工業(yè)鍋爐的排煙溫度一般在160200之間，煙氣中的水蒸氣處于蒸汽狀態(tài)，其汽化熱隨煙氣帶走，所以，在燃燒鍋爐的熱工計(jì)算中，均采用低位發(fā)熱量作為計(jì)算依據(jù)。八

16、標(biāo)準(zhǔn)煤的概念由于各種煤的發(fā)熱量差別很大，為了便于比較不同型式鍋爐的燃煤消耗量，將接收基的低位發(fā)熱量為29308kJ/kg的煤規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，對(duì)于不同的鍋爐所用的不同煤種，可以通過(guò)下式換算成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)進(jìn)行比較。式中 折算成標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量（kg/h）；實(shí)際煤的消耗量（kg/h）；實(shí)際煤的應(yīng)用基的低位發(fā)熱量(kJ/kg)。九煤的分類煤的組成比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的劃分方法。根據(jù)干燥無(wú)灰基揮發(fā)分（Vdaf）和接收基低位發(fā)熱量作為分類的基本依據(jù)，并考慮到煤的接收基水分及灰分含量，將煤分為無(wú)煙煤、貧煤、煙煤、褐煤等四類。1. 無(wú)煙煤無(wú)煙煤的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分10%，其揮發(fā)分析出溫度較高，因此，著

17、火比較困難，不易燃盡。無(wú)煙煤的煤齡最長(zhǎng)，炭化程度很深，含碳量高，灰分含量都不多，發(fā)熱量高，無(wú)煙煤接收基低位發(fā)熱量2200028000kJ/kg。無(wú)煙煤呈灰黑色，表面具有金屬光澤，質(zhì)地堅(jiān)硬，儲(chǔ)存時(shí)性能穩(wěn)定，不容易發(fā)生自燃現(xiàn)象。2. 貧煤貧煤的揮發(fā)分較低，其干燥無(wú)灰基揮發(fā)分10%20%。不易著火和燃燒，燃燒時(shí)火焰較短，焦結(jié)性差；發(fā)熱量較高，介于無(wú)煙煤和煙煤之間。3. 煙煤煙煤揮發(fā)分含量很高，其干燥無(wú)灰基揮發(fā)分20%40%；含碳量也高，接收基碳40%60%或更高。煙煤的發(fā)熱量較高，其接收基低位發(fā)熱量2000027000kJ/kg。煙煤大多為有光澤的黑色均勻體，質(zhì)地松軟，燃燒時(shí)火焰比較長(zhǎng)、煙多。煙煤是自然界中分布最廣、品種最多的煤種。4)褐煤褐煤是煤齡較短、炭化程度較低的煤，揮發(fā)分含量高，其干燥無(wú)灰基揮發(fā)分 40%50%，燃燒時(shí)揮發(fā)分析出溫度也低，故很容易著火燃燒；褐煤的發(fā)熱量不高，其接收基低位發(fā)熱量 100015000kJ/kg。褐煤呈棕褐色，因故而得名。褐煤質(zhì)地松脆，容易風(fēng)化，容易自燃，難于儲(chǔ)存，也不宜遠(yuǎn)運(yùn)，屬于地方性燃料。5)除了上述煤種外有，用作鍋爐燃料的還有泥煤、油葉巖和煤矸石。泥煤也叫泥炭，棕褐色的不均勻可燃物質(zhì)。泥煤炭化程度最淺，水分含量很高，一般可達(dá)85%95%。發(fā)熱量低，極易著火燃燒；含碳量少；水分含量高，其接收基水分 90%；含氧