第二章 燃料及其燃燒特性

1、第二章 燃料及其燃燒特性燃料核燃料有機燃料固體燃料液體燃料氣體燃料第一節(jié)第一節(jié) 燃料分類燃料分類 燃料的種類和特性對鍋爐的安全性和經(jīng)濟性燃料的種類和特性對鍋爐的安全性和經(jīng)濟性有密切關系。在鍋爐的設計和運行中，由于燃料有密切關系。在鍋爐的設計和運行中，由于燃料的不同、鍋爐受熱面積的大小、爐膛高矮、燃燒的不同、鍋爐受熱面積的大小、爐膛高矮、燃燒器型式、空氣預熱器面積的大小、受熱面的污染、器型式、空氣預熱器面積的大小、受熱面的污染、磨損、腐蝕等情況均會不同。磨損、腐蝕等情況均會不同。 根據(jù)獲得燃料的方法根據(jù)獲得燃料的方法，可將直接從自然界取得，可將直接從自然界取得未經(jīng)工藝加工的燃料稱為天然燃料，如原

2、煤、原油未經(jīng)工藝加工的燃料稱為天然燃料，如原煤、原油及天然氣。將經(jīng)過工藝加工后的木炭、焦炭和石油及天然氣。將經(jīng)過工藝加工后的木炭、焦炭和石油制品則稱為人工燃料。制品則稱為人工燃料。 根據(jù)用途根據(jù)用途，將用于煉焦、鍛造和化工的焦結性，將用于煉焦、鍛造和化工的焦結性好、含雜質(zhì)少的燃料稱為好、含雜質(zhì)少的燃料稱為工藝燃料工藝燃料。不適于做工藝。不適于做工藝燃料的鍋爐燃用的燃料稱為燃料的鍋爐燃用的燃料稱為動力燃料動力燃料。 我國的燃料政策我國的燃料政策是，盡量不燒油和天然氣；盡是，盡量不燒油和天然氣；盡量不使用工藝燃料；盡量使用當?shù)爻霎a(chǎn)的煤；在使量不使用工藝燃料；盡量使用當?shù)爻霎a(chǎn)的煤；在使用過程中應盡量

3、采取措施減少污染。用過程中應盡量采取措施減少污染。 我國占世界煤產(chǎn)量的我國占世界煤產(chǎn)量的25，而煤炭占我國一而煤炭占我國一次能源消費量的次能源消費量的75。我國煤炭資源相對較為豐。我國煤炭資源相對較為豐富，而石油和天然氣資源相對不足。富，而石油和天然氣資源相對不足。 煤是由多種有機物和無機物混合組成的復雜煤是由多種有機物和無機物混合組成的復雜的固體碳氫燃料。它是遠古植物遺體隨地殼的變的固體碳氫燃料。它是遠古植物遺體隨地殼的變動被埋入地下，長期在地下溫度、壓力較高的環(huán)動被埋入地下，長期在地下溫度、壓力較高的環(huán)境中，植物中的纖維素、木質(zhì)素經(jīng)脫水腐蝕，含境中，植物中的纖維素、木質(zhì)素經(jīng)脫水腐蝕，含氧量

4、不斷減少，碳質(zhì)不斷增加，逐漸形成化學穩(wěn)氧量不斷減少，碳質(zhì)不斷增加，逐漸形成化學穩(wěn)定性強、含碳量高的固體碳氫燃料。定性強、含碳量高的固體碳氫燃料。 動力用煤分為褐煤、煙煤和無煙煤三大類。動力用煤分為褐煤、煙煤和無煙煤三大類。 第二節(jié)第二節(jié) 煤的常規(guī)特性煤的常規(guī)特性一、煤的組成特性一、煤的組成特性 1、煤的元素分析、煤的元素分析 碳、氫、氧、氮、硫碳、氫、氧、氮、硫 碳碳是煤中含量最多的確可燃元素。是煤中含量最多的確可燃元素。 氫氫是煤中發(fā)熱量最高的物質(zhì)，燃點低，易點燃。是煤中發(fā)熱量最高的物質(zhì)，燃點低，易點燃。煤中氫的含量較少。煤中氫的含量較少。 氧和氮氧和氮是不可燃物質(zhì)，其含量也較少。煤中的是不

5、可燃物質(zhì)，其含量也較少。煤中的氮在高溫條件下易生成污染大氣的氮在高溫條件下易生成污染大氣的NOx，被視為有被視為有害元素。害元素。 硫硫常以三種形式存在，即有機硫、硫化鐵硫、常以三種形式存在，即有機硫、硫化鐵硫、硫酸鹽硫。前兩種可燃，稱為揮發(fā)硫，后一種歸入硫酸鹽硫。前兩種可燃，稱為揮發(fā)硫，后一種歸入灰分。一般在計算含硫量時應采用全硫分。硫的燃灰分。一般在計算含硫量時應采用全硫分。硫的燃燒產(chǎn)物燒產(chǎn)物S02和和S03會造成鍋爐金屬的腐蝕并污染大氣。會造成鍋爐金屬的腐蝕并污染大氣。 灰分灰分為不可燃物質(zhì)?；曳执嬖诓粌H使燃料發(fā)熱為不可燃物質(zhì)?；曳执嬖诓粌H使燃料發(fā)熱量減少，而且影響燃料著火燃盡，也是造成

6、積灰、量減少，而且影響燃料著火燃盡，也是造成積灰、結渣、磨損的主要因素。結渣、磨損的主要因素。 水分均為不可燃物質(zhì)水分均為不可燃物質(zhì),水分會使爐內(nèi)溫度水分會使爐內(nèi)溫度下降，影響著火，并增大排煙熱損失，還會下降，影響著火，并增大排煙熱損失，還會加劇尾部受熱面腐蝕和堵灰。加劇尾部受熱面腐蝕和堵灰。 煤中的水分在自然干燥條件下失去的部分，稱煤中的水分在自然干燥條件下失去的部分，稱為為外部水分外部水分，而剩余部分稱為，而剩余部分稱為內(nèi)部水分內(nèi)部水分，兩部分之，兩部分之和稱為和稱為全水分全水分。二、工業(yè)分析二、工業(yè)分析 在一定的實驗室條件下的煤樣，分析得出水在一定的實驗室條件下的煤樣，分析得出水分、揮發(fā)

7、分、固定碳和灰分這四種成分的質(zhì)量百分、揮發(fā)分、固定碳和灰分這四種成分的質(zhì)量百分數(shù)的過程，稱為工業(yè)分析。分數(shù)的過程，稱為工業(yè)分析。 取取1g左右的自然干燥后的煤粉樣放人預先加左右的自然干燥后的煤粉樣放人預先加熱至熱至1455C的干燥箱中，干燥的干燥箱中，干燥1h后，試樣質(zhì)量后，試樣質(zhì)量減輕的量占原質(zhì)量的百分數(shù)即為減輕的量占原質(zhì)量的百分數(shù)即為空氣干燥基水分空氣干燥基水分。此數(shù)值與外部水分值相加即為全水分。此數(shù)值與外部水分值相加即為全水分。 揮發(fā)分揮發(fā)分是煤在加熱過程中有機質(zhì)分解而析出是煤在加熱過程中有機質(zhì)分解而析出的氣體物質(zhì)。主要是由各種碳氫化合物、氫、的氣體物質(zhì)。主要是由各種碳氫化合物、氫、一氧

8、化碳、硫化氫等可燃氣體組成的，另外還一氧化碳、硫化氫等可燃氣體組成的，另外還有少量的氧、二氧化碳、氮等不可燃氣體。碳有少量的氧、二氧化碳、氮等不可燃氣體。碳化程度不同，揮發(fā)分的析出溫度以及揮發(fā)分的化程度不同，揮發(fā)分的析出溫度以及揮發(fā)分的含量也不同。揮發(fā)分燃點低，易于著火燃燒，含量也不同。揮發(fā)分燃點低，易于著火燃燒，對鍋爐工作影響較大，其含量常做為煤的分類對鍋爐工作影響較大，其含量常做為煤的分類的重要依據(jù)。的重要依據(jù)。 v煤在失去水分和揮發(fā)分后剩余部分即為煤在失去水分和揮發(fā)分后剩余部分即為焦碳焦碳，它包，它包括括固定碳固定碳和灰分。和灰分。v 將煤粉樣放在高溫爐中，按規(guī)定方法升溫至將煤粉樣放在高

9、溫爐中，按規(guī)定方法升溫至81510 C，并加熱并加熱1h，冷卻至室溫后稱重，剩余冷卻至室溫后稱重，剩余重量占原煤樣重量的質(zhì)量百分數(shù)即為空氣干燥基灰重量占原煤樣重量的質(zhì)量百分數(shù)即為空氣干燥基灰分的含量。將原煤粉樣中水分、灰分、揮發(fā)分扣除分的含量。將原煤粉樣中水分、灰分、揮發(fā)分扣除后，即為空氣干燥基固定碳的質(zhì)量百分數(shù)。發(fā)電廠后，即為空氣干燥基固定碳的質(zhì)量百分數(shù)。發(fā)電廠中均可做煤的工業(yè)分析。中均可做煤的工業(yè)分析。 3、煤的成分計算基準v收到基 Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%v空氣干燥基 Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%v干燥基 Cd+

10、Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%v干燥無灰基 Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%4、煤的計算基準的換算 x=Kx0二、煤的發(fā)熱量1、定義、定義v彈筒發(fā)熱量彈筒發(fā)熱量v高位發(fā)熱量高位發(fā)熱量v低位發(fā)熱量低位發(fā)熱量2、換算、換算3、以收到基低位發(fā)熱量為基準的其他概念、以收到基低位發(fā)熱量為基準的其他概念（1）折算成分）折算成分 規(guī)定每送入鍋爐規(guī)定每送入鍋爐4182kJkg熱量熱量(即即 1000kcalkg)，帶入鍋爐的水分、灰分和硫分稱為帶入鍋爐的水分、灰分和硫分稱為折算水分、折算水分、折算灰分、折算硫分。折算灰分、折算硫分。 （2）標準煤）標準煤 收到基發(fā)熱量為收到基

11、發(fā)熱量為29270kJkg (7000kcalkg)的的煤為標準煤。煤為標準煤。第二節(jié)第二節(jié) 煤的燃燒特性分析煤的燃燒特性分析常規(guī)特性對鍋爐工作的影響常規(guī)特性對鍋爐工作的影響v揮發(fā)分的影響v水分的影響v灰分的影響v灰渣熔融性的影響v硫分的影響v快速熱分解快速熱分解v中速熱分解中速熱分解v慢速熱分解慢速熱分解一一 、 煤的熱分解機理煤的熱分解機理二、煤的熱重分析二、煤的熱重分析v熱重法（熱重法（thermogravimetry, TG）是在程序是在程序控制溫度下測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關系的一種技術?？刂茰囟认聹y量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關系的一種技術。用于熱重法的儀器是熱天平，它能連續(xù)記錄質(zhì)量與用于熱重法

12、的儀器是熱天平，它能連續(xù)記錄質(zhì)量與溫度的函數(shù)關系（溫度的函數(shù)關系（TG曲線）。工作時，一般以程序曲線）。工作時，一般以程序控制溫度的方式來加熱或冷卻樣品，或使樣品保持控制溫度的方式來加熱或冷卻樣品，或使樣品保持在某個恒定的溫度，或進行某種程序的循環(huán)。在某個恒定的溫度，或進行某種程序的循環(huán)。差熱分析差熱分析 差熱分析（差熱分析（differential thermal analysis,DTA）：）：在在程序控制溫度下，測量試樣與參比物之間的溫度差與程序控制溫度下，測量試樣與參比物之間的溫度差與溫度關系的一種技術。溫度關系的一種技術。 煤的熱重分析技術的應用煤的熱重分析技術的應用v熱重分析在煤的

13、工業(yè)分析中的應用熱重分析在煤的工業(yè)分析中的應用v熱重分析在煤熱解特性研究中的應用熱重分析在煤熱解特性研究中的應用v熱重分析在煤燃燒特性研究中的應用熱重分析在煤燃燒特性研究中的應用v熱重分析在煤的工業(yè)分析中的應用熱重分析在煤的工業(yè)分析中的應用 從從70年代起，國外就有人利用熱重分析方年代起，國外就有人利用熱重分析方法對煤進行研究，結果表明利用非等溫熱重法法對煤進行研究，結果表明利用非等溫熱重法所測定的揮發(fā)分和灰分的含量與美國材料實驗所測定的揮發(fā)分和灰分的含量與美國材料實驗標準值（標準值（ASTM）很一致。國內(nèi)的研究也表明，很一致。國內(nèi)的研究也表明，利用利用TGA法，選擇一定的條件，可以進行煤的法

14、，選擇一定的條件，可以進行煤的快速工業(yè)分析，其誤差在標準方法規(guī)定的誤差快速工業(yè)分析，其誤差在標準方法規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 由于微機在由于微機在TGA儀器上的應用，使得實儀器上的應用，使得實驗過程中得升溫程序，氣氛切換等實驗條件驗過程中得升溫程序，氣氛切換等實驗條件可以由計算機控制，這就保證了煤樣工業(yè)分可以由計算機控制，這就保證了煤樣工業(yè)分析值的準確性和重復性。但需要指出的是，析值的準確性和重復性。但需要指出的是，由于由于TGA實驗所需樣品極少，僅為幾十毫克，實驗所需樣品極少，僅為幾十毫克，因此樣品的選擇和制備必須標準方法規(guī)定的因此樣品的選擇和制備必須標準方法規(guī)定的要求，進行煤樣的選擇、混

15、和、磨制和篩分，要求，進行煤樣的選擇、混和、磨制和篩分，以使樣品具有代表性。以使樣品具有代表性。v熱重分析在煤熱解特性研究中的應用熱重分析在煤熱解特性研究中的應用 煤的揮發(fā)分含量及其在加熱過程中的釋煤的揮發(fā)分含量及其在加熱過程中的釋放規(guī)律，即煤的熱解特性。放規(guī)律，即煤的熱解特性。 揮發(fā)分的熱解規(guī)律及其產(chǎn)率受其熱解時揮發(fā)分的熱解規(guī)律及其產(chǎn)率受其熱解時的加熱速率影響很大。的加熱速率影響很大。 隨著加熱速率的增加，揮發(fā)分的析出延遲了。 隨著加熱速率的影響，揮發(fā)分的析出率也隨之增加。 相同的加熱速率下，不同煤種揮發(fā)分開始析出溫度不同，越年輕的煤種，其開始析出溫度越低。v熱重分析在煤燃燒特性研究中的應用

16、熱重分析在煤燃燒特性研究中的應用 將少量有代表性的粉樣置于天平支架上將少量有代表性的粉樣置于天平支架上的坩堝內(nèi)，通以氧或空氣，按規(guī)定的升溫速的坩堝內(nèi)，通以氧或空氣，按規(guī)定的升溫速度進行升溫，隨著溫度的升高，試樣的失重度進行升溫，隨著溫度的升高，試樣的失重率不斷發(fā)生變化，最后燃盡，記錄失重率隨率不斷發(fā)生變化，最后燃盡，記錄失重率隨溫度的變化曲線即稱為溫度的變化曲線即稱為“燃燒分布曲線燃燒分布曲線”v燃燒分布曲線燃燒峰燃燒峰水分析水分析出峰出峰熱重分析法判斷煤的著火特性v揮發(fā)分初析溫度Ts DTG曲線上對應失重率=0.1mg/min的溫度v揮發(fā)分在700攝氏度前的可燃物失重量W700v揮發(fā)分釋放特

17、性指數(shù)D D=(dW/t)max/TmaxT1/3 (dW/t)max:揮發(fā)分最大釋放速度峰值； Tmax： (dW/t)max的溫度；T1/3：(dW/t)/(dW/t)max=1/3的溫度區(qū)間 當D2E-6時，煤種著火性能較好，一般不存在著火困難的問題。 當D2E-6時，煤種著火溫度一般較高，會遇到著火困難的問題。v可燃性判別指數(shù)C C=R1max106/Ti2 (mg/min.k)R1max：易燃峰的最大反應速度（mg/min ）Ti：開爾文溫標表示的試樣著火溫度。 C值對煤燃燒著火穩(wěn)定性的判別界限如下： C 09* 10-6 極難穩(wěn)定區(qū) C（0.9-1.4) * 10-6 難穩(wěn)定區(qū) C

18、(1.41.75）* 10-6 中等穩(wěn)定區(qū) C（1.752.3)* 10-6 易穩(wěn)定區(qū) C2.3 * 10-6 極易穩(wěn)定區(qū)v穩(wěn)燃判別指數(shù) M1=4.7e-0.0052Ti+4.6e-.0044T1max+0.0091e0.36W1max+0.011e0.44G1式中Ti著火溫度； Tlmax最大失重速度時對應的溫度； Wlmax最大失重速度； Gl失重量。 M1越小，越難穩(wěn)定， M1越大，燃燒越穩(wěn)定。v火焰穩(wěn)定性指數(shù) Fith=Rmax/Ti(Tmax-Ti) Rmax為最大反應指數(shù) Tmax為最大反應指數(shù)所對應的最大反應溫度。 Fith 是綜合了熱分析曲線評價煤著火特性的特征點提出的綜合性指

19、標， Fith越大著火性能就越好。 v煤著火穩(wěn)燃特性綜合判別指標 Rw=560/Ti+650/T1max+0.27W1max 西安熱工所與普華燃燒研究中心共同制定的煤著火穩(wěn)燃特性指標。該指標已被用至鍋爐設計型譜中，用于表征煤質(zhì)著火穩(wěn)燃特性。 煤的燃盡特性判別指標v平均燃燒速度Wmean 將100mg煤樣中可燃質(zhì)的毫克數(shù)與其總燃燒時間之比為可燃質(zhì)平均燃燒速度。 總燃燒時間以加熱爐降到固定位置時刻起算，到燃燒結束為止。 v煤的燃盡指數(shù) N=0.55G2+0.0043T2max+0.1498+ 0.2798-3.7 N越大，越難燃盡v燃盡特性綜合判別指數(shù)Rj Rj=1/Nv燃燒特性指數(shù)S S=(dW

20、/dt)max(dW/dt)mean)/(TiTh) (dW/dt)max最大燃燒速度 (dW/dt)mean平均燃燒速度 Ti著火溫度， Th燃盡溫度 S越大，煤的燃燒特性越佳。v煤焦燃燒綜合指數(shù)R R=R700/ R700700攝氏度恒溫下最大反應速度 5mg燃質(zhì)煤焦在700攝氏度下從切換O2開始到樣品全部燃盡時間 R 越大，煤越易燃盡v煤的燃盡率曲線燃盡率%時間，min第四節(jié)第四節(jié) 我國動力用煤的燃燒特性我國動力用煤的燃燒特性v我國煤的分類v發(fā)電廠用煤的質(zhì)量標準v各類煤質(zhì)的燃燒特性 第五節(jié) 煤灰的結渣和積灰特性一、煤灰的熔融性1、煤灰的熔融性及其三個特征溫度的確定v變形溫度DTv軟化溫度STv流動溫度FT 2.灰的黏度 熔化的灰分隨著溫度下降，其黏度升高。當溫度下降時，灰渣在狹窄的溫度范圍內(nèi)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，而無明顯的塑性區(qū)，此灰渣屬于短渣；短渣不易產(chǎn)