煤的燃燒特性綜合實驗

煤的燃燒特性綜合實驗第1頁/共42頁武漢理工大學材料科學與工程學院煤的燃燒特性綜合實驗第2頁/共42頁一、前言

能源是實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的保障，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。直接影響到世界經(jīng)濟的發(fā)展。煤是地球上最豐富的化石燃料，目前約占世界能源的28%。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)在優(yōu)化，煤消費結(jié)構(gòu)在變小。然而，盡管煤消費的比例在變小，但實際的消費量卻呈快速上升的趨勢。近100多年來，煤的年消費量增長了40倍。我國能源消費總量居世界第三。盡管我國的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，但仍沒有擺脫以煤為主的能源結(jié)構(gòu)。在我國的能源消費結(jié)構(gòu)中，煤約占整個一次能源消耗的75%，遠遠大于石油、天然氣和水電。煤的燃燒特性綜合實驗第3頁/共42頁

煤是一種有機礦物的復(fù)雜聚合物，由于成煤年代和地址條件的差異，決定了煤的物理化學特性的差異，在燃燒中則直接表現(xiàn)為燃燒性能的優(yōu)劣。國內(nèi)外對燃燒性質(zhì)的評價多采用工業(yè)分析所得的揮發(fā)分作為依據(jù)，雖能大體反映不同煤燃燒的難易程度，但應(yīng)用于劣質(zhì)煤時有較大的誤差。這是由于只有在煤巖組成相近情況下，揮發(fā)分才能作為燃燒特性的判定依據(jù)[2]。采用單一指標作為煤燃燒特性的判定依據(jù)，無法全面反映煤的著火和燃燒這一復(fù)雜物理化學過程中氧氣擴散、傳熱速度、升溫速度以及各物理化學特性對著火和燃盡過程的影響。近年來，又提出了氫碳比、固定碳與揮發(fā)分比以及其他一些指標來表征煤燃燒性能的優(yōu)劣。一、前言煤的燃燒特性綜合實驗第4頁/共42頁

目前，在我國的水泥行業(yè)中，特別是在干法水泥生產(chǎn)中，對煤的燃燒問題給予了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)方法中僅了解煤的工業(yè)分析值和發(fā)熱量，即評價煤質(zhì)的指標是：揮發(fā)分、水分、灰分、固定碳含量和發(fā)熱量，但經(jīng)常會出現(xiàn)工業(yè)分析值和發(fā)熱量相近的煤，而燃燒特性卻有很大區(qū)別的現(xiàn)象。為此我們通過煤的工業(yè)分析、發(fā)熱量的測定等傳統(tǒng)分析方法和熱失重分析、差熱分析等現(xiàn)代研究手段來研究煤的燃燒特性，從而達到合理選用燃料燃燒設(shè)備、合理利用資源、提高燃燒效率、降低生產(chǎn)消耗、現(xiàn)劣質(zhì)煤的有效利用的目的。一、前言煤的燃燒特性綜合實驗第5頁/共42頁從燃燒的角度來看，各種不同燃料均可歸納為兩種基本組成：可燃氣體如H2、CO及CmHn等固態(tài)炭.燃燒是指燃料中的可燃物與空氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨著有強烈的發(fā)光現(xiàn)象。燃燒有兩種類型:普通的燃燒，亦即正常的燃燒觀象?？咳紵龑拥臒釟怏w傳質(zhì)傳熱給鄰近的冷可燃氣體混合物層而進行火焰的傳播。通常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，僅每秒幾米，燃燒時壓力變化較小，一般可視為等壓過程。爆炸性燃燒，系靠壓力波將冷的可燃氣體混合物加熱至著火溫度以上而燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俣却?，約為1000—4000m/s。通常是在高壓、高溫下進行。一般窯爐中燃料的燃燒，屬于普通的（正常的）燃燒。二、基本概念煤的燃燒特性綜合實驗第6頁/共42頁發(fā)熱量：單位質(zhì)量或體積的燃料完全燃燒，當燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時所放出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量或熱值，單位為kJ／kg（kJ/Nm3）或MJ／kg（MJ／Nm3）。高位發(fā)熱量Qgr,p（定壓高位發(fā)熱量，grossconstantpressure）是燃料完全燃燒，并當燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣全部凝結(jié)為水的所放出的熱量；低位發(fā)熱量Qnet,p

（定壓低位發(fā)熱量，netconstantpressure）則是用燃料完全燃燒后，其燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時所放出的熱量。為方便表示，在此我們將Qgr,p表示為Qgr,將Qnet,p表示為Qnet。煤的燃燒特性綜合實驗二、基本概念第7頁/共42頁三、燃料的種類常用礦物燃料的分類種類天然燃料人工燃料固體燃料泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤、油頁巖、木柴焦炭、粉煤液體燃料石油汽油、煤油、柴油、重油、渣油等氣體燃料天然氣、石油拌氣、礦井氣高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、煉焦爐煤氣、地下氣化煤氣等

煤的燃燒特性綜合實驗第8頁/共42頁四、燃料組成及其表示方法◆燃料的組成及表示方法，隨燃料種類的不同而不同。◆

常用元素分析法和工業(yè)分析法來表示固體、液體燃料

的化學組成?！?/p>

根據(jù)元素分析法，煤中物質(zhì)是由碳（C）、氫(H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）五種元素及灰份（A）和水分（M）組成?！?/p>

工業(yè)分析組成包括水分（M）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）和固定碳（FC）（FixedCarbon）四種成分，其總量為100。煤的燃燒特性綜合實驗第9頁/共42頁◆表示煤組成的常用基準1）收到基（asreceived）：指使用單位收到的煤的組成，也即是實際使用的煤的組成。在各組成的右下角以“ar”表示。

Mar＋Var＋FCar十Aar=100%

2）空干基（airdry）：指分析實驗室里所用的空氣干燥煤樣的組成（將煤樣在20℃和相對濕度70％的空氣下連續(xù)干燥1小時后質(zhì)量變化不超過0.1%，即認為已達到空氣干燥狀態(tài)。此時煤中水分已與大氣達到平衡）。在各組成的右下角以“ad”表示。

Mad＋Vad＋FCad＋Aad=100％煤的燃燒特性綜合實驗四、燃料組成及其表示方法第10頁/共42頁◆表示煤組成的常用基準3）干燥基（dry）：指絕對干燥的煤的組成。這種基準不受煤在開采、運輸和貯存過程中水分變動的影響，能比較穩(wěn)定地反映成批貯存煤的真實組成，在各組成的右下角以“d”表示。Vd＋FCd＋Ad=100%

4）干燥無灰基（dryashfree）：指假想的無水無灰的煤的組成，由于煤的灰分在開采、運輸或洗煤過程中要發(fā)生變化，故除去灰分和水分后的煤組成，可排除外界條件的影響。該基準在各組成的右下角以“daf”表示。Vdaf＋FCdaf=100%煤的燃燒特性綜合實驗四、燃料組成及其表示方法第11頁/共42頁◆不同基準之間的換算已知的基所要換算的基收到基空氣干燥基干燥基干燥無灰基收到基1(100-Mad)/(100-Mar)100/(100-Mar)100/(100-Mar-Aar)空氣干燥基(100-Mar)/(100-Mad)1100/(100-Mad)100/(100-Mad-Aad)干燥基(100-Mar)/100(100-Mad)/1001100/(100-Ad)干燥無灰基(100-Mar-Aar)/100(100-Mad-Aad)/100(100-Ad)/1001煤的燃燒特性綜合實驗四、燃料組成及其表示方法第12頁/共42頁煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）

工業(yè)分析組成并不是燃料的原始組成，而是在一定條件下，用加熱的方法將燃料中極為復(fù)雜的成分加以分解和轉(zhuǎn)化而得到的。

根據(jù)工業(yè)分析組成，就可以初步判斷燃料的種類、性質(zhì)和工業(yè)用途。工業(yè)分析是動力燃料成分分析的一個重要項目。通常，將空氣干燥后煤樣放在烘箱中在102～105℃下加熱至干燥狀態(tài)，這樣失去的水分被稱為內(nèi)在水分或固有水分。取出稱量，若水分<2%不進行檢查性干燥，否則需進行檢查性干燥，步驟是將樣品重新放入干燥箱中烘干，每次30分鐘，再稱量，直至恒重（即質(zhì)量減少小于0.001克或增重）為止。以增重前的一次稱量結(jié)果來計算水分。煤的燃燒特性綜合實驗第13頁/共42頁灰分（A）是指煤在815℃燃燒后的殘留物，是煤中礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。（若灰分<15%不進行檢查灼燒，否則需進行檢查性灼燒，步驟是將樣品重新放入馬弗爐中灼燒，每次20分鐘，再稱量，直至恒重（即質(zhì)量減少小于0.001克或增重）為止。以增重前的一次稱量結(jié)果來計算灰分。）揮發(fā)分（V）是指在隔絕空氣的條件下，將煤加熱到900℃保溫7分鐘，從煤中有機質(zhì)分解出來的氣體產(chǎn)物。煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）煤的燃燒特性綜合實驗第14頁/共42頁主要儀器設(shè)備煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）煤的燃燒特性綜合實驗第15頁/共42頁

測量原理：煤發(fā)熱量的測定原理很簡單，即設(shè)法測定一定量試樣在完全燃燒時放出的熱量。目前常用的是伯斯路特于1881年發(fā)明的氧彈方法，把一定量的試樣放在密閉的充氧彈筒（俗稱氧彈）中完全燃燒。氧彈置于盛水的內(nèi)筒中，并被水完全浸沒。根據(jù)內(nèi)筒水溫的升高，計算出試樣的發(fā)熱量。由于測定時，試樣完全燃燒放出的熱量不僅被水吸收，亦被彈筒自身、內(nèi)筒、攪拌器和量熱溫度計等裝置吸收，這些裝置統(tǒng)稱為量熱系統(tǒng)。該量熱系統(tǒng)本身具有熱容量（亦稱水當量），需用已知標準發(fā)熱量的物質(zhì)（如苯鉀酸）進行標定，求出該系統(tǒng)的儀器常數(shù)。五、煤的發(fā)熱量測定（煤燃燒實驗2）煤的燃燒特性綜合實驗第16頁/共42頁主要的儀器設(shè)備煤的燃燒特性綜合實驗五、煤的發(fā)熱量測定（煤燃燒實驗2）第17頁/共42頁六、煤的燃燒特性的研究

1.煤粉的熱解特性

煤的熱解是指煤在加熱過程中釋放出氣體（揮發(fā)分）的過程。熱解研究應(yīng)包括兩個方面：氣態(tài)成分的生成過程和固態(tài)成分的孔隙結(jié)構(gòu)及形態(tài)變化。通常所談到的煤的熱解特性僅指揮發(fā)分的析出特性。實驗證明1.400℃之前，基本上只有CO2析出

2.在在400～600℃，C2H4、C2H6、CO、CH4和H2相繼達到最大值，同時焦油也在形成；

3.在600℃以后主要是H2和CO析出，并達到最大值。

4.通常工業(yè)生產(chǎn)中所用到的揮發(fā)分含量是煤的工業(yè)分析揮發(fā)分含量，它是按我國標準規(guī)定，將干燥的煤樣放在有蓋坩堝內(nèi)，在900±10℃的馬弗爐中加熱7min，煤樣所失去的重量。煤的燃燒特性綜合實驗第18頁/共42頁

2．煤粉的著火特性

以煤著火機理研究、煤粉的著火特性實驗研究及評判為主要內(nèi)容

煤粉著火機理的研究已有長達一個多世紀的歷程，其中一個主要的爭論是,煤的著火是均相還是非均相的。

均相著火:一般是指煤中的揮發(fā)分熱解、聚積到一定程度發(fā)生的著火。

非均相著火:是指氧氣擴散到焦炭表面，直接與顆粒發(fā)生反應(yīng)而著火。六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第19頁/共42頁3．煤粉的燃盡特性焦炭的非均相燃燒過程控制著煤粉燃燒的總速度，為國內(nèi)外學者所關(guān)注。研究內(nèi)容：碳與氧的反應(yīng)機理和燃燒反應(yīng)速度。對于碳與氧的反應(yīng)機理，一般認為碳與氧反應(yīng)時一氧化碳和二氧化碳都是其主要產(chǎn)物，兩種產(chǎn)物之比隨溫度上升而增加，并與碳的種類有關(guān)。煤焦的燃燒速度取決于焦的化學反應(yīng)速度和氣流的擴散速度六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第20頁/共42頁4．著火點及著火方式的確定

著火點的確定：將熱天平置于一封閉爐中，加熱爐緩慢升溫，記錄爐內(nèi)分別為空氣及氮氣情況下煤（煤焦）的失重曲線。將這兩條曲線畫在一個圖中，則當曲線出現(xiàn)分離點時就表明顆粒著火了（即焦炭著火了）。

著火方式判斷：均相著火還是非均相著火、聯(lián)合著火方式的確定。5.燃盡動力學參數(shù)的確定將各煤樣制成顆粒直徑1000μm-5000μm的圓球，在105℃下烘干1小時放入帶蓋坩堝，再于850℃無氧狀態(tài)下加熱至恒重，得到煤焦，放入干燥器內(nèi)備用，同時測得各煤焦密度ρc。將爐溫設(shè)置在850℃，爐內(nèi)氣氛為自然空氣，高溫進樣測得各煤焦重量與時間的對應(yīng)關(guān)系，當燃燒產(chǎn)物重量變化量在300秒內(nèi)均少于0.5%時,認為實驗結(jié)束。六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第21頁/共42頁6.特性指數(shù)的確定華中理工大學孫學信揮發(fā)份釋放特性指數(shù)D和煤的燃燒特性指數(shù)S，即：

式中：(dw/dt)vmax為揮發(fā)分最大釋放速度,Tmax為其對應(yīng)的溫度；

△T1/3是(dw/dt)v/(dw/dt)vmax=1/3時對應(yīng)的溫度區(qū)間。

(dw/dt)max為煤的最大燃燒速度,(dw/dt)mean為平均燃燒速度，Ti為著火溫度，Th為燃盡時對應(yīng)的溫度。六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第22頁/共42頁6.特性指數(shù)的確定清華大學的付維標等提出煤粉著火特性的指數(shù)Fz，即：清華大學韓洪樵提出煤的綜合可燃性指標S：六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第23頁/共42頁7．實驗方法

(1)熱失重分析法（煤燃燒實驗3）又稱熱天平法。煤的燃燒過程是一個重量損失過程，因此通過分析失重-溫度或失重-時間曲線可以獲得許多煤燃燒的信息。六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第24頁/共42頁(2)差熱分析法（煤燃燒實驗4）

差熱分析的基本原理是：差熱分析是把試樣與參比物質(zhì)，置于差熱電偶的熱端所對應(yīng)的兩個樣品座內(nèi)，在同一溫度場中加熱。當試樣加熱過程中產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)時，試樣的溫度就會低于或高于參比物質(zhì)的溫度，差熱電偶的冷端就會輸出相應(yīng)的差熱電勢。通過檢流計偏轉(zhuǎn)與否來檢測差熱電勢的正負，就可推知是吸熱或放熱效應(yīng)。在與參比物質(zhì)對應(yīng)的熱電偶的冷端連接上溫度指示裝置，就可檢測出物質(zhì)發(fā)生物理化學變化時所對應(yīng)的溫度。六、煤的燃燒特性的研究煤的燃燒特性綜合實驗第25頁/共42頁煤的工業(yè)分析（參照實驗指導(dǎo)書）煤的發(fā)熱量（參照實驗指導(dǎo)書）著重介紹熱失重數(shù)據(jù)的分析與處理七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第26頁/共42頁

熱失重數(shù)據(jù)的分析與處理▲數(shù)據(jù)處理軟件介紹●Excel●OriginOrigin作為一個強大的基于圖形化的數(shù)據(jù)作圖軟件，盡管其功能非常繁多和強大，但使用起來還是非常簡單。七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第27頁/共42頁1.Origin軟件啟動七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第28頁/共42頁2.導(dǎo)入數(shù)據(jù)七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第29頁/共42頁3.作質(zhì)量－時間圖（1）七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第30頁/共42頁3.作質(zhì)量－時間圖（2）七、實驗數(shù)據(jù)的處理煤的燃燒特性綜合實驗第31頁/共42頁4.作溫度－時間圖（1）