第二章 燃料及其燃烧特性

1、第二章 燃料及其燃烧特性燃料核燃料有机燃料固体燃料液体燃料气体燃料第一节第一节 燃料分类燃料分类 燃料的种类和特性对锅炉的安全性和经济性燃料的种类和特性对锅炉的安全性和经济性有密切关系。在锅炉的设计和运行中，由于燃料有密切关系。在锅炉的设计和运行中，由于燃料的不同、锅炉受热面积的大小、炉膛高矮、燃烧的不同、锅炉受热面积的大小、炉膛高矮、燃烧器型式、空气预热器面积的大小、受热面的污染、器型式、空气预热器面积的大小、受热面的污染、磨损、腐蚀等情况均会不同。磨损、腐蚀等情况均会不同。 根据获得燃料的方法根据获得燃料的方法，可将直接从自然界取得，可将直接从自然界取得未经工艺加工的燃料称为天然燃料，如原

2、煤、原油未经工艺加工的燃料称为天然燃料，如原煤、原油及天然气。将经过工艺加工后的木炭、焦炭和石油及天然气。将经过工艺加工后的木炭、焦炭和石油制品则称为人工燃料。制品则称为人工燃料。 根据用途根据用途，将用于炼焦、锻造和化工的焦结性，将用于炼焦、锻造和化工的焦结性好、含杂质少的燃料称为好、含杂质少的燃料称为工艺燃料工艺燃料。不适于做工艺。不适于做工艺燃料的锅炉燃用的燃料称为燃料的锅炉燃用的燃料称为动力燃料动力燃料。 我国的燃料政策我国的燃料政策是，尽量不烧油和天然气；尽是，尽量不烧油和天然气；尽量不使用工艺燃料；尽量使用当地出产的煤；在使量不使用工艺燃料；尽量使用当地出产的煤；在使用过程中应尽量

3、采取措施减少污染。用过程中应尽量采取措施减少污染。 我国占世界煤产量的我国占世界煤产量的25，而煤炭占我国一而煤炭占我国一次能源消费量的次能源消费量的75。我国煤炭资源相对较为丰。我国煤炭资源相对较为丰富，而石油和天然气资源相对不足。富，而石油和天然气资源相对不足。 煤是由多种有机物和无机物混合组成的复杂煤是由多种有机物和无机物混合组成的复杂的固体碳氢燃料。它是远古植物遗体随地壳的变的固体碳氢燃料。它是远古植物遗体随地壳的变动被埋入地下，长期在地下温度、压力较高的环动被埋入地下，长期在地下温度、压力较高的环境中，植物中的纤维素、木质素经脱水腐蚀，含境中，植物中的纤维素、木质素经脱水腐蚀，含氧量

4、不断减少，碳质不断增加，逐渐形成化学稳氧量不断减少，碳质不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量高的固体碳氢燃料。定性强、含碳量高的固体碳氢燃料。 动力用煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大类。动力用煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大类。 第二节第二节 煤的常规特性煤的常规特性一、煤的组成特性一、煤的组成特性 1、煤的元素分析、煤的元素分析 碳、氢、氧、氮、硫碳、氢、氧、氮、硫 碳碳是煤中含量最多的确可燃元素。是煤中含量最多的确可燃元素。 氢氢是煤中发热量最高的物质，燃点低，易点燃。是煤中发热量最高的物质，燃点低，易点燃。煤中氢的含量较少。煤中氢的含量较少。 氧和氮氧和氮是不可燃物质，其含量也较少。煤中的是不

5、可燃物质，其含量也较少。煤中的氮在高温条件下易生成污染大气的氮在高温条件下易生成污染大气的NOx，被视为有被视为有害元素。害元素。 硫硫常以三种形式存在，即有机硫、硫化铁硫、常以三种形式存在，即有机硫、硫化铁硫、硫酸盐硫。前两种可燃，称为挥发硫，后一种归入硫酸盐硫。前两种可燃，称为挥发硫，后一种归入灰分。一般在计算含硫量时应采用全硫分。硫的燃灰分。一般在计算含硫量时应采用全硫分。硫的燃烧产物烧产物S02和和S03会造成锅炉金属的腐蚀并污染大气。会造成锅炉金属的腐蚀并污染大气。 灰分灰分为不可燃物质。灰分存在不仅使燃料发热为不可燃物质。灰分存在不仅使燃料发热量减少，而且影响燃料着火燃尽，也是造成

6、积灰、量减少，而且影响燃料着火燃尽，也是造成积灰、结渣、磨损的主要因素。结渣、磨损的主要因素。 水分均为不可燃物质水分均为不可燃物质,水分会使炉内温度水分会使炉内温度下降，影响着火，并增大排烟热损失，还会下降，影响着火，并增大排烟热损失，还会加剧尾部受热面腐蚀和堵灰。加剧尾部受热面腐蚀和堵灰。 煤中的水分在自然干燥条件下失去的部分，称煤中的水分在自然干燥条件下失去的部分，称为为外部水分外部水分，而剩余部分称为，而剩余部分称为内部水分内部水分，两部分之，两部分之和称为和称为全水分全水分。二、工业分析二、工业分析 在一定的实验室条件下的煤样，分析得出水在一定的实验室条件下的煤样，分析得出水分、挥发

7、分、固定碳和灰分这四种成分的质量百分、挥发分、固定碳和灰分这四种成分的质量百分数的过程，称为工业分析。分数的过程，称为工业分析。 取取1g左右的自然干燥后的煤粉样放人预先加左右的自然干燥后的煤粉样放人预先加热至热至1455C的干燥箱中，干燥的干燥箱中，干燥1h后，试样质量后，试样质量减轻的量占原质量的百分数即为减轻的量占原质量的百分数即为空气干燥基水分空气干燥基水分。此数值与外部水分值相加即为全水分。此数值与外部水分值相加即为全水分。 挥发分挥发分是煤在加热过程中有机质分解而析出是煤在加热过程中有机质分解而析出的气体物质。主要是由各种碳氢化合物、氢、的气体物质。主要是由各种碳氢化合物、氢、一氧

8、化碳、硫化氢等可燃气体组成的，另外还一氧化碳、硫化氢等可燃气体组成的，另外还有少量的氧、二氧化碳、氮等不可燃气体。碳有少量的氧、二氧化碳、氮等不可燃气体。碳化程度不同，挥发分的析出温度以及挥发分的化程度不同，挥发分的析出温度以及挥发分的含量也不同。挥发分燃点低，易于着火燃烧，含量也不同。挥发分燃点低，易于着火燃烧，对锅炉工作影响较大，其含量常做为煤的分类对锅炉工作影响较大，其含量常做为煤的分类的重要依据。的重要依据。 v煤在失去水分和挥发分后剩余部分即为煤在失去水分和挥发分后剩余部分即为焦碳焦碳，它包，它包括括固定碳固定碳和灰分。和灰分。v 将煤粉样放在高温炉中，按规定方法升温至将煤粉样放在高

9、温炉中，按规定方法升温至81510 C，并加热并加热1h，冷却至室温后称重，剩余冷却至室温后称重，剩余重量占原煤样重量的质量百分数即为空气干燥基灰重量占原煤样重量的质量百分数即为空气干燥基灰分的含量。将原煤粉样中水分、灰分、挥发分扣除分的含量。将原煤粉样中水分、灰分、挥发分扣除后，即为空气干燥基固定碳的质量百分数。发电厂后，即为空气干燥基固定碳的质量百分数。发电厂中均可做煤的工业分析。中均可做煤的工业分析。 3、煤的成分计算基准v收到基 Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%v空气干燥基 Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%v干燥基 Cd+

10、Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%v干燥无灰基 Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%4、煤的计算基准的换算 x=Kx0二、煤的发热量1、定义、定义v弹筒发热量弹筒发热量v高位发热量高位发热量v低位发热量低位发热量2、换算、换算3、以收到基低位发热量为基准的其他概念、以收到基低位发热量为基准的其他概念（1）折算成分）折算成分 规定每送入锅炉规定每送入锅炉4182kJkg热量热量(即即 1000kcalkg)，带入锅炉的水分、灰分和硫分称为带入锅炉的水分、灰分和硫分称为折算水分、折算水分、折算灰分、折算硫分。折算灰分、折算硫分。 （2）标准煤）标准煤 收到基发热量为收到基

11、发热量为29270kJkg (7000kcalkg)的的煤为标准煤。煤为标准煤。第二节第二节 煤的燃烧特性分析煤的燃烧特性分析常规特性对锅炉工作的影响常规特性对锅炉工作的影响v挥发分的影响v水分的影响v灰分的影响v灰渣熔融性的影响v硫分的影响v快速热分解快速热分解v中速热分解中速热分解v慢速热分解慢速热分解一一 、 煤的热分解机理煤的热分解机理二、煤的热重分析二、煤的热重分析v热重法（热重法（thermogravimetry, TG）是在程序是在程序控制温度下测量物质的质量与温度关系的一种技术。控制温度下测量物质的质量与温度关系的一种技术。用于热重法的仪器是热天平，它能连续记录质量与用于热重法

12、的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关系（温度的函数关系（TG曲线）。工作时，一般以程序曲线）。工作时，一般以程序控制温度的方式来加热或冷却样品，或使样品保持控制温度的方式来加热或冷却样品，或使样品保持在某个恒定的温度，或进行某种程序的循环。在某个恒定的温度，或进行某种程序的循环。差热分析差热分析 差热分析（差热分析（differential thermal analysis,DTA）：）：在在程序控制温度下，测量试样与参比物之间的温度差与程序控制温度下，测量试样与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。温度关系的一种技术。 煤的热重分析技术的应用煤的热重分析技术的应用v热重分析在煤的

13、工业分析中的应用热重分析在煤的工业分析中的应用v热重分析在煤热解特性研究中的应用热重分析在煤热解特性研究中的应用v热重分析在煤燃烧特性研究中的应用热重分析在煤燃烧特性研究中的应用v热重分析在煤的工业分析中的应用热重分析在煤的工业分析中的应用 从从70年代起，国外就有人利用热重分析方年代起，国外就有人利用热重分析方法对煤进行研究，结果表明利用非等温热重法法对煤进行研究，结果表明利用非等温热重法所测定的挥发分和灰分的含量与美国材料实验所测定的挥发分和灰分的含量与美国材料实验标准值（标准值（ASTM）很一致。国内的研究也表明，很一致。国内的研究也表明，利用利用TGA法，选择一定的条件，可以进行煤的法

14、，选择一定的条件，可以进行煤的快速工业分析，其误差在标准方法规定的误差快速工业分析，其误差在标准方法规定的误差范围内。范围内。 由于微机在由于微机在TGA仪器上的应用，使得实仪器上的应用，使得实验过程中得升温程序，气氛切换等实验条件验过程中得升温程序，气氛切换等实验条件可以由计算机控制，这就保证了煤样工业分可以由计算机控制，这就保证了煤样工业分析值的准确性和重复性。但需要指出的是，析值的准确性和重复性。但需要指出的是，由于由于TGA实验所需样品极少，仅为几十毫克，实验所需样品极少，仅为几十毫克，因此样品的选择和制备必须标准方法规定的因此样品的选择和制备必须标准方法规定的要求，进行煤样的选择、混

15、和、磨制和筛分，要求，进行煤样的选择、混和、磨制和筛分，以使样品具有代表性。以使样品具有代表性。v热重分析在煤热解特性研究中的应用热重分析在煤热解特性研究中的应用 煤的挥发分含量及其在加热过程中的释煤的挥发分含量及其在加热过程中的释放规律，即煤的热解特性。放规律，即煤的热解特性。 挥发分的热解规律及其产率受其热解时挥发分的热解规律及其产率受其热解时的加热速率影响很大。的加热速率影响很大。 随着加热速率的增加，挥发分的析出延迟了。 随着加热速率的影响，挥发分的析出率也随之增加。 相同的加热速率下，不同煤种挥发分开始析出温度不同，越年轻的煤种，其开始析出温度越低。v热重分析在煤燃烧特性研究中的应用

16、热重分析在煤燃烧特性研究中的应用 将少量有代表性的粉样置于天平支架上将少量有代表性的粉样置于天平支架上的坩埚内，通以氧或空气，按规定的升温速的坩埚内，通以氧或空气，按规定的升温速度进行升温，随着温度的升高，试样的失重度进行升温，随着温度的升高，试样的失重率不断发生变化，最后燃尽，记录失重率随率不断发生变化，最后燃尽，记录失重率随温度的变化曲线即称为温度的变化曲线即称为“燃烧分布曲线燃烧分布曲线”v燃烧分布曲线热重分析法判断煤的着火特性v挥发分初析温度Ts DTG曲线上对应失重率=0.1mg/min的温度v挥发分在700摄氏度前的可燃物失重量W700v挥发分释放特性指数D D=(dW/t)max

17、/TmaxT1/3 (dW/t)max:挥发分最大释放速度峰值； Tmax： (dW/t)max的温度；T1/3：(dW/t)/(dW/t)max=1/3的温度区间 当D2E-6时，煤种着火性能较好，一般不存在着火困难的问题。 当D2E-6时，煤种着火温度一般较高，会遇到着火困难的问题。v可燃性判别指数C C=R1max106/Ti2 (mg/min.k)R1max：易燃峰的最大反应速度（mg/min ）Ti：开尔文温标表示的试样着火温度。 C值对煤燃烧着火稳定性的判别界限如下： C 09* 10-6 极难稳定区 C（0.9-1.4) * 10-6 难稳定区 C(1.41.75）* 10-6

18、中等稳定区 C（1.752.3)* 10-6 易稳定区 C2.3 * 10-6 极易稳定区v稳燃判别指数 M1=4.7e-0.0052Ti+4.6e-.0044T1max+0.0091e0.36W1max+0.011e0.44G1式中Ti着火温度； Tlmax最大失重速度时对应的温度； Wlmax最大失重速度； Gl失重量。 M1越小，越难稳定， M1越大，燃烧越稳定。v火焰稳定性指数 Fith=Rmax/Ti(Tmax-Ti) Rmax为最大反应指数 Tmax为最大反应指数所对应的最大反应温度。 Fith 是综合了热分析曲线评价煤着火特性的特征点提出的综合性指标， Fith越大着火性能就越好

19、。 v煤着火稳燃特性综合判别指标 Rw=560/Ti+650/T1max+0.27W1max 西安热工所与普华燃烧研究中心共同制定的煤着火稳燃特性指标。该指标已被用至锅炉设计型谱中，用于表征煤质着火稳燃特性。 煤的燃尽特性判别指标v平均燃烧速度Wmean 将100mg煤样中可燃质的毫克数与其总燃烧时间之比为可燃质平均燃烧速度。 总燃烧时间以加热炉降到固定位置时刻起算，到燃烧结束为止。 v煤的燃尽指数 N=0.55G2+0.0043T2max+0.1498+ 0.2798-3.7 N越大，越难燃尽v燃尽特性综合判别指数Rj Rj=1/Nv燃烧特性指数S S=(dW/dt)max(dW/dt)me

20、an)/(TiTh) (dW/dt)max最大燃烧速度 (dW/dt)mean平均燃烧速度 Ti着火温度， Th燃尽温度 S越大，煤的燃烧特性越佳。v煤焦燃烧综合指数R R=R700/ R700700摄氏度恒温下最大反应速度 5mg燃质煤焦在700摄氏度下从切换O2开始到样品全部燃尽时间 R 越大，煤越易燃尽v煤的燃尽率曲线燃尽率%时间，min第四节第四节 我国动力用煤的燃烧特性我国动力用煤的燃烧特性v我国煤的分类v发电厂用煤的质量标准v各类煤质的燃烧特性 第五节 煤灰的结渣和积灰特性一、煤灰的熔融性1、煤灰的熔融性及其三个特征温度的确定v变形温度DTv软化温度STv流动温度FT 2.灰的黏度 熔化的灰分随着温度下降，其黏度升高。当温度下降时，灰渣在狭窄的温度范围内从液态转变为固态，而无明显的塑性区，此灰渣属于短渣；短渣不易产生受