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1、目 录第二章 煤粉锅炉设备原理第一节 概述第二节 燃料特性第三节 煤的燃烧计算和锅炉机组的热平衡第四节 制粉系统第五节 燃烧设备第六节 蒸发系统与水循环第七节 过热器和再热器第八节 省煤器和空气预热器第九节 超临界锅炉特点第二章 煤粉锅炉设备原理将燃料的化学能能转变成工质的热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。锅炉的燃烧设备为燃料提供良好的燃烧条件，以求能把燃料的化学能最大限度地释放出来并转化为热能，再利用换热装置利用烟气的热量把工质水加热成为热水或蒸汽。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的
2、热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业等。用于发电的锅炉称为电站锅炉。第一节 概述一、锅炉的发展1720年，英国人海科（Haycock）首先发明了锅炉。这时的锅炉和开水壶没有多大区别，即在金属锅壳里充满水，在底部加热。锅炉结构如图2-1所示。图2-1 1720年Haycock锅炉18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特发明的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。
3、18世纪下半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8MPa左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1804年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火（烟气）在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为
4、卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。图2-2为早期的火管锅炉。早期的这两种锅炉都是对装有大量饱和水的容器直接加热，存在引起灾难性的爆炸的危险。尤其是火管锅炉，燃料在相对密封的小空间里燃烧，爆炸危险更大。这种危险几乎危及工业的继续发展。火管锅炉被逐渐淘汰。19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。图2-3为水管锅炉结构。图2-2 180
5、4年的Trevithick火管锅炉图2-3 水管锅炉二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从1930年代开始应用直流锅炉，1940年代开始应用控制循环锅炉。控制循环锅炉又称强制循环锅炉，它
6、是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，1970年代投产的27MPa压力配1300MW发电机组仍然是目前世界上最大的单台容量机组，为双轴机组，共有9台
7、，均在美国。单轴机组最大容量为1200MW，全世界仅有1台，在俄罗斯投运。后来又发展了由控制循环锅炉和直流锅炉结合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物（硫氧化物和氮氧化物）。早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构
8、在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。发电机组功率超过6MW时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以1920年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧
9、方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。1970年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。在燃煤（特别是燃褐煤）的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。1921年德国人温克勒发明了流化床燃烧方式。流化床燃烧属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在流化床中掺入石灰石用以脱硫。循
10、环流化床作为一种洁净煤发电技术，目前也受到重视。世界上第一台460MW超临界循环流化床锅炉已经在波兰Lagisza电厂成功投运，世界首台容量最大的600 MW超临界循环流化床锅炉也开始在四川白马电厂兴建。目前，电站煤粉锅炉已发展到第二代，即高效燃烧，完全脱硫，部分脱硝的超超临界锅炉。正在研制第三代即更高参数、污染零排放的超超临界锅炉。二、锅炉的工作过程锅炉是一种能源转换设备，将燃料中的化学能，最有效地转换为蒸汽的热能。工作的基本过程是燃料在锅炉炉膛内燃烧，生成高温烟气，然后利用换热器，通过辐射及对流换热，将工质水加热成为过热蒸汽。锅炉的原料是燃料，产品是符合一定质量要求的过热蒸汽。超临界锅炉结
11、构和工作过程如图2-4所示。锅炉的工作过程可简单分为燃烧过程和传热过程。燃烧过程由“炉”的设备完成，传热过程由“锅”的设备完成，即由燃烧系统和汽水系统完成锅炉的工作。图2-4 超临界锅炉结构及工作过程示意图1-省煤器；2-过热器；3-再热器在燃烧系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。原煤和一部分热空气一起送入磨煤机。原煤在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合，完成低NOx燃烧，放出大量热量。燃烧后的高温烟气顺序流经炉膛、过热器、再热器、省煤器和空气预热器放出热量后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，由引风
12、机送往湿法脱硫塔，最后经烟囱排向大气。有的锅炉在省煤器前的烟道中布置有SCR烟气脱硝装置，进一步降低NOx排放。在汽水系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器吸收烟气热量，进一步加热以后经悬吊管引出送入下降管，沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热后形成微过热蒸汽经引出管到达分离器。分离器出来的蒸汽流往各级过热器，继续吸热成为540600的过热蒸汽，然后送往汽轮机高压缸做功。汽轮机高压缸排汽进入锅炉的再热器，吸热后升温到540600，进入汽轮机中压缸做功。在超临界锅炉启动过程中，水冷壁出口的工质为饱和温度的汽水混合物，在分离器中经汽水分离后，饱和蒸汽进
13、入各级过热器，分离出来的饱和水经循环泵流入省煤器和水冷壁系统，形成循环。当达到一定负荷时，水冷壁出口工质为微过热蒸汽，分离器进入干态运行，等于一个中间混合联箱，不再具有分离功能。三、锅炉的结构 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、汽包（或启动分离器）、燃烧器、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。制粉系统、风机、除尘输灰、烟气净化、热工测量与控制系统等为锅炉的辅助系统。1.炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，经
14、燃烧器喷入燃烧室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉，烧煤的锅炉称为煤粉炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为流化床炉，又称沸腾炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈燃烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。目前超临界锅炉只采用煤粉燃烧方式。原煤经给煤机送入磨煤机磨制成煤粉，经热风干燥、输送到燃烧器，喷入炉膛燃烧。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰，生成高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热，将离开炉膛的烟气冷却到合适的温度，使后面的受热面不会结渣。炉膛设计需要
15、充分考虑燃用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。2.汽包汽包是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。汽包筒体由优质厚钢板制成，是自然循环锅炉中最重的部件之一。汽包的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的杂质，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中，影响机组的安全经济运行。超临界锅炉没有汽包，但有类似汽包的启动分离器，就像个小汽包，里面也有汽水分离装置。超临界锅炉在启动时，蒸汽压力一般也要从低到高逐渐升压，从亚临界过渡到超临界压力，变压运
16、行的超临界锅炉在低负荷时蒸汽压力也为亚临界压力。在亚临界压力以下时，水冷壁出口工质为饱和温度的汽水混合物，如果让汽水混合物直接进入过热器系统，会危及锅炉和汽轮机的安全运行，因此需要将水分离出来，送回省煤器和水冷壁系统，形成再循环，在启停过程中能保持水冷壁流量高于最低流量要求，保护水冷壁。另外，直流锅炉没有蒸汽清洁功能，需要保证给水品质。在冷态清洗时，启动系统将清洗水返回给水系统。直流锅炉的启动系统可分为内置式和外置式分离器两大类。现在一般采用内置式启动分离器，即分离器与过热器之间无隔绝阀门，启动系统按全压设计。超临界锅炉的启动系统一般还配有循环泵，可大大减少启动时的工质损失和热损失，并且大大减
17、轻热态启动时对锅炉的热冲击。3.燃烧器燃烧器是燃烧过程的组织者，把煤粉气流以一定的气流结构送入炉膛，组织燃烧过程，保证煤粉气流稳定着火，完全燃尽，减少污染物的生成。燃烧器按照气流结构分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。燃烧过程完成后，燃料的热量释放到了烟气中，各种受热面吸收烟气的热量，把给水加热成过热蒸汽。按照水汽的流程，受热面依次为：省煤器、水冷壁、过热器、再热器。还有把燃烧用的空气加热的空气预热器。需要说明的是，空气预热器的吸热量不是锅炉的有效利用热量，这部分热量又从燃烧器送入炉膛，一直循环使用。烟气最后经除尘脱硫，排入大气。从锅炉的生产过程看，锅炉的结构分为燃烧系统和汽水系统两大结构系统。
18、其主要的主辅设备有：燃烧及污染处理系统：原煤仓、给煤机、磨煤机、送风机、空气预热器、燃烧器、炉膛；电除尘器、除渣输灰系统、湿法脱硫系统。还有相应的测量控制系统。汽水系统：省煤器、水冷壁、汽水分离器、过热器、再热器、相应的测量控制系统等。锅炉未来的发展将进一步提高锅炉热效率和辅机效率；降低锅炉的单位功率的设备造价；提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平；发展更多锅炉品种以适应不同的燃料；提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性；减少对环境的污染。四、锅炉的分类锅炉的种类和用途很多，按照不同的标准，可以对锅炉进行分类，以了解锅炉的性能与用途。1锅炉参数 锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸
19、汽压力、蒸汽温度、给水温度等。 锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量，单位为t/h。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。锅炉容量和配套机组的发电功率是一一对应的。600MW机组锅炉容量为2000t/h左右，300MW机组锅炉容量为1000t/h左右。蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热器出口处的过热蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度。表2-1为超临界机组参数的发展方向。表2-1 超临界参数发展方向主蒸汽压力/MPa293033.540主蒸汽温度/5
20、82582610700再热蒸汽温度/580600630720再热蒸汽压力/MPa87.49.311.2机组循环热效率/%47495052552锅炉分类（1）按容量分：现在一般把发电功率300MW及以上的机组配置的锅炉称为大容量锅炉。（2）按蒸汽压力分：大容量锅炉可分为亚临界和超临界两大类。蒸汽的临界压力为22.13MPa，对应的饱和温度为374。如果主蒸汽压力超过临界压力，则为超临界锅炉。主蒸汽压力为1618MPa的为亚临界锅炉。（3）按用途分：电站锅炉（发电）、工业锅炉（工业生产工艺供汽或供暖）、热水锅炉（民用热水或供暖）、余热锅炉（不用燃料）。 （4）按燃烧方式分：煤粉炉（悬浮燃烧）、循环
21、流化床锅炉（流化床燃烧）、火床炉。（5）按蒸发系统循环方式分：自然循环锅炉、直流锅炉、控制循环锅炉、复合循环锅炉。直流锅炉没有汽包，给水在给水泵提供的压力作用下，顺序依次通过加热、蒸发、过热受热面，工质在锅炉的内部不进行循环，但在启停过程中有循环。超临界参数锅炉只能采用直流锅炉。（6）按排渣方式分：固态排渣锅炉、液态排渣锅炉。 我国电站锅炉的型号一般按图2-5所示的方式表示。制造厂家一般以中文拼音首字母表示。目前国产600MW超临界锅炉的制造厂有四家，上海锅炉厂以SG表示，哈尔滨锅炉厂以HG表示，东方锅炉厂以DG表示，北京巴威以B&WB表示。额定蒸发量以数字表示，单位t/h不标出；额定蒸汽压力
22、以主蒸汽压力的数字表示，单位MPa不标出。燃料代号也以中文拼音首字母表示，如煤用M表示。设计次序等可以标出，也可省略。还可以加上其它参数如再热蒸汽温度等。图2-5 我国电站锅炉型号 如B&WB-1950/25.41-M锅炉，表示由北京巴威生产的蒸发量为1950t/h，额定蒸汽压力为25.41MPa的燃煤超临界锅炉。我国四大锅炉厂为上锅、东锅、哈锅、北京巴威。 要更好地了解锅炉性能，需要将锅炉的基本情况分清楚。即把锅炉的参数、容量、燃烧方式以及生产厂家等信息介绍清楚，就能了解锅炉的基本性能。在介绍锅炉总体情况时，除了锅炉型号所包含的信息外，还需要补充一些信息。例如上述的北京巴威超临界锅炉，在介绍
23、总体情况时，可以介绍为：该锅炉为超临界参数、螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的P型锅炉，锅炉配有带循环泵的内置式启动系统。锅炉设计煤种为神华烟煤，校核煤种为晋北烟煤。锅炉采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，配置B&W公司最新研制的DRB-4Z超低NOx双调风旋流燃烧器及NOx（OFA）喷口。尾部设置分烟道，采用烟气分流挡板调节再热器出口汽温。这样就可以了解锅炉的基本性能。五、锅炉总体概况以东锅600MW超临界锅炉为例，介绍锅炉总体概况。DG-1900/25.4/571/569煤粉锅炉，锅炉为超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，单炉膛，尾
24、部双烟道结构，采用尾部烟气调节挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置，燃用晋南、晋东南地区贫煤、烟煤的混合煤种。锅炉总体布置如图2-6所示。锅炉过热器由顶棚及后竖井包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器组成。再热器系统由低温再热器和高温再热器组成。炉膛的宽、深、高尺寸为22.162 4 m15.456 8 m62m，炉膛截面积为343m2，炉膛容积为18675m3。采用中速磨直吹式制粉系统，配6台MPS磨煤机，其中1台备用。煤粉细度200目筛通过量为80%。燃烧系统采用前后墙对冲燃烧方式，24只HT-NR3燃烧器分3层布置在炉膛前后墙上。在燃烧器中，燃烧的
25、空气被分为3股，即直流一次风、直流内二次风和旋流外二次风。燃烧器上部布置有燃尽风OFA风口，12只燃尽风风口分别布置在前后墙上。锅炉启动系统主要由除氧器、给水泵、高压加热器、汽水分离器、储水罐、冷凝器等组成。锅炉机组在30年的寿命期间，允许的启停次数不高于下值：冷态启动（停机超过72h）：不超过500次；温态启动（停机72h内）：不超过4000次；热态启动（停机10h内）：不超过5000次。启动采用定-滑-定方式，在总的允许启停次数下的寿命消耗不大于70%。22%BMCR负荷开始湿/干态转换。给水温度284。锅炉运行性能：性能考核试验时锅炉热效率为93.15%；NOx排放为421mg/m3；最
26、低不投油稳燃负荷为848t/h，优于设计保证值45%BMCR（855t/h）。图2-6 DG-1900/25.4/571/569锅炉总体布置第二节 燃料特性经过燃烧过程能释放出热量的可燃物质称为燃料。燃料可分为核燃料和有机燃料。有机燃料按其物态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。固体燃料以煤为主，液体燃料以石油为主，气体燃料以天然气和煤气为主，这些不可再生的有机燃料也称为化石燃料。根据燃料获得的方法，可分为天然燃料，即从自然界直接获取未经工艺加工的燃料，如原油、煤和天然气；人工燃料，即把天然燃料经过工艺加工后得到的燃料，如煤气、焦炭和成品油。根据燃料的用途，可分为工艺燃料，即用于各种工艺过程，
27、为优质燃料，如用于炼钢的焦炭；动力燃料，只用于燃烧利用其热量，如劣质煤。我国电站锅炉以燃煤为主，本节主要介绍煤的特性。当然，随着新能源的开发，可再生能源也逐步成为电站锅炉燃料，如生物质，包括秸秆等农业废弃物和城市生活垃圾；其他生产过程副产品，如高炉煤气等。一、煤质特性煤是世界上最重要的燃料。在早期历史的记载中人们对煤的直接燃烧就已有了认识。根据资料，中国人早在公元前1000年就使用了煤，希腊和罗马人在公元前200年以前开始利用煤。到公元1215年，在英格兰开始了煤的贸易活动。全世界迄今为止已开采和消耗掉的煤合计约为1600亿吨，即占可采储量的20%左右，对估计储量仅占1.3%。所以，对主要的产
28、煤国来说，可开采的煤仍然很丰富，包括我国，估计还可继续开采300年左右。不断增长的能源需求意味着，所有的现有常规能源终究会被耗尽，煤也不能例外。不过在很长时间内，它仍然是发电的主要燃料和生产焦炭与煤气的原料。煤是由植物经过数百万年的化学和地质过程而形成的。植物残骸随地壳运动被埋入地下，长期处于地下高温、高压、隔绝空气、细菌环境，经过数百万年的化学和地质过程而形成化学特性稳定、含碳量高的固体化合物-煤。把植物残骸变成煤的地质化学过程称为煤化。随地质年代等不同，一般分为褐煤、烟煤和无烟煤。煤化过程的第一个产品是泥煤，一般包括部分腐烂的茎、小枝和树皮，它并不是煤的分类。泥煤进一步煤化形成褐煤，褐煤再
29、通过适当的地质变化过程而最终形成无烟煤。其形成过程如图2-7所示。 图2-7 煤的形成过程示意图 在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、 灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化。 当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。 经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同。二、煤的组成特性煤的化学成分组成是不均匀的，并随地域的不同而改变。除了主要的有机成分（碳、氢、氧）外，煤也含有杂质
30、。这些杂质主要包括灰分和硫。灰分主要来源于煤化过程中掺进的无机物矿石。灰分的成分中还包括一些无机物，如二氧化硅，它是植物化学结构的一部分。溶解的无机物离子和矿物颗粒在早期的煤化过程中也会被有机物捕获。泥浆、页岩和黄铁矿也沉积在煤层的小孔和缝隙中。虽然煤是一种复杂的、不均匀的混合物，并且不是一种聚合物或生物分子，但是一些化学家经过研究提出了假想的煤的分子结构，这些分子结构可作为模型来描述煤的反应机理，还能进一步帮助煤加工业的发展，如煤热解、气化、燃烧和液化。煤的假想大分子结构如图2-8所示。图2-8 煤的假想大分子结构 煤是一种有机沉积岩石，利用研究岩石的方法来研究煤，称为煤岩学。煤由各种在光学
31、显微镜下可辨别的细微颗粒-显微组分组成。显微组分可分为有机显微组分和无机显微组分两部分。无机显微组分来源于地壳中的岩石。有机显微组分来源于成煤植物，通常分为镜质组、壳质组和惰质组。惰质组主要由丝质体组成，为惰性成分；镜质组和壳质组为活性成分，易于燃烧。虽然煤的化学组成十分复杂，但作为动力燃料使用，只要能了解它与燃烧相关的组成，如利用现行的元素分析和工业分析方法分析其成分，就能满足电站锅炉燃烧技术和有关的计算要求。 煤质检验一般分为两大类，一类是测定煤中固有成分及性质，如元素分析和工业分析等；另一类是在人为规定的条件下，测定煤经转化后生成物的性质，如挥发分、灰分、粘结性等。后一类通常称为规范性实
32、验，它所测定的对象，不是煤所固有的，而是在一定实验条件下所产生的物质或性能，测定结果随实验条件（如加热条件、时间等）而改变。 另外，煤是粒度和化学组成很不均匀的大宗散装固体物质，要从一采样单元的煤中（数百至数千吨），采制出少量样品，使其能代表这一单元煤的平均质量，具有很大的难度，必须遵循一定的原则和科学取样方法，才可能获得具有代表性的煤样。燃煤采制样方法可参考相关标准资料。三、煤的元素分析煤所含元素达数十种，一般分为可燃成分和不可燃成分。不可燃成分即无机物部分都归入灰分当中，可燃成分一般为有机物。煤中有机物质主要由碳、氢、氧、氮、硫组成。此外，还有极少量的磷和其他元素，一般忽略不计。煤的元素分
33、析指对煤中有机质主要组成成分-碳、氢、氧、氮、硫等五种元素含量和水分及灰分含量的测定和计算。用煤的元素分析结果表示的煤的组成称为煤的元素分析组成，包括五种元素以及水分M和灰分A。煤的元素组成是评价燃料质量的重要指标，也是锅炉设计和燃烧控制的重要依据。元素分析是动力燃料成分分析的重要项目。煤的元素分析组成以质量百分数表示为： C+H+O+N+S+M+A=100% （2-1）需要说明的是，煤中硫以三种形式存在，即有机硫、硫化物硫和硫酸盐硫，统称为全硫。有机硫和硫化物硫是可燃硫，硫酸盐硫不可燃，也称为固定硫，一般计入灰分中。元素分析中的硫，按严格定义，指有机硫，一般实用情况下指可燃硫，不是全硫。 除
34、了氧含量是用差额法计算外，其余六项可以直接测定。每项元素成分特性如下： 1碳 碳是煤中的主要成分，是组成煤大分子的骨架，也是煤燃烧过程中产生热量的主要元素，在煤中的含量约为30%70%，燃烧产物为CO2，为温室气体，是远期要控制排放的物质。每kg纯碳完全燃烧释放的热量为32700kJ，如燃烧不完全，生成CO，仅释放出9270kJ的热量。所以在锅炉中应保证其完全燃烧，以充分利用其热量。碳在煤中以单质的碳和与其它物质组成的挥发性碳两种方式存在。随着地质年代的增加，碳在煤中的含量会增加。纯碳不易着火燃烧，含碳量越高的煤，着火燃烧越困难。 2氢 氢是煤中有机质的重要元素，是煤中单位发热量最高的元素，且
35、极易燃烧，燃烧产物为H2O，无污染。每kg氢燃烧释放的热量为120370kJ。在煤中含量约为2%6%，液体燃料中约14%，天然气中氢含量最高。氢在煤中以化合物的挥发分方式存在。随着地质年代的增加，氢在煤中的含量降低。 3氧 氧是不可燃成分，在煤中含量约1%30%，波动较大。随着地质年代的增加，氧在煤中的含量降低，无烟煤一般含1%3%。氧在煤中不是以单质方式存在，不会为煤燃烧提供氧气，而是和氢或碳等形成化合物，以挥发分方式存在，减少了可燃成分含量，因此氧是一种不利元素。 4氮 氮是煤中的有害元素，来源于成煤植物中的蛋白质，在煤中含量约为0.5%2.5%。随着地质年代的增加，氮在煤中的含量降低。氮
36、在煤中以游离方式存在，为惰性物质。但在锅炉的高温环境下，少部分氮和氧发生化学反应，生成有害气体NOx，直接危害人体健康，污染环境。在锅炉设计和运行时，应控制其生成。 5硫 硫是煤中的有害元素，既存在于有机质，也存在于无机质中，在煤中含量约为0.5%3%。经过洗选，能除去大部分硫化物和硫酸盐硫，经过化学选煤，能除去90%的有机硫，从而获得低硫精煤。可燃硫较易燃烧，每kg硫能释放出9050kJ热量，热值很低。其燃烧产物为SO2，对锅炉设备和环境造成极大危害。会引起锅炉结渣、高温腐蚀、低温腐蚀、堵灰等故障，还会直接危害人体健康，形成酸雨，严重污染环境。锅炉应采用有效措施，消除其危害。 6灰分 煤中灰
37、分是指煤完全燃烧后生成的固态残余物质。煤中的灰分全部来源于煤中的矿物质，分为内在灰分和外在灰分。内在灰分由成煤植物本身所含的矿物质形成，以及煤化过程中由外部混入的矿物质，在煤中分布均匀，与有机质紧密结合，很难分离，在煤中含量较少，一般不超过2%3%。外在灰分是在开采、运输、储存过程中混入的矿物质，在煤中分布不均匀，不和煤的成分结合，经过洗选很易分离，在磨煤过程中会和煤颗粒分离，形成单独的灰颗粒。外在灰分含量波动大，可达5%60%。影响煤燃烧的主要是外在灰分。灰分是有害物质，不能燃烧，会影响煤的着火、燃尽及燃烧的稳定性，易形成结渣、沾污、磨损、堵灰等故障，影响锅炉的安全经济运行，排放会污染环境。
38、对煤灰的研究是煤燃烧技术研究的重要内容。 7水分 水分是煤中的有害成分，不可燃烧。水分分为化合水和游离水。化合水指以分子或离子形式存在于矿物晶格中的水分，如石膏（CaSO42H2O）中的结晶水。化合水通常在200左右才开始从煤中析出，其含量很低，此时其他有机物也开始热分解，产生水蒸气和CO2，所以其测定非常困难，因此一般不测定其含量。煤中水分含量指游离水含量，约20%40%。水分分为内在水分和外在水分。内在水分指吸附在煤的内部毛细孔内，煤在空气干燥状态下保持的水分。它以物理化学方式和煤结合，当温度超过100以上时才能蒸发出来。外在水分指开采、运输、储存过程中吸附在煤内外表面，煤和周围空气温度达
39、到平衡时所失去的水分。外在水分会不断蒸发，在4050的温度下，经过一定时间，外在水分会全部蒸发掉。外在水分的变化与煤的性质无关，随空气温度变化而变化。水分会影响煤的着火和燃烧，增大烟气量，增加排烟热损失，加剧低温腐蚀和堵灰，增加制粉困难。锅炉设计时应采取措施，减少其不利影响。 元素分析方法较复杂，需要精密的仪器，分析所用时间较长，在实际工业过程中应用较困难。在电厂中一般采用工业分析方法。四、煤的工业分析 煤的工业分析指在一定实验室条件下，测定和计算水分、灰分、挥发分V和固定碳FC的质量百分含量，并观察焦渣特性的方法。测量数据为空气干燥基成分。根据工业分析组成，就可以初步判断燃料的种类、性质和工
40、业用途。工业分析是动力燃料成分分析的重要项目，是煤分类的主要依据。电厂主要采用工业分析方法，指导锅炉运行。煤的工业分析组成以质量百分数表示为： M+A+V+FC=100% （2-2） 1水分的测定 煤中水分按三种方法测定。其中方法A（通氮干燥法）和B（甲苯蒸馏法）适用于所有煤种；方法C（空气干燥法）仅适用于烟煤和无烟煤。在仲裁分析中遇到有用空气干燥煤样水分进行基准换算时，应用方法A测定空气干燥基水分。 方法A：称取粒度为0.2mm以下的空气干燥煤样（10.1）g，置于预先通入干燥氮气并已加热到105110的干燥箱中，烟煤干燥1.5h，褐煤和无烟煤干燥2h，然后根据煤样质量损失计算出水分的质量百
41、分含量。 方法B：称取粒度为0.2mm以下的空气干燥煤样25g，置于圆底烧瓶中，加入甲苯共同煮沸。分离出的液体收集到水分测定管中并分层，量出水的体积ml，然后根据水的质量计算出水分的质量百分含量。 方法C：称取粒度为0.2mm以下的空气干燥煤样（10.1）g，置于预先鼓风并已加热到105110的干燥箱中，烟煤干燥1h，无烟煤干燥11.5h，然后根据煤样质量损失计算出水分的质量百分含量。 2灰分的测定 称取一定质量的空气干燥煤样，放入马弗炉内，然后以一定速度加热到（81510），灼烧1h，并冷却至室温后称量，然后根据残留物质量计算出灰分的质量百分含量。 3挥发分的测定 称取空气干燥煤样（10.1
42、）g，放入带盖的瓷坩埚中，在（90010）的温度下，隔绝空气加热7min，然后根据煤样质量损失，减去水分含量，计算出挥发分的质量百分含量。 煤中除去水分、灰分和挥发分剩余的物质即为固定碳。固定碳和挥发分、灰分一样，不是煤中固有的物质形态成分，是煤热解后的固相产物，主要是单质碳，也包括部分热分解不彻底而残留的氧、氮、硫等元素成分。固定碳和灰分组合在一起，称为焦炭，为煤隔绝空气加热失去挥发分和水分的剩余物质，是煤的热解产物。析出挥发分后，根据坩埚中残留焦渣的特性，可以判断煤在骤热下的粘结性、熔融性和膨胀性，对锅炉燃用煤种的选择有重要的参考价值。煤中主要成分为碳，经过不同的过程，其特性有所变化。一般
43、碳指元素碳，英文单词carbon；碳颗粒泛指含碳物质，carbon particle，强调其颗粒特性，如粒径、外表面等；炭，特指碳热解后所形成的固体物质，char；炭骸，强调热解过程完成所决定的固形残骸的特性，如多孔性、内表面等，char residue；固定碳，煤的工业分析挥发分测定实验结束后剩余的不包括灰分的固体残留物质，涉及燃尽时可与炭骸混用，fixed carbon；焦炭，固定碳与灰分的组合物质，coke。 挥发分是失去水分的煤加热过程中有机质分解出的气态物质，主要由各种碳氢化合物、CO等可燃气体组成，也含有少量CO2、水蒸气、N2等不可燃气体。煤化程度越高，挥发分含量越少；热解条件不
44、同，挥发分含量和成分也会发生变化。挥发分主要为可燃气体，燃烧性能好，其含量对锅炉影响很大。挥发分是煤的重要质量指标，也是煤分类的主要依据。五、煤的分析基准 由于煤中的水分和灰分含量常常受到开采、运输、储存和气候条件的影响，如雨天的煤中水分含量增加，其他成分的质量分数也随之改变。为了实际应用的需要和研究的方便，把煤的成分分析的条件称为基准。通常采用下列四种基准： 1收到基（原应用基，上标y表示） 以收到状态的煤为基准计算煤中成分含量称为收到基，包括全部水分和灰分，此基准以电厂买来的原煤条件为基础，是锅炉设计、经济性分析的依据。以下标ar表示： Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aa
45、r=100% （2-3） 2空气干燥基（原分析基，上标f表示） 在实验室条件下自然干燥，失去外在水分的煤，计算其成分含量称为空气干燥基，此基准为煤质成分测定的条件，以下标ad表示： Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100% （2-4） 3干燥基（原干燥基，上标g表示） 以假想无水状态为基准，不考虑水分对其它成分的影响，以下标d表示： Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% （2-5） 4干燥无灰基（原可燃基，上标r表示） 以假想无水、无灰状态为基准，不考虑水分和灰分对其它成分的影响，是煤分类、煤炭交易的依据。以下标daf表示： Cdaf+Hdaf+Odaf+Nda
46、f+Sdaf=100% （2-6） 四种基准也可用于工业分析，除了水分外，各成分和发热量间可以按一定比例进行不同基准的换算。成分分析和基准间的关系如图2-9所示。图2-9 煤的成分及基准间的关系Mf-外在水分；Mad-内在水分；Sy-硫酸盐硫；S-可燃硫六、煤的发热量、标准煤和折算成分 发热量指单位质量的燃料在特定条件下完全燃烧所释放出的全部热量，单位为kJ/kg。在实际应用中有高位与低位之分。它是燃料利用的一个重要特性指标。煤的商务管理和电厂的生产运行、核算发电成本和效率等，都必须以发热量为依据。电厂煤的定价和结算采用以发热量为主的计价体系。煤的发热量，是锅炉热平衡、物料平衡计算的主要参数，也是估算理论燃烧温度和混煤燃烧及负荷调节的重要依据。 煤的发热量是采用氧弹式量热仪测定的。测量结果为弹筒发热量，即单位质量的煤样在氧弹内有过量氧气条件下完全燃烧所释放出的全部热量。 高位发热量指单位质量的煤在空气中完全燃烧所释放出的全部热量。它包括可燃物的燃烧热和燃烧产物中水蒸气的汽化潜热。弹筒发热量扣除弹筒中硫酸和硝酸的生成热，就是高位发热量。用Qgr表示。 低位发热量指单位质量的煤在空气中完全燃烧，
