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1、机械工程学院热能与环境工程研究所 吴俐俊 教授 电话：邮箱：,燃料及燃烧,第一篇 燃料概论 第一章 固体燃料,第一篇 燃料概论,本篇学习重点 1.煤/油/燃气三种主要燃料的形成和分类 2.煤（油）的工业分析和元素分析 3.各种基准的换算 4.各种燃料的物理化学特性,燃料概论,自然界中可供工业生产使用的燃料资源主要是煤、石油和天然气。不同的生产部门，对所用燃料的性质往往提出不同的要求。此外，随着科学技术的发展，煤、石油和天然气已不只是工业生产的热能来源，而且还是化学工业的宝贵原料。因此，为了合理地利用燃料资源和满足不同生产部门对燃料性质的要求，必须把各种天然燃料再做进一步的加工。例如冶金工业是燃
2、料的巨大消费者，并且对所用燃料也有着一些持殊的要求。为了有效地使用燃料和掌握生产工艺对燃料的技术要求，本篇将分别介绍各种燃料的特点和使用性能。,第一章 固体燃料,天然固体燃料可分为两大类即木质燃料和矿物质燃料前者在工业生产中很少使用，不予介绍。矿物质固体燃料主要是煤，它是现代工业热能的主要来源。随着科学技术的发展，煤将越来越多地用于化学工业进行综合利用。在冶金生产中，煤主要用于炼焦和气化，但在某些中小型企业中，煤也直接被用作工业炉窑的燃料。煤是锅炉的主要燃料。,第一章 固体燃料,1 煤的形成、种类及组成 煤的形成 根据生物学、地质学和化学方面的判断。煤是由古代植物变来的，中间经过了极其复杂的变
3、化过程。根据母体物质炭化程度的不同可将煤分为四大类：泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。,第一章 固体燃料,煤的种类,泥 煤 泥煤是最年青的煤，也就是由植物刚刚变来的煤。在结构上，它尚保留着植物遗体的痕迹，质地疏松，吸水性强含天然水份高达40以上，需进行露天干燥，风干后的堆积密度为300450kg/m3。在化学成分上，与其他煤种相比，泥煤含氧量最多，高达28%38%，含碳较少。在使用性能上。泥煤的挥发分高，可燃性好，反应性强，含硫量低，机械性能很差、灰分熔点很低。在工业上，泥煤的主要用途是用来烧锅炉和做气化原料，也可制成焦炭供小高炉使用，由于以上特点，泥煤的工业价值不大，更不适于远途运输，只可作为地方性
4、燃料在产区附近使用。,第一章 固体燃料,褐 煤 褐煤是泥煤经过进一步变化后所生成的。由于能将热碱水染成褐色而得名，它已完成了植物遗体的炭化过程，在件质上与泥煤有很大的不同。与泥煤相比，它的密度校大，含碳量较高，氢和氧的含量较小，挥发分产率较低，堆积密度750800kg/m3。褐煤的使用性能是粘结性弱。极易氧化和自燃吸水性较强。新开采出来的褐煤机械强度较大，但在空气中极易风化和破碎，因而也不适于远地运输和长期储存，只能作为地方性燃料使用。,第一章 固体燃料,烟 煤 烟煤是一种炭化程度较高的煤。与褐煤相比，它的挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳量增加，氢和氧的含量减少。烟煤是冶金工业和动力工业
5、不可缺少的燃料。也是近代化学工业的重要原料。烟煤的最大特点是具有粘结性，这是其他固体城料所没有的，因此它是炼焦的主要原料。应当指出的是，不是所有的烟煤都具有同样的粘结性，也不是所有具有粘结性的煤都适于炼焦。为了适应炼焦和造气的工艺要求来合理地使用烟煤。有关部门又根据粘结性的强弱及挥发分产率的大小等物理化学性质，进一步将烟煤分为长烟煤、气煤、肥煤、结焦煤、瘦煤等品种。其中，长焰煤和气煤的挥发分含量高，因而容易燃烧和适于制造煤气。结焦煤具有良好的结焦性，适于生产优质冶金焦炭，但因在自然界储量不多，为了节约使用起见，通常在不影响焦炭质量的情况下与其他煤种混合使用。,第一章 固体燃料,无烟煤 无烟煤是
6、矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤。它的特点是密度大，含碳量高。挥发分极少，组织致密而坚硬，吸水性小，适合长途运输褐长期储存。无烟煤的主要缺点是受热时容易爆裂成碎片，可燃性较差，不易著火。但由于其发热量大(约为29260kJkg，灰分少含硫量低，而且分布较广，因此受到重视。据有关部门研灾，将无烟煤进行热处理后。可以提高抗爆性，称为耐热无烟煤，可以用于气化，或在小高炉和化铁炉种代替焦炭使用。,无烟煤,烟煤,褐煤,第一章 固体燃料,泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤的性能列表,第一章 固体燃料,煤的组成 煤的可燃质（主要是碳、其次是氢、少量的氧、氮、硫）煤的惰性质（灰分（矿物杂质）和水分）煤的工业分析组成
7、水分+挥发份+灰份+固定碳 M+V+A+FC=100Moisture Volatile matterAsh Fixed carbon,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含碳量）,煤的主要可燃元素，它在燃烧时放出大量的热,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含氢量）,是煤的主要可燃元素，其发热量是碳的三倍半，但含量比碳小得多。氢在煤中有两种存在形式：可燃氢（有效氢）（和碳、硫结合在一起），可进行燃烧反应和放出热量；化合氢（与氧结合），不能进行燃烧反应。在计算煤的发热量和理论空气需要量时，以可燃氢为准。,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含氧量）,煤的化学组成（含氮量）：0.52%。,它是煤中的有害物质，
8、与碳、氢等可燃元素构成氧化物，失去了燃烧的可能性。,不参加燃烧反应，是燃料中的惰性元素。,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含硫量）硫在煤中有三种存在形态：有机硫：来自母体值物，与煤成化合状态，均匀分布；黄铁矿硫：与铁结合在起，形成FeS2；硫酸盐硫：以各种硫酸盐的形式，主要是CaSO4.2H2O和FeSO4)存在于煤的矿物质中。有机硫和黄铁矿硫都能参与燃烧反应，因而总称为可燃硫或挥发硫，而硫酸盐硫则不能进行燃烧反应。,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,硫在燃料中是一种极为有害的物质。这是因为，硫燃烧后生成的SO2和SO3能危害人体健康和造成大气污染，在加热炉中能造成金属的氧化和脱碳，在锅炉中
9、能引起锅炉换热面的腐蚀，而且，炽炭中的硫还能影响生铁和钢的质量（冷脆）。因此，作为冶金燃料，对其含硫量必须严格控制。例如炼焦用煤在入炉以前必须进行洗选，以除掉黄铁矿硫和硫酸盐硫，根据有关资料介绍，焦炉洗精煤的含硫量应控制在0.6以下为好。,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含灰分量）所谓灰分，指的是煤中所含的矿物杂质(主要是碳酸盐、粘土矿物质及微量稀土元素等)在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成一些固体残留物。煤中的灰分是一种有害成分，这不仅是因为它直接关系到冶金焦炭的灰分含量从而影响高炉冶炼的技术经济指标，而且，对一些烧煤的工业炉来说，灰分含量高的煤，不仅降低了煤的发热量，而且还容易造成不
10、完全燃烧并给设备维护和操作带来困难。,第一章 固体燃料,煤的化学组成（含水分量）水分也是燃料中的有害组分它不仅降低了燃料的可燃质，而且在燃烧时还要消耗热量使其蒸发和将蒸发的水蒸气加热。固体燃料中的水分包括两部分：外部水分：指的是不被燃料吸收而是机械地附着在燃料表面的水分。它的含量与大气温度和外界条件有关。当把燃料磨碎并在大气中自然干燥到风干状态后即可除掉。内部水分：指的是达到风干状态后燃料中所残留的水分。它包括被燃料吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物杂质中的矿物结晶水。由此可见。内部水分只有在高温分解时才能除掉。通常在做分析计算和评价燃料时所说的水分就是指的这部分水分。,第一章
11、固体燃料,成分表示方法及其换算 应 用 基（ar）干 燥 基（d）可 燃 基（daf）A C H O N S M A FC V M 表示煤组成的常用基准应用基 y（收到基）：包括C、H、O、N、S、灰分、水分七种组分的成分。干燥基（d）：不含水分的干燥基中各组分的成分。可燃基 r（干燥无灰基）：只用C、H、O、N、S五种元素表示。,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,表示煤组成常用的“基”表示化验结果以什么状态下的煤样为基础而得的。应用基（收到基）ar(as receved):以收到状态的煤为基准。分析基（空气干燥基）ad(air dry basis):以空气湿度达到平衡状态的煤为基准。(指分
12、析实验室里所用的空气干燥煤样的组成（将煤样在20和相对湿度70的空气下连续干燥1小时后质量变化不超过0.1%，即认为已达到空气干燥状态。)干燥基d(dry basis)：以假想无水状态的煤为基准。可燃基（干燥无灰基）daf(dry ash free):以假设无水、无灰状态的煤为基准。,第一章 固体燃料,为何表示煤组成时必须表明基准？表示煤分析结果（如工业分析、元素分析和发热量）必须表明基准才有意义，因为不同基准表示同一组成的分析结果相差很大，如果不表明基准，将会导致各种煤的分析结果缺少可比性。,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,不同基准之间的换算,不同基准之间的换算,第一章 固体燃料,不同基
13、准之间的换算最关键的就是换算系数的确定。三种方法：1）通过手册或教课书查表；2)通过推导法确定换算系数；3）通过比较分析方法确定。利用推导法确定换算换算系数K 通过推导得方法，使学生知道成分换算系数表的来源，从而更明确换算系数的含义。,举例2 已知分析基含碳量，求应用基含碳量。,第一章 固体燃料,2 煤的使用性能煤的工业分析值（GB/T 212-2001 煤的工业分析方法标准）煤的工业分析内容：水分、灰分、挥发分和固定碳。根据国家标准，煤的工业成分是将一定质量的煤加热到110，使其水分蒸发，以测出水分的含量，再在干馏条件下加热到850，并测出挥发分的含量，然后通以空气使固定碳全部燃烧，以测出灰
14、分和固定碳的含量。（干馏把煤在隔离空气的情况下加热。）,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,挥发分：在干馏过程中，除外部水分外，逸出的全部气体称为挥发分(V)，它主要是由煤的矿物结晶水、挥发性成分、热分解产物等构成。挥发分选出后所剩下的固体残留物叫做焦块。其中的碳素称为煤的固定碳，即 固定碳100一(W十A十V),第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,煤的发热量 煤的发热量是评价燃料质量的一个重要指标，也是计算燃烧温度和燃料消耗量时不可缺少的依据。热值：单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量，kJ/kg 燃料的发热量有两种表示方法：高发热量燃料完全燃烧后燃烧产物
15、冷却到使其中的水蒸气凝结成0的水时所放出的热量（包含燃烧生成的水蒸气冷凝潜热）；低发热量燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20 时放出的热量（不包括水蒸气冷凝潜热的）。燃烧计算中以燃料收到基低位发热量为基准。实验测定发热量（氧弹式量热计）经验公式计算（工业分析值计算、元素分析值）,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,随着炭化程度的提高，发热量不断增大，当含碳量为87左右时，发热量达到最大值，以后则开始下降。（原因？）,第一章 固体燃料,煤的主要特性比热（1.0-1.4kJ/kg C）(炭化高，值低)导热系数（0.232-0.348 W/m C）（炭化、温度高，值高）热稳定
16、性（指气化、燃烧用煤在加热时块度变化的性质）GB 1573 煤的热稳定性测定方法（针对气化煤的热稳定性进行分级）（Ts表示）,第一章 固体燃料,第一章 固体燃料,密度（比重）：真密度，假密度 煤的比重又称煤的密度，它是不包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比真密度。煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。耐热性（煤在加热时是否容易破碎而言影响燃烧和气化，如无烟煤（结构致密，内外温差）和褐煤（水分大量蒸发）结渣性 是反映煤灰在气化或燃烧过程中成渣的特性，它对评价煤的加工利用特性有很重要的实际意义。,第一章 固体燃料
17、,粘结性、结焦性：煤的粘结性指的是粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质。煤的结焦性是指煤在工业炼焦条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性也就是煤能炼出冶金焦的性质。煤的粘结性和结焦性是两个不同的概念，但两者在本质上又有相同之处，一般来说，粘结性好的煤结焦性就比较强。,第一章 固体燃料,可燃性与反应性（活性）煤的可燃性就是燃料中的碳与氧发生氧化反应的速度，即燃烧速度。煤长期堆放在空气中容易氧化，甚至导致自燃，使发热量、粘结性降低，这种现象称为煤的风化。煤的反应性指煤的反应能力，即燃料中碳与二氧化碳及水蒸汽还原反应的速度，反应性的好坏用反应产物中一氧化碳的生成量和氧化层的最高温度来表示。CO的生成量越多，氧化层的温度越低，则反应性越好。煤的炭化程度越高，反应性和可燃性越差。（碳和CO2的反应不仅在外表面，还在内部微细孔隙的毛细管壁上，孔隙率越高，反应表面积越大）,第一章 固体燃料,煤的利用燃料炼焦化工原料气化燃料制造煤气,第一章 固体燃料,本章重点（1）燃料组成及基准换算（2）燃料的发热量本章难点 煤的四种基准换算,
