第二章燃 料 本章主要讨论碳氢燃料，包括圆态燃料（煤），液态燃料（煤油、重波），气态燃料（天然气，煤 气)。 §2-1煤 煤是我国主要的能源燃料，包括工业上用煤和民用煤。以煤代油是我国的一项能源政策。 本节将讨论煤的生成、种类、化学组成、使用性质、煤水浆以及煤的气化。 一、煤的种类及化学组成 煤是棕色至黑色的可燃烧的类似岩石的固体。它由植物经过物理和化学的演变和沉积而 州 煤。在煤化过程的不同阶段，除泥煤外，煤可分为褐煤烟煤（包括高、中，低挥发分）以及无烟煤 (包括半无烟煤、无翅煤、高碳化无烟煤或石墨煤)。 (1)泥煤是最年青的煤，也是由植物刚刚变过来的煤，在结构上它还保留有植物遗体的痕 迹，质地疏松，败水性强，含天然水分高达40%以上，需进行露天干燥。风干后体积密度为300 一400kg/m2,在化学组成上与其他煤种相比，泥煤含氧量最高，达28一30%，含碳量较低。使 用上泥煤挥发分高，可燃性好，反应性高。它含硫低，机械性差，灰分缩点很低。工业上泥煤用 于烧锅炉和作气化原料，但其工业价值不大，不能远逸运输，只能作地方性燃料使用。 (2)褐煤是泥煤经过进一步变化后生成的，由于能将热碱水染成福色而得名。它在性质上 与泥煤有很大的不同，它的密度较泥煤大，体积密度750一800km'。含碳量较高，氢和氧含 量较少，挥发性相对泥蝶来说低些。使用上粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强。在空气中 易风化和破碎，只能作地方性燃料 (3)烟煤是 一种煤化程度较高的煤种，与褐煤相比，挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含 碳量增加，氢和氧的含量较低。烟煤是工业上的主要燃料，也是化学工业的重要原料，烟煤的 最大特点是具有粘结性，这是其他固体燃料所没有的因此是炼焦的主要原料。当然对炼焦的 煤要有一定的选禄，并非所有的烟煤都具有粘结性，也不是所有有粘结性的煤都适合于炼焦 我日根据煤的粘结生及挥发性大小等物理化学性质进一步把煤分为长烟煤、气煤、肥煤，结焦 煤、瘦煤等不同的品种。其中长烟煤和气煤挥发分含量高，容易燃烧和适合干制造煤气。结焦 煤具有良好的结焦性，适合于生产治金焦炭。 (4)无烟煤是矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤，其特点是密度大，含碳最高，挥发 分极少，组织密实，坚硬、吸水性小，适合于远途运输、长期贮存，其缺点是可燃性差，不易者火 但发热量大（约20300k灯/kg),灰分少，含低，分布广。无烟煤也是很重要的燃料。 煤是由极其复杂的有机化合物组成的.山元素分析，主要的可燃元素是碳，其次是氢，并含 -8
有少量的氧、硫、氨等元素。这些元素构成可燃化合物，称为可燃质。此外，煤中都含有水分 (W)和灰分(A),这些是不可燃的，称为煤的悄性质。一般由煤的C,H,O,N,S冬元素的分析 值及水分、灰分的百分含量来表达煤的化学组成。 碳是主要的可燃元素。煤的煤化程度越高，含碳量越大。煤的可燃质中含碳量大致如下： 泥煤 C:70% 褐棋 C,70-780 弱粘钻性煤 C:80-83% 粘结煤 C:83856 强粘结性煤 C:8390A 无烟煤 C:90%以上 氢也是煤的主要可燃元素，在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%，在此之 后氢含量又随煤化程度提高而减少，在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一起的，叫做可 燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热盘。在计 算发热量和理论空气需要量时，以有效氢为准。 氧在煤中是一种有害物质，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳，氢失去燃烧的可能性，可 燃物质中碳含量越高，氧含量越少」 氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中氨和氧形成NO,是一种排气污染物，煤中含刻 约0.52%. 硫在煤中有三种存在形式 (1)有机硫，来自母体植物，与煤呈化合态均匀分布 (2)黄铁矿萸，以FeS形式存在： (3》硫酸盐疏，以CaS0.·H,0和FeS0,等形式存在于灰分中 硫是燃料中一种极为有害的物质，硫燃烧后生成S0,S0,它危害人体，污染大气并可形 成酸雨。在锅炉中会引起锅炉换热面的腐蚀。发电厂排气中含疏化物，过去一般并不除去，从 环境保护考虑应知除硫装置，这会使发电厂的设备费用增加20%左右。所以煤中的硫是合理 干净地使用煤的大向题 灰分是指煤中所含矿物质（硫酸盐、粘土矿物质及稀土元素）在燃烧过程中高温分解和氧 化后生成的圆体残留物。大体上灰分的成分为Si0,:40~60%;Al,0:15~35%:Fe,0:5 25%:Ca0:1~1.5%:Mg0:0.5~8%:Na:0+K:0:1~4%,煤中灰分是一种有害成分。对工 业锅炉来说，灰分高的煤热值低，不好烧，给设备维护带来困难。对今后燃气轮机用煤，更是要 求灰分非常低。灰分给祸轮叶片带来腐蚀，沉积，浸蚀。现在国际上已经研究出可将煤中灰分 精洗到1%以下供燃气轮机使用，但价格很贵，难以工业化.煤中的灰分可分为两种：一种是煤 化过程中由士拽等外界带入的矿物质，称为外来灰分，这种灰分可以用浮选等物理选矿方法来 清除。一般工业用的洗净煤含灰量在8%左右。特别仔细的物理洗煤技术可将煤中灰分洗到 3%左右，再题降低灰分就得用化学方法了·另一种灰分是原来成煤植物中园有的，称之为内 在灰分。减少内在灰分必须将煤嘮细后，用化学液体（如氢氟酸）去与灰分作用，然后再用碳液 洗掉酸，最后用水洗。这一过程成本昂贵，对环境污染严重。 在工业上解决灰分的方法大体是：①在入炉前减少媒中灰分，采用洗煤。除了燃气轮机要 求非常高外，炼焦用煤规定入炉前煤中灰分不超过10%。②在燃烧过程中排渣（腋体挂滇）或 9
在燃烧之后的排气中除灰（固体除尘），为了达到液体排渣或固体除尘都要知道灰分的熔点，要 液体排渣的，我们希架灰分熔化造渣，相反，不是液体排渣的，希望灰分不熔化，这时不要灰分 点太低，引起培化结渣，阻碍流路，破环炉体，燃烧排气除尘可以采用旋风分离器或布袋除尘 器 灰分熔点与灰分的组成及炉内的气氛有关，大致在1000~1500C之间。用于燃烧的煤 (除液体排渣外)大多希望高炫点灰分，大体上熔点在1093℃以下的为低熔点，在1316℃以上 者为高熔点灰分。灰分的组成对焙点影响极大。 一般说，含硅酸盐(Si0)和氧化铝(Al,0,)等 酸性成分多的灰分，熔点较高，含氧化：，钙，镁，钾等藏性成分多的灰分，熔点较低。灰分在还 原性气氨中的熔点比氧化性气氛中的低灰分的焙点，组成对燃绕装置（如锅炉排管）上的沉积 和腐蚀有很大关系，煤中含碱金属及碱金属氯化物的腐蚀严重】 水分是燃料中无用的成分，煤中水分包括两部分：①外部水分或湿成分。这是机械地附着 在煤表面的水分，它与大气温度有关。把煤奢碎后在大气中自然干燥到风干状卷，这部分水分 就可除去：②内在水分。这是煤达到风于状态后所残留的水分，它包括被煤吸收并均匀分布在 可燃质中的化学吸附水和存在于矿物质巾的纳品水。内在水分贝有在高温分解时才能除掉，通 常作分析计算和燃烧评价时所说的水分就是指的这部分术。 二、煤的分析 对煤的分类和表述很大程度上取决于由化学分析得出的结果。这种分析包括有系统的标 催化的程序试验分析和一系列带经验性的试验分析。化学分析分两类：组成的元素分析（或最 终组成分析)及工业分析，组成的元素分析是在不包含灰分情况下，得出氢、碳，氧、氨及硫的百 分数，工业分析就其性质说是经验性的，它得出以下各部分（并非元素）的百分数：挥发分、园定 碳、水分、灰分。这四项之和应为100%，工业分析同时确定该煤的热值及含硫量.在煤中含巯 量大多以化合物存在，例如黄失矿硫、有机硫、统酸盐硫。 煤的成分通常用各组分的重量百分数表示.煤用C,H,O,N,S、灰分(A)、实际水分(W)七 种组分的百分数表示时叫“应用基成分”，此时右】 C%+P⅓+O%+N %A%+W%=100% 当煤样在实验室正常条件（即室温20℃，相对湿度60%）下放置，煤样会失去一些水分，留 下的稳定的水分称为实验室正常条件下的空气干燥水分，以该空气干燥过的煤样各组分的百 分数表示煤的成分，称为“分析基成分”。 C/6+H以+O'%+N'06+S%+A/6+W小%=100A 但正如已提到的，煤中的含水最很容易受到温度、运输，贮存状况变化的影响，所以应用燕 成分会随水分的变动而改变。这时煤的燃烧组成其实并没有变化，这样比较起来就不方便。我 们可以用不含水分的干燥的煤来表示各组分的百分数，这称为“干燥基成分”， C%+%+0%+N%+S%+A"%=100% 煤中的灰分也是会变动的，例如本章编者从东胜市把煤拉到北京，在清华大学实验电厂磨 成煤粉，煤粉中灰分由3%增大到4.3%.这是由于运输过程中灰分增多，也由于球磨机中原来 存煤的庆分高而引起的，所以为了更明确地说明煤的化学组成特点，可以只用C、H,O,N,S五 种元素在可燃组成中的百分数来表示煤的成分，这叫“可燃基成分”： C%+f%+0%+N"%+S%=100% 10
上述各种成分的表示方法可以换算。换算系数如表2-1所示 表21燃料组成换算系数 所 求成分的基 已知成分的基 应用蒂分析基干燥基可燃 应用基 189二w时 1丽西-器-衣 分斯基 10二 1 ” 10-09=不 干燥基 10120 可燃基 100A 三、煤的使用性质 (一)煤的工业分桥（包括测定水分、灰分、挥发分和园定碳的百分合是） 将煤在隔离空气的情况下如热时（即干馏），随温度升高，煤将发生以下变化： 温度C 变化 100150 水分蒸发 150~200 敢出所吸收的C○ 200-250 化合物明显分解 300 开始放出含焦油很多的碳氢化合物气体 350~400 可燃质分解放出CH、H,CH等 450 放出大量焦油气 焦油气逐渐停止 1000-1100 完全停止一切气体逸出，形成固体焦炭 在上述过程中除外部水分外，逸出的全部气体称为挥发分，包括C0、CO,H、CH,CH 以及一邵分热解产物和矿物结晶水的水蒸气。挥发分出后，所瓣下的固体残留物为焦块，其 中碳无素称为煤的固定碳。 固定碳%100%-W%-A%-V% 煤的工业分析是将一定重量的煤加热到110℃，使其水分蒸发，测出水分含量，再在隔绝 空气下如热到856℃，测出挥发分含量。然后通空气使固定碳全部燃烧，以测出固定碳和灰分 含量。挥发分与固定碳和煤的碳化程度有关，如图21所示 挥发分多的煤干馏时可以得到较多的煤气和焦油，燃烧时火焰较大：固定碳多的煤，干馏 时焦炭收率高。所以煤的工业分析对确定煤的使用是重要的。 (二)煤的发热是 发热量大小是评价煤好坏的一个重要指标，也是计算燃烧温度和燃料消耗量的依据。 一11
1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热叫做发热量，单位k灯g。通常用的是低热值，即不包 括水蒸气凝结成水时的冷凝热。发热量可以用氧弹式量热计直接测定，也可以根据元素分析值 近似计算。 Qm=339C+1030H-109(C-S)kJ/kg 煤的发热量与碳化程度有一定关系，随着碳化程度的提高，发热量不断增大，当碳含量达 到87%左右时，发热量达到最大值，以后则开始下降。所以煤的发热量大小通常作为煤分类的 依据。 挥发分⅓ 定染 田定碳 100 60 90 挥发分 一泥一一煤一一网发一一无烟煤 090100C% 图21挥发分与定碳和煤的碳化 程度的关系 (三)煤的粘结性 煤的粘结性是指粉碎后的煤在隔绝空气情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形 成焦块的性质 般地说，粘结性好的煤结焦性就好，粘结性不仅影响到选择煤种是否可以冻 焦，对于煤的气化和燃烧性也有很大影响，例如强粘结性的煤气化和燃烧时，容易形成大块，严 重影向气流的均匀分布。 在实验室条件下用坩埚法测定挥发分之后，对所形成的焦块根据外形分为七个等级，称为 粘结序数，以此来评定粘结性的强弱，各粘结序数的代表特征为： (1)焦炭残留物为粉状： (2)焦炭残留物粘着，以手轻压即成粉状： (3)焦炭残留物粘结，以手轻压即碎成小块 (4)不熔化粘结，用手指用力压才成小块： (5)不膨胀焙化粘结，成浅平饼状，表面有银白色金属光泽： (6)膨张熔化粘结，表面有银白色金属光泽，高度不超过5mm (7)强膨张熔化粘结，表面有银白色金属光泽，高度超过15mm, (四)煤的反应性和可燃性 煤的反应性指的是煤的反应能力，即燃料中的碳与二氧化碳及水蒸气进行还原反应的连 度。反应性的好坏用反应产物中C0的生成量和氧化层的最高温度表示。C0的生成量越多， 氧化层的温度越低，表示反应性越好。 可燃性指燃料中的碳与氧发生氧化反应的速度，即燃烧速度。煤的碳化程度高，则反应 性和可燃性就越差。 -12