2燃料服论 子 Q=Q.m+25(9H+M) (2-18) 式中H,M燃料中氢和水分的质量百分数，%。 式(2-18)适用于描述燃料收到基和空气干燥基的高位、低位热值之间的关系。对于 干燥基和干燥无灰基，由于不存在水分，则有 Qmd =Qr.+225Ha (2-19) (2-20) 气体燃料燃烧所生成的水分由燃料中的有效氢组分计算，即H2、H2S和C,Hm三类组 分。在气体燃料燃烧反应中，1rol的H或者1mol的H2S经燃烧后均生成1mol的H,O, 而1mol的CHn可生成m/2mol的H0。因此，若根据式(2-17)近似求得Lw=20ook/m2 (标祝下)，气体燃料高位、低位热值之间的关系可表示为 =+20(1H十H+∑C.H出） (2-21) 式中 Q,Q一湿气体燃料高位、低位热值，kJ/m2(标况下)： H,HS,CH一气体燃料中H2、H2S和CnH湿成分体积含量，%。 干、湿气体燃料高位热值可按照式(2-22)进行换算，即 Q=Q%100-H,0 100 (2-22) (2)不同燕准热值间的换算 对于固体和液体燃料，由通过元素分析所得到的结果以及式(2·18)，可对不同基准的 热值进行换算。 对于高位热值来说，水分只是占据了一定的质量份额而使热值降低，而对于低位热值， 水分不仅占据一定的质量份额，而且还要吸收汽化热。因此，在各种基准的高位热值之间可 以直接乘以表2-3中相应的换算系数进行换算。而对于低位热值，则必须考虑水分的汽化 热，即对于各种基准的低位热值之间的换算，必须首先根据式(2-18)将低位热值换算成 高位热值之后才可进行。表2~4给出了各种基准低位热值间的换算公式。 表2-4 各种基准低位热值之间的操算公式 已知基雅 需要换算到的基准成分 成分 收到基〔ar》 空气干燥基(a》 干燥基(d 干燥无灰基(dhiD 收到基 +25M )Q+M)-(Qn.+2M) (a) ×出8=-25M. ×100M ×10=- 空气干燥基 -(Q.4+25M Q=(Qwt +25Ma)Qm.d =(+25M) (ad) ×100=-25M ×m ×10-8-元 干燥基 d ×100c-25M w-Q.XT02元 干燥无灰基 (daf) ×1092 【例题2】将煤的空气干燥基低位热值Q换算成收到基低位热值Q 解首先根据式(2-18)将空气干燥基低位热值Q,换算成高位热值Q
26 工程期烧学 Qed=Q,d十25(9Ha十MM) 然后，由Q和表2-3中相应的换算系数算出收到基高位热值Q. ap=Q18二0-[Q+25(9H+Me)]8=瓷 Q.=Qar-25(9H +M:) 带入即得 Q=(Qe+25M2)18-0-254 2.3固体燃料 由第2.1,2节“燃料的分类”可知，天然固体燃料可分为两大类，即木质燃料和矿物质 燃料。木质燃料（又称植物性燃料或生物质燃料）主要包括木柴、植物秸秆等，它们可以直 接燃烧而取得热能，也可通过干馏、热解、气化等方法转化为气体、液体或固体燃料。相对 于矿物质燃料而言，木质燃料长期以来在工程燃烧领域中很少使用。但是近年来出于对生物 质燃料利用和环境保护的考总，植物秸秆直接燃烧产生热能以及秸秆燃烧发电技术逐渐得到 应用和推广。 矿物质燃料主要是各种煤，它们不仅可用于产生满足生产和生活所需的热能和动力，而 且还能用作宝费的化工原料。目前，煤炭占我国能源总消费量的比例仍在0%以上。作为 动力燃料，每年我国电站锅炉、工业锅炉和工业炉密耗煤量占煤炭产量的62%一64%。我 国电力生产目前仍以火电为主，在全国发电量中，火电占80%左右，而且火电中90%为燃 煤发电机组。目前用于发电的煤炭，约占全国煤炭总产量的1/A,且呈逐年增加的趋势。 2.3.1煤的种类 为了适应煤炭使用的需要，依据煤的属性和成因条件不同，将煤分成种类别。煤的分 类是按照同一类别的煤其基本性质相近的科学原则进行的，它与科学研究、生产实践及其发 展水平密切相关，经历了相当长的历史发展过程。 煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的，这已为近代科学 所证实。古代植物的残骸在地下长期堆积、埋戴，经过一系列复杂的生物化学和物理化学作 用而逐渐演变为煤，这个过程称为成煤过程。根据母体物质碳化程度的不同，可将煤分为泥 炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。 (1)泥炭 泥炭是形成年代最近的煤，通过观察可发现它还保留着植物的某些原有结构。泥炭质地 硫松，吸水性强，所含天然水分可达40%以上，使用的需经露天干燥，风干后的堆积密度 约为3C0一450kg/m3。在化学组成上，与其他煤种相比，泥炭巾的含氧量可高达40%左右， 含氢量也可达20%~30%，而含碳量却较低。因此，在使用性能上，泥炭的挥发分含量高 可燃性好，含硫量低，机械性能差，灰熔点很低。鉴于以上特点，泥炭的工业应用价值不 大，也不适宜干远途运输，主要用作小型锅炉燃料或气化原料 (2)褐煤 褐煤是泥炭在地热和压力作用下进一步炭化所生成的煤。这种煤由于可与热碱水发生反应
2料服论 27 而使碱水变成褐色而得名。泥炭形成后，经过漫长的地质年代，逐渐为泥沙所覆盖。随着泥沙 的不断堆积，泥沙覆盖层逐渐增厚，泥炭层所承受的压力也随之增大。于是泥炭层发生压实、 失水、胶体老化、硬结等一系列变化而转变为褐煤。与泥炭相比，褐煤的密度较大，含碳量相 对增加，水分和挥发分均减少，堆积密度约为750~800kg/m。在使用性能上，褐煤黏结性 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 破醉，因而褐煤不适宜于远途运输和长期储存，一般只可作为地方性燃料在产区附近使用。 (3)烟煤 烟煤是褐煤进一步碳化而转变成的煤种。地壳发生运动继续下沉，褐煤的覆盖层随之增 厚。在地热和压力的作用下，褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水，其内部组成 结构和性质进一步发生变化而转变为烟煤。这个变化过程称为褐煤转变为烟煤的变质作用。 随着变质作用的延续，烟煤由低变质程度向高变质程度变化，从而出现了低变质程度的长焰 煤、气煤，中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们的含碳量也随若变 质程度的加深而增大，含氧量和挥发分减少。 烟煤由于在受热时往往变成有黏附性的、结合性很强的黏性物质（沥青）而得名。与褐 煤相比，烟煤的挥发分减少，吸水性较小，含氧量减少，含碳量增高，且具有较强的黏结 性。烟煤是工程燃烧领城中应用最广的煤种，也是重要的化工原料。例如长焰煤和气煤的挥 发分含量较高，因而容易燃烧和适合于生产煤气。焦煤具有良好的结焦性，适合于生产优质 治金焦炭 (4)无烟煤 烟煤中的贫煤继续发生变质作用，进一步失水，同时脱去CH,即转变为碳化程度最 高的无烟煤。无烟煤表观上有黑色光泽，均匀而无明显的分层。与烟煤相比，无烟煤密度较 大，含碳量更高，而挥发分很少(V=1,5%~10%)。在使用性能上，无烟煤组织致密而 坚硬，吸水性小，适合于远途运输和长期储存。但是无烟煤可燃性较差，不易着火，受热时 容易爆裂成碎片。无烟煤热值较高，有的收到基热值超过26000kJ/kg,且分布很广，各地 均有较大的储量， 因此无烟煤的使用受到普遍重视。 23,2煤的挥发分及焦炭特性 挥发分和焦炭特性是煤的重要特性指标，它们对煤的燃烧过程和燃烧设备的选择具有很 大的影响。 一、煤的挥发分 煤在隔绝空气的情况下加热至一定温度时，煤中的部分有机物和矿物质受热分解而析出 的气态和蒸气态产物称为挥发分。它占煤样质量的百分比，定义为挥发分产率，简称挥发分 (%)。煤的挥发分主要由煤的矿物结晶水、挥发性成分和热分解产物等组成，包括氧 (H,)、甲烷(CH,)和其他碳氢化合物(CH,)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO)、少 量的氧(O)和氨（八）以及一部分热解水和矿物结晶水。这些气态和蒸气态物质不是以 现成状态存在于煤中，而是煤在特定温度下的热分解产物，因此将煤中挥发分的含量称作挥 发分产率是比较科学的 不同种类的煤，其挥发分产率和成分各不相同。一般碳化程度浅的煤，挥发分产率高， 随着碳化程度的加深，挥发分产率逐渐诚少。各种煤的干燥无灰基挥发分参见表2-5，可见 泥炭的挥发分最高，而无烟煤挥发分最低
28 工程燃烧学 表2-5 各种煤的挥发分V和挥发分开始析出温度T 泥炭 烟燥 盐攀 无烟煤 M(%) 70 40m60 220 10-18 1.510 T(℃) 100110 130-170 190 390 380-400 对于不同的煤种，其挥发分的开始析出温度也不同。碳化程度浅的煤由于含氧量高，氧 和煤中其他元素反应生成低沸点易挥发的不稳定化合物，且在湿度较低时挥发逸出，因此它 的开始析出温度低。随着碳化程度的加深，煤的挥发分开始析出温度不断提高（表2-5） 挥发分的热值高低也与煤种有关。炭化程度浅的煤，其挥发分热值较低。例如泥炭和褐 煤挥发分的热值仅为15000一~17000kJ/kg,这主要是因为煤中的含氧量较高所致。相反，碳 化程度深的煤，其挥发分的热值则较高，如贫煤和无烟煤的挥发分热值可达68000 71000kJ/kg 挥发分是世界各国煤炭分类以及我国煤炭分类的主要指标。根据挥发分的高低，可大致 地判断煤的变质程度。由表2-5可见，随着煤的变质程度加深，煤的挥发分逐渐减少。此 外，根据挥发分产率和焦炭特性，还可初步判断煤的加工利用性质和热值的高低。 挥发分也是煤的使用性能重要指标之一，对煤的燃烧过程有很大的影响。挥发分高的 煤，其着火温度低，容易引燃。而且在挥发分析出后，其焦炭的孔隙率高商，从而显著增大了 与空气的接触面积，使之易于完全燃烧。相反，对于挥发分低的煤，其着火温度高，煤的引 燃困难，加之焦炭表面孔隙率低，不易完全燃烧 二、锦炭特性 煤在隔绝空气的条件下加热并释放出挥发分后所剩下的固体残留物称为焦炭，其中的可 燃物（碳素）称为煤的固定碳 FC=100%-(M+A+V) 焦炭特性又称为煤的焦结性，是指煤粒在隔绝空气的条件下形成一定大小和强度焦块的 能力，是煤的重要特性指标之一。当煤被加热至一定温度时，其中低熔点的沥青质便开始熔 化，高熔点的沥青则谘于其中，面未熔化的固体焦粒与它们黏结在一起形成胶状物质。若蹈 化的沥青质不多，则不能形成坚固的焦，而只能使焦粒黏结。若熔化的沥青质很少，则焦粒 保特粉末状。 不同的煤种具有不同的焦结性。碳化程度浅的高挥发分煤，其焦结性一般较差。随着煤 中挥发分的减少，其焦结性有所增强。但当挥发分过少时，煤的焦结性又有所降低。 焦炭特性对火床炉的燃烧过程彩响较大。如粉末状的焦炭易被空气吹起而逸出炉膛，使 燃料的不完全燃烧损失增大；而焦结性很强的煤又将使煤层黏结成片，增大煤层阻力，妨得 穷气流通。使然烧过程展化 煤的焦炭特性可根据焦炭的外形和强度分为以下八类 (1)粉状，焦炭全部呈粉状，没有互相黏着的颗粒。 (2)黏者，用手指轻触即成粉状，或基本上是粉状，其中有较大的团状团粒，轻触即成 粉状。 (3)弱點着，用手指轻压即座成小典 (4)不熔融黏结，以手指用力压才裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面稍有银白色
2燃料概论 29 光泽。 (5)不膨胀熔融黏结，焦渣形成扁平的饼状，焦粒界线不易分清，表面呈明显银白色金 属光泽，焦渣下表面银白色光泽更明显 (6)微影胀培融黏结，用手指压不碎，焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，但在焦渣 的表面上具有较小的膨胀泡（或小气泡）。 (?)膨张熔融黏结，焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超 过15mm. (8)强膨胀焙融黏结，焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，焦渣高度大于15mm, 2,3.3煤灰的熔融特性 煤灰的熔融特性是指煤灰在高温下粘塑性变化的性质。煤灰在熔融状态下，易黏附于金 属受热面或炉壁上，引起积灰和结渣，严重影响然烧设备的经济和安全运行。 ()煤灰成分及其对熔融性的影响 煤灰的熔融性与其成分和含量有关。煤灰的成分主要有SiO、Al,O3、各种氧化铁 (Fe,O、FeO、FeO)、CaO、MgO、NaO、KO等。对于大多数煤种的灰，其SiO,的含 量最多，因此煤灰多呈酸性。煤灰中各种成分的熔化温度各不相同，从800℃至2800℃都有 (表2-6)。碱金属的氧化物N2O、K2O和氧化铁在较低的温度下即呈熔融状态，甚至气 化，而SO、A1O的熔化温度很高 表2-6 煤灰中各种成分的增化湿度 (℃) 成分 SiOz Al0 Cao Mg FeaO Feo Nn2O K:0 培化递度 223020502570 28001501420 800-100 由于煤灰是由多种成分组成的混合物，因此它的熔点不是各组成成分熔点的算术平均 值 一般地，煤灰中的SiO2和AlO,含量愈高，则灰的熔化温度高。当然，灰的熔化温 度还取决于SiO2/AlO比值的大小。当SiO2/A2O≈1.18时，灰的焙化温度大多较高；而 随者SiO/ALO比值的增大，灰焙化温度逐渐降低。因为自由氧化硅易与CaO、MgO FO等其他氧化物一起形成低熔点的共晶体，从而降低了整个灰的熔化温度。同理，若灰 中的碱性物质CaO、MgO、FeO,以及NazO、K,O等增多，也会使酸性灰的总焙化温度降 低。例如共晶体Ca0·SiO.的熔化温度只有1540℃，比Ca0和SiO2的熔化温度分别低 1030℃和690℃」 (2)煤灰溶融性的测定 煤灰受热时将变软、变黏，当温度继续升高时，灰最终将熔化而变成流体。由于煤灰是 多成分的混合物，它没有一个确定的熔化温度。灰的熔融性通常采用DT、ST、T三个特 征温度表示，其中DT为灰的开始变形温度，ST为灰的软化温度，FT为灰的熔化温度。 煤灰熔融性的测定一般采用角锥法， 如图2,1所示。首先将煤灰粉末制成三角 锥体，其底面做成边长为7mm的正三角 形。灰维高度为20m,其垂直于底面的侧麦 面与灰托板表面相垂直。将灰锥送人硅碳 管高温炉（最高允许温度为1500℃）中加 图2-】角镇法测定煤灰熔融性时灰锥状态的变化