30 工程燃烧学 热，并以规定的速率升温[炉温达900℃之前为1520（℃/min),900℃以后为5士1（℃/min], 炉内保持弱还原气氛， 随着炉温的升高，灰锥形状将发生变化，观察并记录灰锥形状变化与炉温的关系，即可 确定反映灰的熔融性的三个特征温度。当灰锥尖端开始变圆或弯曲时的温度为开始变形温度 DT:当灰锥尖端弯曲至灰托板上或整个灰锥变成半球形时的温度为软化温度ST,当灰维完 全熔融成液态并在灰托板上流动或灰锥显著缩小至接近消失时的温度为熔化温度℉T。煤灰 焙融性的测定应该在弱还原性气氛中进行，因为煤在锅炉等燃烧设备中燃烧时，在形成灰渣 的区域往往存在着弱还原性气氛。角锥法比较简单实用，但仅凭肉眼观察来判断灰锥的形状 变化，因而准确度较差。 2.3.4煤的其他使用性能 (1)着火性 在一定条件下，煤加热到开始正常燃烧的温度称为煤的者火点。着火性对于煤的贮存和 自燃、煤粉自发者火和爆炸以及煤在燃烧设备中的着火和引燃具有重要意义。煤的着火性的 优劣主要取决于其中挥发分的含量及其析出温度。当煤中的挥发分含量低且析出温度高时， 其着火点高，着火性不佳。无烟煤的挥发分含量（干燥无灰基挥发分V)一般低于10%， 其析出温度也较高，因而着火困难且不易燃尽。烟煤挥发分含量较高，一般高于20%、其者 火比较容易，在贮存时应重视防止自然的问题。褐煤的挥发分含量更高，一般可达40%一 60%,容易着火，因而褐煤不宜储存和长途运输 (2)可磨性 在实际使用中，原煤往往需要破碎成较小的煤块。燃煤电厂、水泥厂和高炉喷吹等均使 用煤粉进行悬浮燃烧，需要将原煤破碎成直径为几微米至上百微米的微粒。煤的可磨性表示 煤被粉碎的难易程度。各种煤的硬度、脆性等机械性质不同，它们的可磨性也不同。 实验表明，煤粒研磨所消耗的能量E与研磨过程中新增加的煤粒表面S成正比，而与 煤的可磨性G成反比，即 E=k各 (2-23) 式中一一比例系数 煤的可磨性采用可磨性指数(Grindability index)来表示，其定义为：将处于风干状态 且质量和粒度相同的标准和待测煤样放人相同的研蜜设备中，使用相同的能量进行研磨，所 得的可磨性比值称为可磨性指数，即 K-8-是 (2-24) 式中Km一待测煤样可磨性指数： Go,G- 一标准和待测煤样的可磨性 SoS- 一标准和待测煤样相应的新增表面积。 可见，煤的可磨性指数越大则越容易粉碎，反之则较难粉碎。对于使用煤粉进行悬浮燃 烧的燃烧设备（例如煤粉炉），在设计与改进制粉系统以及估算磨煤机的出力和耗电量时， 均需测定煤的可磨性指数。煤的可磨性指数主要有两种测定方法，即哈德格罗夫(Hardgrove) 法和前苏联全苏热工研究所法（简称BTH法）
2燃料爆论 31 哈德格罗夫法以美国某矿区易磨碎的烟煤作 为标准煤，将其可磨性定为100，并以此来比较 510 待测煤的相对可磨性或粉碎的难易程度。测定时 80 将待利煤样放人小型磨煤机(Hardgrove grind- ability machine)中，在规定条件下经过一定破 碎功的研磨，然后以筛分方法确定新增的煤数表 面积，并由此算出煤的可磨性指数Km。图2·2 201 给出了哈氏可磨性指数与煤变质程度之间的关 系。可见，随着煤变质程度的加深，哈氏可腾生 指数皇抛物线状变化，并且在含碳量约为90%处 图2-2煤的哈德格罗夫可磨性 出现最大值。 指数与C之间关系 (3)煤的热性质 煤的热性质，如煤的比热容和热导率，对于煤的热加工过程及传热计算等均具有重要的 意义 煤的比热容是随著煤的变质程度、水分和矿物质含母以及环查温度的变化而变化的 随着煤中含碳量的增加，煤的比热容将逐渐减少（图2-3）。例如挥发分较低而含碳量较高 的无烟煤，其结构接近于石最，较易导热，故其比热容较小。根据实验数据，在20℃时， V<20%的瘦煤（低挥发分、中等黏结性的炼焦用煤）的比热容约为1.087k/(kg·K): 而变质程度较浅、V>37%的长焰煤比热容则增大至1.338k/(kg·K)。一般来说，煤 在室温下的比热容约为0.84~1.67kJ/(kg·K),泥煤的比热容为1.38kJ/(kg·K),褐煤的 比热容为1.21k/(kg·K),烟煤比热容为1.00一L.09k/(kg·K),.石曼的比热容约为 0.652xJ/(kg·K). 煤的比热容常随媒中矿物质含量的增高而降低，因为煤中的矿物质主要为铝、铁、钙、 镁等的硅酸盐和碱金属的碳酸盐。当温度在24~100℃时，此类矿物质成分的比热容一般为 0.750.84k/(kg·K)左右。因此，煤灰的比热容一般近似地取为0.79kJ/(g·K)。煤 的平均比热容可按式(2-25)所示的经验公式计算，即 =08号(1+0.08v)M+0.19A+(o. (2-25) 式中c 一煤的比热容，(kg·K); (O.- 一收到基煤的有机质含量，%。 0.33f 14650%,5 20.29 02 T25 99 0.17 0.836 图23煤的比热容与含量的关系 图2-4煤的比热容与温度的关系
32 工程燃烧学 不同挥发分含量煤的比热容随温度的变化情况如图2-4所示。当温度T在0~350℃范 围内时，煤的比热容随温度的升高而增大，并在270一350℃阶段达到最大值；在350~ 1000℃范围内时，煤的比热容随温度的升高而减小。 煤的热导率是表征煤的热传导性能的指标。煤的热导率一般为0.232~0.348W/(m·K), 并随变质程度和温度的升高而增大。煤的热导率随着温度的变化为：在20一100℃范围内， 煤的热导率随者温度的升高而增大：当温度升高至250~300℃以上时，煤的热导率仍然随 着温度的升高而增大，但各种煤逐渐开始分解，煤的结构被酸坏当温度升高至400~ 500℃甚至900~1000℃时，煤质就发生了根本的变化，已变成了半焦或焦炭。煤的热导率 坏与煤中水分含量密切相关。对干同一煤种，随著煤中水分含量的增大，其热导率也随之 增大。 《4)煤的热稳定性 煤的热稳定性是指煤在高温条件下对热的稳定程度，又称煤的耐热性。它反映了煤在加 热时是否易于被碎的特性，或者说块煤在高温下保持原来粒度的能力。 热稳定性的好坏直接影响煤的燃烧和气化效果。热稳定性好的煤在气化或者燃烧过程中 能够保持完整的块度，逐步完成气化或燃烧，或者仅有少量的破碎成小块。热稳定性差的煤 在受热时往往爆裂成小块或粉末，易造成气流通道阻力增大甚至局部堵塞，显著降低煤的气 化或燃烧效率。 煤的热稳定性的好环主要受水分和煤结构因素的影响。由于煤的结构不均一，在高温下 造成较大的内外温差，以及煤裂谢中存在的水分在高温下急剧蒸发，均会使煤粒发生爆裂现 象。无烟煤和褐煤的热稳定性均较差。无烟煤硬度高、结构致密，加热时将引起较大的内外 温差，膨张不均匀，从而造成煤粒破裂；褐煤水分含量大，受热时水分急剧燕发，导致煤粒 爆裂。这些煤种的热稳定性可通过一定的热处理来加以改善。 测定煤的热稳定姓的基本原理，是取一定粒级的煤样，置人预先加热(850℃)的马弗 炉中加热一段时间，取出冷却后进行筛分和称重，并作出筛分曲线。以粒度大于6m残焦 占各级残焦质量之和的百分比，作为煤的热稳定性指标(TS)。其计算公式为 T3=×100 (2-26) 54-岩×10 (2-27) TS,-会×100 (2-28) 式中 TS6—煤的热稳定性指标，%； TS6、TS-,一—煤的热稳定性辅助指标，%； 各级残焦质量之和，： G+g一一粒度大于6mm残焦质量，g: G 粒度为3~6mm残焦质量，g G-3- 粒度小于3mm残焦质量，g。 (5)煤的结渣性 在气化或燃烧过程中，煤中的碳与氧反应而放出热量，产生高温，使煤中灰分熔融成 渣。渣的形成对于煤的燃烧过程将造成不利影响。例如对于火床炉，煤中灰分若在火床中局
2燃赵艇论 33 部地区软化熔融，造成结渣，可堵塞炉排的通风孔，破坏炉排面的燃烧过程，并可能使炉排 片过热而烧杯；对于固态排渣煤粉炉，在燃用着火困难且容易结渣的煤时，往往易在炉膛内 发生严重的结渣，可使炉内燃烧工况恶化，甚至发生大块焦渣落下砸坏冷灰斗的水冷管而被 迫停炉的严重事故。结渣对煤的气化过程也有显著的不利彩响。渣的形成一方面使气流分布 不均匀，易产生风洞，造成局部过热，给煤气发生炉的操作带来困难，结渣严重时可能导致 停产；另一方面，结渣后的煤块被熔渣包裹，煤未完全发生反应即排出炉外，增加了碳的损 失。因此，对于工程燃烧或气化过程，均要求采用不易结渣或者只是轻度结渣的煤。 煤的结渣性，实际上是指煤中矿物质的结块性能。它是判断煤在气化或燃烧过程中是否 容易结渣的一个重要指标。采用结渣性来判断煤的结渣性能优于煤灰的熔融性。这是因为结 渣性比较全面地反映了煤的燃烧热、灰分含量以及灰分组成诸因素的影响，而且煤的结渣性 的测定是模拟实际生产的条件在动态下进行的。这种测定结果能够更准确地反映煤在气化或 燃烧过程中的结渣特性。 煤的结渣性的测定方法是：将3一6m粒度的煤样装入特制的气化装置中，在规定的 鼓风强度下预热至800一850℃的赤热状态下使其气化（燃烧），待煤样燃尽后停止鼓风，怜 却后取出灰渣称量和筛分，以大于6mm的渣块质量占灰渣总质量的百分比，作为衡量煤的 结渣性的指标。该结渣性指标称为煤在规定鼓风强度下的结渣率，即 clin=会X100 (2-29) 式中cim一煤的结渣率，%： G 粒度大于6mm的渣块质量，g: —灰渣总质量，g。 根据粒度大于6mm级灰渣的结渣率，常将煤划分为强结渣煤、中等结渣煤和难结渣煤 三大类。结渣率小于5%的煤为雅结渣煤，结渣率为5%~25%的为中等结渣煤，结渣率大 于25%的强结渣煤 影响结渣性指标的主要因素有煤的灰分产率和煤灰的熔融性。而煤灰熔融特征温度又取 决于煤灰的化学组成。当煤灰组成中Fe、Ca、Mg、K、Na等元素含量较多时，其熔融特征 温度较低：当灰分中S:、A】含量较多时，熔融特征温度增高。一般地，煤灰熔融特征温度 越低，结渣率越高。 煤中灰分含量对煤的结渣性有着重要的影响。大量实验和实际运行经验表明，若煤的灰 分含量高，且灰熔融特征温度比较低时，在气化或燃烧过程中很容易结渣，所形成的熔渣又 将邻近的煤块包臣起来，形成更大的渣块，使结渣率增高。 此外，煤灰周固的气氛对结渣性也有一定影响。因为在还原性气氛中测得的煤灰熔融特 征温度要比在氧化性气氛中测定的低，因此煤在还原性气氛中比在氧化性气氛中的结渣率 高。煤中无机硫的含量也影响结渣性。分析数据表明，煤中无机硫含量越高，煤灰熔融特征 温度越低，煤的结渣性相应也随之增强。 2.4液体燃料 液体燃料可分为天然液体燃料和人工液体燃料两大类。石油是主要的天然液体燃料，它是
34 工程燃烧学 蕴截在很深的地层下的液体矿物油。石油一般不直接用于工程燃烧，锅炉、冶金炉等工业燃烧 设备的燃油是重油、渣油和柴油，它们是由石油炼制加工所得到的产品，属于人工液体燃料。 该类液体燃料还包括利用化学方法由煤、油页岩或天然气等提炼或合成的燃料，如通过煤液化 制取的合成汽油、柴油、重油和甲醉燃料，以及通过化学合成法和发酵法制取的乙醉燃料。 与煤相比，液体燃料具有以下特点。 〔1)热值高 作为燃料，热值是最为重要的特性指标。几种主要燃料的热值见表2-？。液体燃料由于 其氢含量远高于煤，因此它的热值比固体燃料高。通常，燃烧1kg石油所产生的热量可达 41.8M;燃烧1kg木柴仅为8.37一10.46M燃烧1kg煤，所得热量一般也仅有20.90 29.26M0,也就是说，石油的热值是术柴的4~5倍，约为煤的1.4一2倍。 表2-7 几种主要袋料的热值 (kI/ke) 燃料 木柴烟煤无烟煤集炭厂石油汽浦天然气 热值8373.6-1046720934 2721429307.64186345054.829307.6-50241.6 (2)灰分含量低，易燃烧 液体燃料的灰分含量极低，其中重油的灰分不大于0.3%，而轻柴油的灰分不大于 0.01%~0.02%。正是因为柴油、汽油等液体燃料几乎不含灰分，所以可将其用于内燃机然 料。此外，燃用固体燃料所必需的吹灰设备、除灰和灰渣排除装置以及除尘设备等在燃用液 体然料时根本不需要。 由于液体燃料着火容易，燃烧猛烈，因此燃用液体燃料锅炉的热力指标远高于燃用其他 燃料的锅炉。燃用液体燃料时，锅炉炉膛内每小时每立方米空间所产生的热量可达62？0W: 而在燃用其他燃料时，炉内每小时每立方米空间所产生的热量不超过1254一1463M (3)便于运输和贮存 液体燃料流动性好，便于通过管道进行远距离输送或车辆运输和装卸，且贮存场所不必 靠近其用户，贮存时所占空间较小，使用方便，易于实现管理过程的机械化和自动化。此 外，只要贮存条件合平相关标准的规定，液体燃料的物理和化学性质可在较长的贮存时间内 保持不变。 (4)污染物排放低 液体燃料中灰分含量极低，因此燃用重油、柴油等的锅炉的烟尘排效量很低。轻质成品 燃油的含硫量较低，如轻柴油的含硫量不大于0.2%，因此燃用轻柴油的小型锅炉的氧化硫 排放量要远低于燃煤锅炉 但是重油含硫量相对较高，有的牌号重油含疏量高达3%，而且在燃烧时，其硫分儿平 全部转变为氧化硫气体（而在燃用煤时，则约有一半疏分残留于灰渣之中）。由此可见，在 燃用重油时，氧化硫的生成量往往可能多于燃用煤时氧化硫的生成量。 2.4.1右油的化学组成 石油是一种黑褐色黏稠状天然液体燃料，又称原油。石油主要由碳、氢两种元素组成， 其中含碳量一般为83%一88%，含氢量占11%一14%，两者在石油中所占质量百分比约为 95%一99%。石油中的碳和氢元素是以各种不同族和不同分子量的碳氢化合物即烃类的形式 存在的，主要是一些脂肪烃（烷烃和烯烃）、环烷烃和芳香烃