02第二章 燃料.ppt
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1、第二章第二章 燃料及其燃烧特性燃料及其燃烧特性n第一节第一节 电站锅炉燃料电站锅炉燃料燃料的定义燃料的定义n通过燃烧释放热能的可燃物质称为燃料。通过燃烧释放热能的可燃物质称为燃料。核能燃料可控核裂变与和聚变有机燃料以各种形式在自然界存在的碳氢化合物燃料总类 有机燃料的物理状态分为:有机燃料的物理状态分为:固体燃料、液体燃料和气体燃料固体燃料、液体燃料和气体燃料液体燃料石油及其制品轻油、柴油、重油煤气城市煤气、高炉煤气、焦炉煤气油页岩锅炉燃料气体燃料固体燃料煤无烟煤、烟煤、褐煤等木材,生物质沼气天然气、液化石油气n获得方法:天然燃料获得方法:天然燃料-自然界直接获得;自然界直接获得;人工燃料人工
2、燃料-工艺加工。工艺加工。用途:工艺燃料用途:工艺燃料-炼焦、化工等;炼焦、化工等;动力燃料动力燃料-燃烧用。燃烧用。煤的组成与特性煤的组成与特性n煤是世界上最重要的燃料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。根据有了认识。根据Elliott和和Yoke(1981)的文章,中的文章,中国人早在公元前国人早在公元前1000年就使用了煤,希腊和罗年就使用了煤,希腊和罗马人在公元前马人在公元前200年以前开始利用煤。到公元年以前开始利用煤。到公元1215年,在英格兰开始了煤的贸易活动。从年,在英格兰开始了煤的贸易活动。从16世
3、纪开始,煤的初期利用世纪开始,煤的初期利用(例如:焦炭、煤焦油例如:焦炭、煤焦油和煤气和煤气)就不断得到改进,就不断得到改进,1822年发明了固定床年发明了固定床的给煤系统,的给煤系统,1831年出现粉煤燃烧,年出现粉煤燃烧,1921年发年发明了流化床。明了流化床。n全世界迄今为止已开采和消耗掉的煤合计约全世界迄今为止已开采和消耗掉的煤合计约为为1400亿吨,即占可采储量的亿吨,即占可采储量的20%左右,对左右,对估计储量讲仅占估计储量讲仅占1.3%。所以对主要的产煤国。所以对主要的产煤国来说可开采的煤仍旧很丰富,估计还可继续来说可开采的煤仍旧很丰富,估计还可继续开采开采300年。年。n不断增
4、长的能源需求意味着,所有的现有常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,它仍然足发电的主要燃料和在很长时间内,它仍然足发电的主要燃料和生产焦炭与煤气的原料。生产焦炭与煤气的原料。n煤的形成:植物残骸随地壳运动被埋入地下,煤的形成: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。成化学特性稳定、含碳量高的固体化合物。把植物残骸变成煤的地质化
5、学过程称为煤化。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、烟煤和随地质年代等不同,一般分为褐煤、烟煤和无烟煤。无烟煤。n在地质历史上,沼泽森林覆在地质历史上,沼泽森林覆盖了大片土地,包括菌类、盖了大片土地,包括菌类、蕨类、蕨类、灌木、乔木等植物。灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变但在不同时代海平面常有变化化.n当水面升高时,植物因被淹当水面升高时,植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气,物被沉积物覆盖而不透氧气,植物就不会完全分解,而是植物就不会完全分解,而是在地下形成有机地层。随着在地下形成有机地层。随着海平面
6、的升降,会产生多层海平面的升降,会产生多层有机地层。有机地层。n经过漫长的地质作用,在温经过漫长的地质作用,在温度增高、压力变大的还原环度增高、压力变大的还原环境中,这一有机层最后会转境中,这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异,形成的煤也不尽间的差异,形成的煤也不尽相同。相同。n第二节第二节 煤的元素分析和工业分煤的元素分析和工业分析析一、元素分析一、元素分析1、煤的组成特点、煤的组成特点n可可燃燃成成分分和和不不可可燃燃成成分分组组成成的的复复杂杂组组合合物物,结构非常复杂。结构非常复杂。n各各组组成成元元素素并并不不单单独独游游离离存存在在,而而是是以
7、以复复杂杂的化合物存在,成分十分不均匀。的化合物存在,成分十分不均匀。2、元素分析、元素分析 ultimate analysisn全全面面测测定定煤煤中中所所含含全全部部化化学学成成分分的的分分析析。其其成成分分为:分分为:nC,H,O,N,S,A(ash),M(moisture)可燃成分可燃成分C,H,可燃,可燃S不不可可燃燃成成分分水水分分,惰惰性性气气体体,各各种矿物质种矿物质碳碳 Cn最主要的可燃质,煤是富含碳的燃料;最主要的可燃质,煤是富含碳的燃料;n燃烧产物主要是燃烧产物主要是CO2;n碳含量取决于碳富集程度,煤化程度;碳含量取决于碳富集程度,煤化程度;n碳的发热量:碳的发热量:3
8、2.7103kJ/kg,4.182系数;系数;n一般含量:一般含量:30%70%,n关于热量单位:关于热量单位:kcal(工程)(工程),kJ(国际)(国际),Btu(英热单位)(英热单位)1 cal=4.18 J 1 Btu=0.2520 kcal定义:定义:1 lb水升高水升高 1 F;tc=5/9(tF-32),tF=9/5tc+32氢氢 Hn发热量很高,达发热量很高,达120103kJ/kg,极易燃烧;,极易燃烧;n煤中含量很少,仅为煤中含量很少,仅为3%6%;n液体燃料中可达到液体燃料中可达到14%;n天然气中最多。天然气中最多。硫硫 S 部分部分S属于可燃质,属于可燃质,发热量仅发
9、热量仅9103kJ/kg;对锅炉设备及环境的危害很大;对锅炉设备及环境的危害很大;硫硫的的含含量量0.25%,甚甚至至更更高高,超超过过1%,既既为高硫煤。为高硫煤。元素成分为可燃硫。元素成分为可燃硫。在煤中硫以三种状态存在:在煤中硫以三种状态存在:硫化铁硫化铁全硫全硫硫酸盐硫酸盐不燃烧,含量很少,并入灰分不燃烧,含量很少,并入灰分可燃硫(挥发硫),燃烧生成可燃硫(挥发硫),燃烧生成SO2,有机硫有机硫氧氧 O1.氧氧不不可可燃燃,氧氧不不以以游游离离状状态态存存在在于于煤煤中中,与与煤煤中中的的氢氢和和碳碳组组成成化化合合物物,占占据据部部分分可可燃燃质质,使煤发热量降低。使煤发热量降低。2
10、.氧氧的的含含量量115%,木木柴柴中中的的氧氧含含量量达达到到20%25%。氮氮 Nn氮氮是是一一种种不不利利的的元元素素,在在高高温温环环境境下下,与与氧氧形成氮氧化物,对环境危害极大。形成氮氧化物,对环境危害极大。n煤中氮的含量煤中氮的含量1%。灰分灰分A A煤煤中中不不可可燃燃矿矿物物杂杂质质,成成分分十十分分复复杂杂,大大多多数煤的灰分含量数煤的灰分含量7%40%。灰分灰分内在灰分内在灰分外在灰分外在灰分产生于开采、运输、贮藏过程中产生于开采、运输、贮藏过程中一次灰分一次灰分成煤前植物中含有的矿物质,均匀分布在可燃质中成煤前植物中含有的矿物质,均匀分布在可燃质中二次灰分二次灰分在煤形
11、成过程中,外界带入的杂质,呈粒状分布在煤形成过程中,外界带入的杂质,呈粒状分布水分水分Mn含量一般在含量一般在130%,多在,多在10%左右。左右。内在水分内在水分也称为吸附水分或风干水分,即煤经过风干后的水分也称为吸附水分或风干水分,即煤经过风干后的水分外外在在水水分分经经过过风风干干后后可可以以脱脱除除掉掉的的那那部部分分水水分分,受受运运输输,贮贮存存条条件等影响,变化很大。件等影响,变化很大。水分水分二、工业分析(实验)二、工业分析(实验)proximate analysisn在一定实验条件下,经过分析得到水分、挥发分、固定碳和在一定实验条件下,经过分析得到水分、挥发分、固定碳和灰分这
12、四种成分的质量百分数。工业分析在电厂常用(唯一灰分这四种成分的质量百分数。工业分析在电厂常用(唯一的实验内容)的实验内容)n方法方法:自然干燥,:自然干燥,1g煤样,煤样,1055干燥箱干燥箱 1 小时,失去重量小时,失去重量为空干基水分;为空干基水分;n然后隔绝空气,然后隔绝空气,920电炉,电炉,7分钟,干燥箱冷却至室温,失分钟,干燥箱冷却至室温,失去重量为空干基挥发分;去重量为空干基挥发分;n挥发分为有机气体,对锅炉影响很大;挥发分为有机气体,对锅炉影响很大;n剩余为焦炭,为固定碳及灰分组合。在剩余为焦炭,为固定碳及灰分组合。在8155下燃烧下燃烧1小时,小时,剩余为空干基灰分。剩余为空
13、干基灰分。n最后可得固定碳。最后可得固定碳。n煤中主要成分为碳,经过不同的过程,其特性有所煤中主要成分为碳,经过不同的过程,其特性有所变化。一般碳指元素碳,英文单词变化。一般碳指元素碳,英文单词carbon;碳颗粒;碳颗粒泛指含碳物质,泛指含碳物质,carbon particle,强调其颗粒特性,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如粒径、外表面等;炭,特指碳热解后所形成的固体物质,体物质,char;炭骸,强调热解过程完成所决定的;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,固形残骸的特性,如多孔性、内表面等,char residue;固定碳,煤的
14、工业分析挥发分测定实验结;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,时可与炭骸混用,fixed carbon;焦炭,固定碳与灰;焦炭,固定碳与灰分的组合物质,分的组合物质,coke。挥发分及其测定挥发分及其测定n挥挥发发分分定定义义:失失去去水水分分的的煤煤样样在在隔隔绝绝空空气气的的条条件件下下加加热热到到一一定定温温度度时时,煤煤分分解解逸逸出出的气体物质。的气体物质。n主要成分是主要成分是CO、CO2、CmHn、H2等。等。n收到基挥发分含量在收到基挥发分含量在5%40%之间。之间。n表示方
15、法:表示方法:V,Vdaf,等,也存在换算。等,也存在换算。影响因素:影响因素:l挥发分的多少和组成与煤的年代有关挥发分的多少和组成与煤的年代有关l热热解解程程度度随随加加热热速速率率、加加热热温温度度和和加加热热时时间间而变,须在统一条件下测定。而变,须在统一条件下测定。l挥发分的发热量取决于挥发分的成分挥发分的发热量取决于挥发分的成分l挥挥发发分分的的多多少少与与组组成成影影响响到到着着火火,是是对对动动力力用煤进行分类的重要依据。用煤进行分类的重要依据。(煤质分析简介)(煤质分析简介)1煤质分析方法煤质分析方法(1)元素分析)元素分析 全全面面测测定定煤煤的的所所有有成成分分以以及及挥挥
16、发发分分与与发发热热量量等。等。(2)工业分析)工业分析 测测定定水水分分、灰灰分分、灰灰熔熔融融特特性性、煤煤粉粉细细度度、挥发分以及发热量等。挥发分以及发热量等。工业分析在电厂常用(唯一的实验内容)工业分析在电厂常用(唯一的实验内容)煤质分析的内容煤质分析的内容1.煤元素分析煤元素分析2.煤中水分含量测定煤中水分含量测定3.煤中灰分含量测定煤中灰分含量测定4.煤发热量测定煤发热量测定5.挥发分及其测定挥发分及其测定6.灰的熔融性及测定灰的熔融性及测定 1煤元素分析(专门仪器)煤元素分析(专门仪器)2煤中水分测定煤中水分测定 包括测定外在水分与内在水分。包括测定外在水分与内在水分。3煤中灰分
17、测定煤中灰分测定 将煤粉试样在电炉中灰化。将煤粉试样在电炉中灰化。4.煤发热量测定煤发热量测定 绝热式量热计(注意:扣除生成硫酸和硝绝热式量热计(注意:扣除生成硫酸和硝酸的热量)酸的热量)第三节、煤的成分的计算基准第三节、煤的成分的计算基准n用各个成分的质量百分数来表示用各个成分的质量百分数来表示;n水水分分和和灰灰分分所所占占质质量量较较大大,且且随随外外界界条条件件有有较大的波动较大的波动;n采用四种不同的采用四种不同的“基基”准的质量成分表示准的质量成分表示:n1.收到基收到基ar;n2.空气干燥基空气干燥基ad;n3.干燥基干燥基d;n4.干燥无灰基干燥无灰基daf.收到基(下标符号为
18、收到基(下标符号为ar)n表示燃料中全部成分的质量百分数总和。表示燃料中全部成分的质量百分数总和。n是是锅锅炉炉设设计计、经经济济性性分分析析及及燃燃料料燃燃烧烧计计算算的的原始依据。原始依据。Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%空气干燥基(下标符号为空气干燥基(下标符号为ad)n表表示示在在不不含含外外在在水水分分的的条条件件下下,燃燃料料各各组组成成成成分的质量百分数总和。分的质量百分数总和。n是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%干燥基(下标符号为干燥基(下标符号
19、为d)n表表示示在在不不含含水水分分的的条条件件下下干干燥燥燃燃料料各各组组成成成成分的质量百分数总和。分的质量百分数总和。n干基中各成分不受水分变化的影响。干基中各成分不受水分变化的影响。Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%干燥无灰基(下标符号为干燥无灰基(下标符号为daf)n表表示示在在不不含含水水分分和和灰灰分分的的条条件件下下,干干燥燥无无灰灰燃料各组成成分的质量百分数总和。燃料各组成成分的质量百分数总和。n干干燥燥无无灰灰基基中中只只包包含含燃燃料料的的可可燃燃成成分分,各各成成分不受水分和灰分变化的影响。分不受水分和灰分变化的影响。n煤分类、煤炭交易的依据。煤分类、煤炭交易
20、的依据。Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%各种基的换算:各种基的换算:x=k x0n该式不能用于水分换算,因为内、外部水该式不能用于水分换算,因为内、外部水分不是成比例的,换算式为书式分不是成比例的,换算式为书式2-7。第四节、煤的发热量及相关概念第四节、煤的发热量及相关概念一、煤的发热量一、煤的发热量两种发热量的定义:两种发热量的定义:1高位发热量高位发热量Qgr(gross calorific value)1kg煤煤完完全全燃燃烧烧时时放放出出的的全全部部热热量量,包包括括烟烟气气中中水水蒸蒸气凝结时放出的热量。气凝结时放出的热量。2低位发热量低位发热量Qnet(n
21、et calorific value)在在1kg煤煤完完全全燃燃烧烧时时放放出出的的全全部部热热量量中中扣扣除除水水蒸蒸气气汽汽化化潜潜热热后后所所得得的的热热量量。即即煤煤中中可可燃燃质质的的一一部部分分燃燃烧烧热量被用于水分的汽化,没有得到利用。热量被用于水分的汽化,没有得到利用。n单位为单位为kcal/kg,或者,或者kJ/kg,MJ/kg。高位发热量与低位发热量间的换算公式高位发热量与低位发热量间的换算公式 2-8煤的高位发热量减去煤中水和氢燃烧生成水的煤的高位发热量减去煤中水和氢燃烧生成水的气汽化潜热所得到的热量为低位发热量,气汽化潜热所得到的热量为低位发热量,r为水的汽化潜热,取为
22、为水的汽化潜热,取为2510 kJ/kg。几点说明几点说明n实验室所测是全部热量(高位),锅炉排烟实验室所测是全部热量(高位),锅炉排烟温度均较高(温度均较高(110以上),烟气中水蒸气未以上),烟气中水蒸气未凝结,将这部分汽化潜热带走。凝结,将这部分汽化潜热带走。n我国均采用低位发热量。有些国家采用高位我国均采用低位发热量。有些国家采用高位发热量,必要时说明。发热量,必要时说明。n表示煤的发热量同样分为不同的表示煤的发热量同样分为不同的“基基”,因,因此,也存在之间的换算。此,也存在之间的换算。二、发热量的测定二、发热量的测定n氧弹式量热仪测量(有实验)氧弹式量热仪测量(有实验)三、煤的折算
23、成分三、煤的折算成分n硫分、灰分与水分对锅炉工作的影响硫分、灰分与水分对锅炉工作的影响1)降低煤的发热量降低煤的发热量;2)降低燃烧温度,不利于燃料的着火与燃烧降低燃烧温度,不利于燃料的着火与燃烧;3)增增加加烟烟气气容容积积,排排烟烟温温度度升升高高,排排烟烟损损失失增增加,锅炉效率下降加,锅炉效率下降;4)加剧锅炉受热面的低温腐蚀与积灰加剧锅炉受热面的低温腐蚀与积灰;5)增加通风电耗。增加通风电耗。n比较锅炉燃烧不同煤时,带入炉内的水、灰和比较锅炉燃烧不同煤时,带入炉内的水、灰和硫的硫的质质量量煤的煤的折算成分折算成分;n定义:定义:每送入炉内每送入炉内1MJ(1000kJ)热量,随燃热量
24、,随燃料带入炉内的某成分的料带入炉内的某成分的质质量量(g););n分别为折算水分、折算灰分和折算硫分分别为折算水分、折算灰分和折算硫分;n过去以每过去以每1000kcal为标准,现在是为标准,现在是1000kJ对应对应的克数;单位的克数;单位g/MJ(SI制)制)n书中定义为送入书中定义为送入1000kcal(4187kJ)热量带入)热量带入的某成分的含量(的某成分的含量(%)。)。采用折算成分的目的采用折算成分的目的n以灰分为例,同一锅炉燃烧不同煤时,采用以灰分为例,同一锅炉燃烧不同煤时,采用折算成分的必要性(此为成分的百分含量折算成分的必要性(此为成分的百分含量%)折算成分的表达式折算成
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