电厂锅炉原理电子档

第一节煤的成分及性质煤是由有机化合物和无机矿物质等组成的一种复杂物质，属有机原料，来源于古代植物。

由于地壳变迁，地面上的植物残骸被长期埋在地层深处，在合适温度与高压及缺氧条件下，原始有机物不断分解化合，最终边形成了煤。

煤既然由植物形成，组成植物的有机质元素，主要是碳、氢、氧和少量的氮、硫，便是煤的主要元素。

另外，在煤的形成、开采和运输过程中，加入的水分和矿物质（燃烧后成为灰分），也成为煤的组成成分。

煤是复杂的高分子碳氢化合物，煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如元素分析成分组成工业分析成分组成，就能满足电厂锅炉燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。

一、煤的元素分析成分及其性质煤中的化学元素可达30多种。

一般把燃料中不可燃烧矿物质成分综合在一起统称为灰分。

这样用元素分析法测定煤的组成成分时包括七项：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素和水分（M）、灰分（A）两种成分。

其中碳、氢和部分硫是可燃成分，其余都是不可燃成分。

这些成分呈复杂的化合物存在于煤中。

煤的各种成分的性质如下。

1.碳(C)碳是煤中的主要可燃元素，其含量一般为50%~60%（指收到基含量，下同），1kg的碳完全燃烧生成二氧化碳CO2，能放出32700KJ的热量，其反应式为C+O2→CO2+32700，KJ/kgC （2—1）如果1kg的碳不完全燃烧生成一氧化碳CO，只能放出9270KJ的热量，即2C+O2→2CO+9270，KJ/kgC (2—2) 煤中的碳以两种状态存在。

其主体形成晶格，也就是苯核。

晶格中也有一些硫、氮原子。

另一部分碳与氢、硫、氮、氧形成侧链。

侧链靠键链接在晶格的边缘上。

当在缺氧环境下受热时，键断裂，侧链呈气态逸出，这就是挥发分。

煤的挥发分是由各种碳氢化合物、一氧化碳、硫化氢等可燃气体，二氧化碳和氮等不可燃气体及少量的氧气所组成。

煤的挥发分与煤的地质年代有密切的关系。

地质年代愈短，它受地热而热解的愈少，侧链保存的很多，所以挥发分愈高。

挥发分是煤受热裂解的产物，而不是煤中固有的成分，所以不应该挥发分含量。

以晶格状态存在的碳被称为固体碳。

固体碳的燃烧特点是不易着火，燃烧缓慢，火苗短。

所以，一般含固体碳越多的煤，其着火和燃烧就越困难。

2.氢（H）氢是煤中可燃元素之一，其含量约为1%-6%，但发热量比碳高得多。

1kg氢完全燃烧生成水H2O，能放出120000KJ的热量（扣除水的汽化潜热后剩余的热量），其化学反应式为2H2+O2→2H2O+12*104，kj/kgH2 (2—3) 氢的燃烧特点是极易着火，燃烧迅速，火苗也长。

因此，含氢越多的煤月容易着火燃烧。

3.硫（S）煤中硫的含量一般不超过2%，但个别煤种高达8%--10%。

煤中的硫以三种形态存在：）有机硫（与C、H、O）等元素组成的复杂化合物黄铁硫矿（FeS2）及硫酸盐硫（与Ca、Mg、Fe等元素组成的盐类）。

前两种硫可以燃烧放热统称为可燃硫（Sr）。

硫酸盐硫（S ly）不能燃烧而并入灰分中。

硫酸盐硫的含量很少，常以全硫代替可燃硫作燃烧计算。

1kg硫完全燃烧生成二氧化硫SO2，能放出9040KJ的热量,其化学反应式为S+O2→SO2+9040，kj/kgS （2—4）4.氧(O)和氮(N)氧和氮都是煤中的不可燃元素，不能燃烧。

煤中氧的含量变化很大，碳化程度深的煤中氧含量很少，如无烟煤氧含量仅有1%--2%；碳化程度浅的煤可达40%左右。

煤中的氧由两部分组成：一部分为游离态存在的氧，它能助燃；另一部分为化合物（如CO2、H2O等）中存在的氧,当这部分氧多时，表述与它化合而不能燃烧的C、H也多，这将使煤的发热量降低。

氮的含量较少，仅为0.5%--2.5%，但它是有害元素。

在氧气供应充分、高温和含氮量高的燃烧过程中易生成氮氧化物（NOx）,污染大气,对人体和职务都十分有害。

5.水分（M）水分是煤中主要不可燃成分,也是一种有害杂质。

各种煤的水分含量差别很大，少的仅有2%左右，多的可达50%--60%。

煤中水分由表面（外在）水分Mf和内在水分M ad组成. 表面水分是在开采、储运过程中受雨露冰雪影响而进入煤中的，在温度（20±1）℃、相对湿度为（65±1）%的空气中自然风干后失去的水分；固有水分也叫内在水分，靠自然干燥不能除去，必须把煤加热到105—110℃左右，并保持一定的时间才能除去。

外在水分和内在水分的总和成为全水分。

6.灰分（A）煤中的各种矿物杂质，在燃烧后形成灰分。

但燃烧后的灰分与燃烧前煤中的矿物质在性质上和数量上都不相同。

灰分既是煤中主要不可燃成分，又是很有害的杂质。

各种煤中灰分含量变化很大，多在10%--50%之间。

煤中灰分由内在灰分和外在灰分组成。

内在灰分来自古代植物自身所含的矿物质；外在灰分来自煤形成期间从外界带入的矿物质以及在开采、运输中混入的矿物杂质。

以上为煤的元素分析成分及其性质，各成分含量是指质量百分含量。

煤的元素分析是锅炉燃烧等计算的依据，同时也是煤的分类和研究煤的特性的依据。

但煤的元素分析相当繁杂，需要复杂的设备、较高的技术和较长的分析时间，所以，发电厂从运行角度出发一般采用简单的工业分析法。

二、煤的工业分析成分及其性质在煤的着火、燃烧过程中，煤中各种成分的变化情况是：将煤加热到一定温度时，首先水分被蒸发出来；再加热，煤中的氢、氧、氮、硫及部分碳所组成的有机化合物分解，年成气体挥发出来，这些气体成为挥发分；挥发分析出后，剩下的是焦炭，焦炭就是固定碳和灰分的组合。

煤的工业分析成分就是测定煤中的水分（M）、挥发分（V）、固定碳（FC）和灰分（A）的质量百分含量。

根据工业分析数据，可以了解煤在燃烧方面的某些特性，以便正确的进行燃烧调整，改善燃烧工况，提高运行经济性。

煤的工业分析成分就是按煤的燃烧过程来分析煤的成分。

工业分析成分的测定是在实验室中进行的。

按照国家标准GB/T211---1996《煤中全水分的测定方法》及GB/T212---2001《煤的工业分析方法》的规定，测定方法有多种，这里介绍最常用的方法。

1.煤中全水分的测定用已知质量的干燥、清洁的浅盘称取颗粒度为13mm的试样500g(称准到0.5g)，并均匀地摊平，然后放入预先鼓风并加热到105—110的干燥箱中。

在鼓风的条件下，烟煤干燥2h，无烟煤干燥3h，从干燥箱中取出浅盘，趁热称重，然后每30min 进行一次检查性恒重试验，直到煤样的减重不超过0.5g为止。

计算公式为(2—5) 式中Mt——煤样的全水分，%；M——煤样的质量，g;m1_干燥后煤样减少的质量，g。

2.空气干燥煤样水分的测定在预先干燥并已称量过的称量瓶内称取粒度小于0.02mm的空气干燥煤样，称准至0.0002g，平摊在称量瓶中，打开称量瓶盖，放进预先鼓风并已加热到105---110的干燥箱内，在一直鼓风的条件下，烟煤干燥1h，无烟煤干燥1---1.5h，从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温（约20min）后称量。

进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.001g或质量增加时为止。

在后一种情况下，采用质量增加前一次的质量为计算依据。

水分在2.00%以下时，不必进行检查性干燥。

根据煤样的质量损失计算出水分的质量分时如下：（2—6）式中M ad——空气干燥煤样的水分，%；m——称取的空气干燥煤样的质量，g；m1——煤样干燥后市区的质量，g。

3.煤中灰分的测定在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度小于0.2mm的空气干燥基煤样（1±0.1）g，称准至0.0002g，均匀摊平在灰皿中，使其每平方厘米的质量部超过0.15g。

将盛有煤样的灰皿送入炉温不超过100℃的马弗炉恒温区中，关上炉门，并使炉门留有15mm左右的缝隙.在不少于30min内使炉温升至500℃，并在此温度下保持30min。

然后继续升温至（815±10）℃,并在此温度下灼烧1h，取出稍冷，然后放在干燥器内冷却至室温(约20min)后称量，进行检查性灼烧，每次20min，直至恒重(两次质量之差不超过0.001g)为止。

灰皿中残留物占原试样质量的百分数即为煤样的空气干燥基灰分质量分数。

（2—7）式中A ad——空气干燥煤样的灰分，%；m——称取的空气干燥煤样的质量，g；m1——灰皿中残留物的质量，g。

4.煤中挥发分的测定在预先于900温度下灼烧至质量恒重的带盖的坩锅中，放进粒度小于0.2mm的空气干燥基煤样（1±0.01）g，称准至0.0002g，将坩埚轻轻震动，使其中的煤样铺平后加盖，放入预先加热到920的马弗炉中，关闭炉门，使坩埚连续准确加热7min。

坩埚及架子放入后，要求炉温在3min内恢复至（900±10）℃，直至试验结束(否则试验作废)。

加热时间包括温度恢复时间在内。

从炉中取出坩埚，放入空气中冷却5min左右，放入干燥器内冷却到室温后称量，按下式计算其空气干燥基挥发分质量分数V ad：（2—8）式中m1——空气干燥基煤样加热后减轻的质量，g；m——空气干燥煤样质量，g；M ad——空气干燥基水分，%。

5、固定碳的计算空气干燥基固定碳计算公式为FC ad=100-（M ad+A ad+V ad）（2—9）式中FC ad——空气干燥基固定碳质量分数，%；M ad——空气干燥基水分质量分数，%；A ad——空气干燥基灰分质量分数，%；V ad——空气干燥基挥发分质量分数，%。

原煤析出挥发分后的残留物便是焦炭，此时煤中的灰分也残存在焦炭中。

各种煤的焦炭的物理性质差别很大，有的比较松脆，有的则结成不同硬度的焦块。

焦结性是煤的一个重要特性，它对锅炉工作有一定影响。

例如，在煤粉炉中,烧强焦结性煤时，易引起颅内结渣，且形成坚硬的焦粒，使焦粒内部很难与空气接触，燃烧发生困难.所以煤的焦结性对煤的燃烧有影响。

焦炭特性可根据其外形、强度分成以下八类。

（1）粉状。

没有互相黏着的颗粒。

（2）黏着状。

用手指轻压，基本上是粉状。

（3）弱黏结。

用手指轻压即碎成小块。

（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，下表面稍有银白色光泽。

（5）不膨胀黏结。

焦渣成饼状，焦粒界线不易分清，表面呈银白色金属光泽，焦渣下表面光泽尤甚。

（6）微膨胀熔融黏结。

用手指压不碎，在焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，且焦渣上表面有微小膨胀泡。

（7）膨胀熔融黏结。

焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，且明显膨胀，但膨胀高度不高于15mm。

（8）强膨胀熔融黏结。

焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，膨胀高度大于15mm。

三、煤的成分计算基准由上述分析可知，燃煤由碳、氢、氧、氮、硫五种元素及水分、灰分等组成，这些成分都以质量分数计算，其总和为100%。