第2章 燃料

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• 氮(Nitrogen)
– 通常情况下不可燃,条件满足时可生成NOx,但 生成量很少,一般认为是不可燃元素 – 煤中含量很少,一般1%~2% – 油中含量0.05%~0.4% – 能造成空气污染,须严格控制其生成
一、燃料的元素分析
• 灰分(Ash)
– 不可燃,属于矿物杂质,主要由SiO2、Al2O3、 CaO、MgO、Fe2O3等氧化物和碱、盐等构成 – 燃料中灰分含量相差很大,油中几乎无灰,煤 中灰分通常10%~30%,多者可达50% – 按灰分的来源可分为 • 内部灰分:生成煤时混入,混合均匀 • 外部灰分:开采、运输时混入,分布不均匀
– 还原性气氛中比氧化性气氛中低200~300 ℃
角锥法测定灰熔点
– 将灰制成小角锥(正三角 形底,边长7cm,高度 20cm),角锥垂直地面的 侧面与灰托板表面垂直 – 至于硅碳管加热炉中加热 – 加热速度 • 900 ℃以前,15~20 ℃ /min • 900 ℃以后,5±1 ℃ /min – 介质气氛
– 人均消费能源低 • 1995年,中国发电业装机容量2亿千瓦,发电量1万 亿千瓦时,居世界第4位,但人均发电量仅为世界的 1/3 • 1989年,世界人均煤炭储量312.7吨,中国234.4吨, 同期苏联为1045吨,美国为1846吨 – 设备效率低,燃烧效率太低 燃烧效率 中国 火电厂 28-36 工业锅炉 60-70 工业炉窑 23-30 民用炉灶 15-20
纯碳的着火和燃烧很困难,煤的含炭量越多,着火与燃烧 越困难,但发热量大
一、燃料的元素分析
• 氢(Hydrogen)
– 可燃元素。煤的碳化程度越深,含氢量越少,煤一般 的含氢量为2~10%
2 H 1 O2 H 2O 120370 / kg kJ 2
一、燃料的元素分析
• 硫(Sulfor)
• 水分对燃烧过程的影响
– 燃料的发热量 – 着火、燃烧过程吸收大量热量,降低燃烧温度 – 排烟热损失 – 受热面腐蚀 – 堵灰 – 制粉、干燥和运输
二、燃料成分的表示
• 固液体燃料
– 七种元素分析成分的质量分数 – C+H+O+N+S+A+M=100%
• 气体燃料
– 不同分子成分的体积百分数 – H2+O2+CH4+CO+CO2……=100%
焦结性对燃烧过程的影响
• 煤的焦结性对层燃炉有重要影响。
– 焦渣处于5~8类,结焦成块,层燃炉妨碍通风, 含碳量增加。 – 焦渣处于1~2类,可能漏煤,或增加飞灰损失。
出。粒度越大,挥发分析出越少
挥发分含量的测定
• 分析试样1克左右,放入带盖的坩埚中,在
900±10 ℃的恒温炉中,隔绝空气加热7分 钟,析出气体,试样重量G1 G2
G1 G 2 100 % Mad Vad G1
然后换算成其他基准,习惯上用干燥无灰 基,含量不受灰分和水分的影响。
二、工业分析成分
一、燃料的元素分析
• 灰分含量对燃烧过程的影响
– – – – – 燃料发热量少 着火、燃烧困难 积灰、结渣,影响传热 磨损受热面 污染环境
• 灰在燃烧前后可能不完全一致,化合物可能会分
解,但在800℃之后,基本不变,测定成分时规定: 测量温度815±10 ℃
一、燃料的元素分析
• 水分(Water,Moisture)
– 自然界中硫的存在形式包括有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐 硫。 – 硫是可燃元素,但热值很低,同时硫燃烧产生的二氧化 硫、三氧化硫会进一步生成亚硫酸和硫酸,腐蚀金属, 造成锅炉堵灰。 – 我国煤的含硫量很低,一般1~2%,但南方某些煤的含硫 量较高,可达3~5%,个别达10%, – 高硫煤:含硫量大于2%的煤质
S O2 SO2 9100 / kg kJ
一、燃料的元素分析
• 氧(Oxygen)
– 氧是不可燃元素,在燃料中已和碳、氢化合,使 其可燃成分相对减少 – 固体燃料的含氧量随碳化程度的加深会较少,无 烟煤含氧量1%~2%,其他煤的含氧量10%左右 – 油的含氧量很少,1%左右
一、燃料的元素分析成分
开始析出温度 380~400 370~390 170~320
40~60 >60%
130~170
挥发分析出量的影响因素
– 同一种煤,即使产于同一矿井,Vdaf含量也会有出入。
• 原因:
– 加热温度的影响。 • 加热温度越高,析出挥发分越多; – 加热时间和加热速度的影响。 • 快速分解比慢速分解细处的挥发分多; • 快速分解析出挥发分中C/H高; • 先期释放的挥发分中,C/H比例高。 – 煤粒尺寸的影响 • 结论不一,有人认为有影响,有人认为无影响; • 有影响的人认为:大粒度煤分解产生的C阻碍了后期挥发分析
1
空气干燥基
100 M ar 100 M ad
100 M ar 100 100 M ar Aar 100
干燥基
100 M ad 100 100 M ad Aad 100
干燥无灰基
100 Ad 100
四、元素分析成分新旧符号的变化
新名称 收到基 空干基 干燥基 干燥无灰基
– 成分:水分、灰分、挥发分和固定碳,其中灰 分和固定碳合称为焦炭
– 发热量 – 灰熔点
二、工业分析成分
• 工业分析成分的定义和煤的燃烧过程密切
相关
干燥 干馏 燃烧

析出水分
A A 固态
干煤
析出挥发分
C FC
焦炭
固定碳燃烧
H O V N 气态
灰分
S
M M
二、工业分析成分
• 工业分析也存在四种基准
各种基准之间的换算因子
已知成分的基 所 收到基 1 求 成 分 的 基 干燥基 干燥无灰基 空气干燥基
收到基
100 M ad 100 M ar
1
100 100 M ar 100 100 M ad
1
100 100 M ar Aar 100 100 M ad Aad 100 100 Ad
发达国家
35-46
80-85
50-60
50-60
四、我国能源政策
• 1979年,国家提出能源政策
– 开发与节约并重,近期把节约放在优先地位。
• 至今未变
2.2燃料的成分和性质
一、燃料的元素分析
• 固液、体燃料的成分
– 元素分析成分:为工程计算和应用方便,将燃 料的主要元素组成和水分、灰分测量结果习惯 上称为元素分析成分
燃 烧 学
第2章
燃料
2.1燃料及其概况
一、什么是燃料?
• 燃料:是各种(有机和无机)复杂化合物的混合物,
通过燃烧可以将其化学能转化为热能的物质,同时 在技术上是可行的,经济上是合理的
– 例如:天然气、石油、煤炭等 – 金刚石可以燃烧,但不作为燃料,经济上不合理
• 燃料是远古时代的动、植物被埋于地下,在缺氧高
– 定义:在高温条件下煤有机质分解的产物,不 是自然存在于煤中的。 – 主要成分:CmHn,例如CH4、C2H4等 – 挥发分析出温度和析出量对燃烧过程影响很大, 成为判别煤着火特性的重要指标之一
不同煤质挥发分含量和析出温度
煤质
无烟煤 贫煤 烟煤 褐煤 泥煤
挥发分含量 ≤10 10~20 20~40
三、燃料成分表示的基准
• 燃料中的灰分和水分会随着燃料的开采、
运输和储存过程而发生变化。而燃料成分 表示的是各成分的相对百分含量,为此必 须规定燃料成分表示的分母基准。
– 根据燃料中灰分和水分的变化情况分为4种基准: • 收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基
三、燃料元素分析基准
• 收到基ar(as received)
– 收到基 • Aar+FCar+Var+Mar=100% – 空气干燥基 • Aad+FCad+Vad+Mad =100% – 干燥基 • Ad+FCd+Vd=100% – 干燥无灰基 • FCdaf+Vdaf=100%
二、工业分析成分
• 灰分
– 灰熔点:灰分的熔化温度 – 根据融化状态不同,分为变形温度、软化温度 和熔化温度(流动温度) – 测定方法:角锥法
弱还原性(50%H2+50%CO2) 或(60%CO2+40%CO)
Baidu Nhomakorabea
变形温度DT (deformation temp.) 软化温度ST(soften temp.) 熔化温度FT(flow temp.)
灰熔点对应的三个温度
待测灰样
变形温度
软化温度
熔化温度
二、工业分析成分
• 挥发分(volatile)
影响灰熔点的因素
• 1、和灰成分有关系
– 灰中的SiO2是弱酸性,含量较多,灰的PH值呈弱酸性。 如果碱性物质增多,灰熔点将降低
• 2、与晶格结构有关系 • 3、与介质性质有关系
– 灰中氧化物结成共晶体,属SiO2-Al2O3-CaO-FeO系统, 熔点比结合前要低,如CaO.SiO2,只有1540℃
– 不可燃,属于杂质 – 油中含量1~3%,煤中变化较大2~50% – 水分构成 • 内部水分(固有水分)105~110 ℃ • 外部水分(表面水分)45~50 ℃ • 化合水分(结晶水)灰分的一部分
– 瓷土Al2O3.2SiO2.2H2O
– 水分含量随开采、运输、储存条件而变化
一、燃料的元素分析
• 焦炭
– 定义 • 煤析出挥发分、水分后得到的固态物质称为焦炭 • 焦炭=灰分+固定碳 – 煤的焦结性 • 焦炭粘接程度称为煤的焦结性
煤的焦结性分为八类
– – – – – – – – 粉状。全部粉状 粘着。用手指轻碰即成粉状 弱粘结。用手指轻压即成小块 不熔融粘结。用手指用力压才裂成小块,表面无光泽 不膨胀熔融粘结。焦饼,有银白色金属光泽 微膨胀熔融粘结。手指压不碎,表面有小膨胀泡 膨胀熔融粘结。上下表面银白色光泽,焦渣高度<15mm 强膨胀熔融粘结。上下表面银白色金属光泽,焦渣高度 >15mm。
温高压的条件下,由细菌作用形成的固、液、气态 的碳氢化合物
二、燃料分类
• 天然燃料
– 例如:天然气,石油和煤炭
• 人工燃料
– 煤气、沼气和人造酒精等
三、我国燃料情况
• 储量丰富
– – – – – – – – 煤已探明储量:7800亿吨,居世界第三位 石油: 116亿吨,居世界第八位 天然气: 居世界第十六位 经济可采储量 俄罗斯 2440亿吨 三种主要化石能源可应用年限估计 美国 2405亿吨 煤 石油 天然气 中国 1145亿吨 233 40 66 澳大利亚 909亿吨
三、我国燃料情况
• 发展迅速
– 燃料总产量(折合亿吨标准煤)
年 年产量
1950 0.2
1960 1
1970 3
1980 6
1990 10
三、我国燃料情况
• 能源消费以煤为主
– 能源构成的百分比
中国 世界
煤 74 30
石油 19 44
天然气 2 18
水力 4 6
核能 1 2
三、我国燃料情况
• 燃料供给相对不足
• 空气干燥基ad(air dry) • 干燥基d(dry)
– Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100% – Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad =100%
• 干燥无灰基daf(dry ash free)
– Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%
– Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad =100%
三、燃料元素分析基准
• 各基准之间换算
– 上述各个基准之间存在换算关系,可以通过通 分运算进行相互换算 – 例题:已知收到基成分,求干燥无灰基成分 – Car+Har+Oar+Nar+Sar=100- Mar-Aar – Car /Cdaf=Har/Hdaf=……=(100-Aar-Mar)/100 – Cdaf=Car×100/(100-Aar-Mar)
• 元素分析成分的构成
– 碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分
• 气体燃料的成分
– 气体的分子式
一、燃料元素分析
• 碳(Carbon)
– 是燃料的主要可燃元素,占燃料质量份额的15~90%,煤 占50~90% – 煤的地质年代越久远,碳化程度越深,含碳越多,无烟 煤占90%
C O2 CO2 32 866 kJ / kg C 1 2 O2 CO 92 70 kJ / kg
原名称 应用基 分析基 干燥基 可燃基
新符号 Car Cad Cd Cdaf
原符号 Cy Cf Cg Cr
2.3 煤的工业分析
一、什么是煤的工业分析
• 煤的元素分析,工作量大,复杂,工程上
多应用工业分析成分。此外,还需要了解 发热量、灰熔点等其他煤质特性 • 工业分析构成(Proximate analysis)
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