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燃料及燃烧基本理论

京能集团运行人员培训教程

BEIHPlantCourse

燃料及燃烧基本理论

TheBasicTheoryofFuelAndCombustion

MAJ

TDNO.100.2

目录

1燃煤的形成与分类1

1.1燃料1

1.2煤的生成1

1.3煤炭的分类1

2燃煤的成分与分析3

2.1煤的元素分析3

2.2煤的工业分析3

2.3煤的成分基准及其换算4

3燃煤的性质6

3.1燃烧特性6

3.2常规性指标6

3.3实验室指标9

3.4煤粉的颗粒特性10

3.5自燃特性12

3.6爆炸特性13

3.7可磨特性15

3.8磨损特性17

3.9黏结特性19

3.10燃烧产物的腐蚀特性19

3.11飞灰磨损性20

3.12灰的熔融性20

3.13堆积特性20

3.14流动特性21

4电煤技术条件、要求与标准22

5煤粉（粒）燃烧技术24

5.1燃烧的基础知识24

5.2煤粉的燃烧26

5.3独立有限空间冷态（单体燃烧器）燃烧运行技术32

5.4自由空间热态（整体成组）燃烧运行技术33

6燃油的燃烧研究35

6.1燃油及其化学成分35

6.2燃油的物理特性35

6.3燃油的燃烧36

7延伸阅读39

7.1质量作用定律39

7.2阿累尼乌斯定律40

7.3影响化学反应速度的因素40

7.4热力着火理论42

7.5火焰的传播46

7.6链锁反应47

7.7煤粉的着火燃烧48

7.8碳粒的燃烧49

8题库52

8.1填空题52

8.2问答题53

1燃煤的形成与分类

1.1燃料

燃料是指能广泛用于工农业生产和人民生活以提供热能或动力的原料。

世界上所用的燃料可分为两大类，一类是核燃料，另一类是有机燃料，也称为矿物燃料。

火力发电厂锅炉燃用的是有机燃料。

有机燃料就是含有元素碳、氢等有机物质的天然燃料及其加工后的人工燃料。

有机燃料按其物态可以分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三种。

燃料特性是锅炉设计、运行的基础。

所用燃料的种类不同，锅炉的炉膛尺寸、燃烧器种类、制粉系统类型、受热面布置、锅炉的型式等各不相同，对锅炉运行出现的结渣、积灰、磨损、腐蚀、大气污染物排放和飞灰含碳量等情况的影响亦有差别。

因此，对于锅炉的设计和运行工作者来说，掌握好燃料的成分、特性及其对锅炉生产的影响是非常必要的。

1.2煤的生成

煤是古代植物在数百万年以前以致更远的年代，由于地壳运动被覆埋在地下，长期受到地层压力和地热的作用，发生了复杂的生物化学和物理化学反应后演变而成的，通常要经历泥炭化作用和煤化作用两个阶段。

泥炭化作用：

古代植物由于细菌的作用而发生腐烂和分解，使其内部组织破坏，一部分物质转为气体逸出，残余的物质开始转变为泥炭，称为泥炭化作用，这是成煤的第一阶段。

煤化作用：

泥炭在地下受到不断增高的地层压力和温度影响，逐渐被压紧和硬化，继续排出气体和水分，从而使综合碳比例日趋增大形成了固体有机可燃沉积岩，称为煤化作用，这是成煤的第二阶段。

煤炭：

主要是由植物遗体经煤化作用转化而成的富含碳的固体可燃有机沉积岩，含有一定量的矿物质，相应的灰分产率小于或等于50%（干基质量分数）。

1.3煤炭的分类

由于成煤植物、成煤年代及成煤条件的不同，特别是在变质程度上的区别，导致各种煤具有不同的化学组成及其特性。

根据煤的煤化程度（干燥无灰基挥发分Vdaf等指标），将煤分为无烟煤、烟煤及褐煤，无烟煤是煤化程度最高的煤，挥发分含量最低，发热量高，密度最大，着火点高，燃烧稳定性差，无粘结性，燃烧时多不冒烟；褐煤是最浅的煤，光泽暗淡，质地较软，内在水分较高，具有不同程度的腐殖酸，挥发分含量高，发热量低；烟煤介于两者之间。

干燥无灰基挥发分的大小，作为煤炭分类的主要指标，无烟煤的Vdaf≤10%，褐煤的Vdaf≥37%，烟煤的Vdaf大致可分为四个区段，即10%～20%、20%～28%、28%～37%、37%以上，烟煤可分为12个类别。

中国煤炭分类简表如表格1-1：

类别

符号

包括数码

分　　类　　指　　标

Vdaf%

G

Y/mm

b/%

PM%

Q

（MJ/kg）

无烟煤

WY

01,02,03

≤10.0

贫煤

PM

11

＞10.0～20.0

≤5

贫瘦煤

PS

12

＞10.0～20.0

＞5～20

瘦煤

SM

13,14

＞10.0～20.0

＞20～65

焦煤

JM

24

＞20.0～28.0

＞50～65

≤25.0

（≤150）

15,25

＞10.0～28.0

＞65*

肥煤

FM

16,26,36

＞10.0～37.0

（＞85）*

＞25.0

*

1/3焦煤

1/3JM

35

＞28.0～37.0

＞65*

≤25.0

（≤150）

气肥煤

QF

46

＞37.0

（＞85）*

＞25.0

（＞220）

气煤

QM

34

＞28.0～37.0

＞50～60

≤25.0

（≤220）

43,44,45

＞37

＞35

1/2中粘煤

1/2ZN

23,33

＞20.0～37

＞30～50

弱粘煤

RN

22,33

＞20.0～37.0

＞5～30

不粘煤

BN

21,31

＞20.0～37.0

≤5

长焰煤

CY

41,42

＞37.0

≤35

＞50

褐煤

HM

52

＞37.0

＞30-50

≤24

51

＞37.0

≤30

当G＞85的情况下，用Y值或b值来区分肥煤、气肥煤和其他煤类。

当Y＞25.00mm时，根据Vdaf的大小可划分为肥煤或气肥煤；当Y≤25.00mm时，则根据Vdaf的大小可划分为焦煤、1/3焦煤或气煤。

按b值来划分类别时，当Vdaf≤28%时，b＞150%的为肥煤；当Vdaf＞28%时，b＞220%的为肥煤或气肥煤；如按b值和Y值划分的类别有矛盾时，以Y值划分的类别为准。

表格1-1

2

燃煤的成分与分析

燃煤的成分通过元素分析和工业分析来确定，用质量百分数来表示。

2.1煤的元素分析

煤是复杂的高分子碳氢化合物，其主要成分是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分（A）及水分（M），见表格2-1。

成分

元素符号

对锅炉工作的影响

含量（%）

发热量（kj/kg）

埋藏年代增加对含量的变化

存在方式

碳

C

主要可燃元素

20-70

32700

增多

固定碳、挥发性碳

氢

H

有利可燃元素

3-5

120370

减少

化合物

氧

O

不利元素，降低煤的发热量

1-40

减少

与碳、氢化合

氮

N

有害元素，生成NOx污染环境

0.5-2.5

减少

惰性元素

硫

S

有害元素，高温腐蚀，低温腐蚀，污染环境

1-2

9050

有机硫、黄铁矿硫、硫酸盐硫

灰分

A

有害成分，不利于着火和燃烧，造成积灰、结渣、磨损、污染环境

5-45

水分

M

不利于燃烧，降低热效率，增加引风机电耗，输煤、碎煤、制粉困难

20-40

表格2-1

2.2煤的工业分析

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；接着再加热，煤中的氢、氧、氮、硫及部分碳所组成的有机化合物便分解，变成气体挥发出来，这些气体称为挥发分；挥发分析出后，剩下的是焦炭，焦炭就是固定碳和灰分。

水分和灰分是煤中的不可燃组分，挥发分和固定碳则是煤中的可燃组分。

水分包括外在水分与内在水分，无烟煤、烟煤的全水分一般在5%-15%之间，褐煤的全水分往往高达25%以上。

挥发分是煤中最易燃烧的成分，随着煤的变质程度加深，挥发分含量逐渐减少，而挥发分开始逸出的温度及挥发分的发热量则逐渐升高，见表格2-2。

煤种

挥发分逸出温度（℃）

挥发分发热量（kj/kg）

褐煤

130-170

约25700

烟煤

210-390

39300-56500

无烟煤

约400

约69000

表格2-2

计算煤中水分（M）、挥发分（V）、固定碳（FC）和灰分（A）四种成分的质量百分数，称为煤的工业分析。

2.3煤的成分基准及其换算

2.3.1成分基准

常用的成分基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种，它们的工业和元素分析如图2-1，结果表达如下：

（1）收到基：

以收到状态的煤为基准来表示煤中各组成成分的百分比。

用下标“ar”表示，它计入了煤的灰分和全水分。

其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：

Mar+Aar+Var+FCar=100％（2-1）

元素分析：

Car+Har+Nar+Sar+Oar+Aar+Mar=100％（2-2）

式中：

Mar，Aar，Var，FCar，Car，Har，Nar，Sar，Oar分别为煤中的水分、灰分、挥发分、固定碳、碳、氢、氮、硫、氧成分的收到基含量的百分数。

（2）空气干燥基：

由于煤的外部水分变动很大，在分析时常把煤进行自然风干，使它失去外部水分，以这种状态为基准进行分析得出的成分称为空气干燥基，以下标“ad”表示。

其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：

Mad+Aad+Vad+FCad=100％（2-3）

元素分析：

Cad+Had+Nad+Sad+Oad+Aad+Mad=100％（2-4）

（3）干燥基：

以无水状态的煤为基准来表达煤中各组成成分，以下标“d”表示。

其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：

Ad+Vd+FCd=100％（2-5）

元素分析：

Cd+Hd+Nd+Sd+Od+Ad=100％（2-6）

（4）干燥无灰基：

除灰分和水分后煤的成分，这是一种假想的无水无灰状态，以此为基准的成分组成，以下标“daf”表示。

其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：

Vdaf+FCdaf=100％（2-7）

元素分析：

Cdaf+Hdaf+Ndaf+Sdaf+Odaf=100％（2-8）

图2-1燃料成分与各种“基”的关系图

2.3.2各种基准成分的换算

煤的各种基准成分之间可以互相换算。

换算公式如下：

Y=K×XO（2-9）

式中：

XO—按原基准计算的某一组成含量百分比；

Y—按新基准计算的同一组成含量百分比；

K—基准换算的比例系数，见表格2-3。

不同基准成分的换算系数表

已知基准

欲求基准

收到基

空气干燥基

干燥基

干燥无灰基

收到基

1

空气干燥基

1

干燥基

1

干燥无灰基

l

表格2-3

注：

挥发分和高位发热量可按此表计算，此表不能用于煤的水分之间的换算。

3

燃煤的性质

3.1燃烧特性

燃煤成分中的可燃性元素具有与氧进行完全剧烈反应而达到着火温度后发热、放光的性质，称为燃烧特性。

3.2常规性指标

3.2.1发热量

（1）定义