第二章燃料

第二章燃料－1－第二章燃料1燃料的成分及其特性燃料是一种由有机可燃质、不可燃无机矿物质成分（灰分）和水分等物质组成的复杂混合物，其在燃烧过程中，能够产生大量的热能。按其物态，燃料可分为固体、液体和气体三大类；按其形成机理，燃料又可分为天然矿物质燃料和人造燃料。天然矿物质燃料的固体燃料主要是煤和油页岩，液体燃料主要是石油，气体燃料主要是天然气。人造燃料是由天然燃料加工而成，主要有由木柴、煤制成的木炭、焦炭、石油焦、粉煤、型煤等固体人造燃料，由石油、煤、油页岩提炼制成的汽油、煤油、柴油、重油、渣油、煤焦油等液体人造燃料，以及由煤和石油制成的各种煤气、石油裂化气等气体人造燃料。根据我国现行燃料政策，锅炉所用的燃料主要是煤，为合理有效利用我国的煤炭资源，尽量使用当地煤、劣质煤。在一些地区锅炉也可燃用重油、渣油，以及天然气等。此外其它行业的副产品，如冶金业的焦炉煤气和高炉煤气、制糖业的甘蔗渣、造纸业的黑液以及生物质等，也可作为锅炉燃料。燃料的主要成分是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S），以及灰分（A）和水分（M）。其中碳、氢、可燃硫为可燃成分，水分和灰分为不可燃成分。1.1碳（C）碳是燃料中的主要可燃元素，以各种碳氢化合物和碳氧化合物的状态存在，含量一般占燃料成分的15～90％。碳元素包括固定碳和挥发分中的碳。就煤来说，埋藏年代越久的煤，其碳化程度越深，含碳量也越高，而氢、氧、氮等的含量由于挥发则减少。如无烟煤的埋藏年代最久，含碳量可达90％以上；而褐煤的埋藏年代最短，含碳量为50～70％。与固体燃料相比，液体燃料中含碳量的变化范围要小些，碳元素是构成液体燃料中各种烃和非烃类化合物的元素。气体燃料中碳是构成各种烷烃、烯烃的主要元素之一。通常，含碳量愈多，发热量愈高。碳在完全燃烧时生成二氧化碳（CO2），每千克纯碳可放出33727KJ的热量；碳在不完全燃烧时生成一氧化碳（CO），每千克纯碳仅放出9270KJ的热量。由于纯碳的着火与燃尽都较困难，因此，含碳量愈高的煤，着火与燃尽愈难。1.2氢（H）氢也是燃料中的可燃元素，多以碳氢化合物状态存在，水分中的氢不计入氢的含量。氢的发热量最高，每千克氢完全燃烧可以放出120370KJ的热量，约为纯碳的3.6倍。煤中氢的含量较少，约第二章燃料－2－在2～10％范围内，存在于挥发分气体中。碳化程度越深，氢的含量越少。另外，含氢量高的煤在储存时易于风化，含氢量将逐渐减少。液体燃料中氢含量稍高，可达15％左右。气体燃料中的氢元素含量一般较高，也是构成各种烷烃、烯烃的主要元素，尤以天然气中含量最高。1.3氧（O）和氮（N）氧和氮都是燃料中的不可燃元素，列入可燃质是不确切的，因此氧氮元素的存在会使燃料中可燃元素相对减少，发热量有所下降。燃料中含氧量变化很大，煤中的含氧量随碳化程度加深而减少。煤种不同含量变化很大，含量少的只有1～2％(如无烟煤),多的可达40％左右（如泥煤）。煤中氮的含量一般很少，约为0.5～2.5％。液体燃料中，氧和氮的含量更少些，氧含量约为0.1～1.0％，氮含量通常在0.2％以下，很少超过0.5％。气体燃料中氮含量随气体种类不同差别很大，通常天然气中氮含量很少，油田伴生煤气次之，焦炉煤气、高炉煤气中最多。在燃料的燃烧过程中，氮的一部分会与氧化合生成NOx，排入大气后会造成环境污染，因此在进行锅炉及其燃烧设备设计时，应重视NOx的排放指标。1.4硫（S）固体燃料中的硫以三种形态存在，即有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。前两种参与燃烧，放出少量的热，每千克可燃硫的发热量仅为9100KJ，第三种不参与燃烧，只转化成灰份。我国大部分动力用煤含硫量一般在0.3～2％，有的高达3～5％。液体燃料中的硫多以元素硫、硫化氢、噻吩、和硫醚等形式存在。燃油中硫含量大约在0.5％以下至3.0％左右。气体燃料中硫含量很少，主要存在于硫化氢中。硫也是有害元素，燃烧后生成的SO2和少量SO3，排入大气后也会造成环境污染。不仅如此，SO3还会使烟气露点大大升高，同时SO2和SO3能溶解于水中变成H2SO3（亚硫酸）和H2SO4（硫酸）,会造成锅炉低温受热面（如空气预热器）堵灰和金属腐蚀（即低温腐蚀）。另外硫的燃烧产物H2S（硫化氢）会对锅炉水冷壁产生高温腐蚀（生成硫化铁和氧化铁），存在于过热器和再热器结灰层中的复合硫酸盐（Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3）会对过热器和再热器产生高温腐蚀。对含硫量超过2％的煤种，在设计锅炉时应采取必要的措施减轻或防止受热面的腐蚀。为了减少烟气中硫化物的排放，按国家有关规定，新建锅炉机组一般要求采取炉后或炉内脱硫措施。1.5灰分（A）灰分是燃料中不可燃的矿物在燃烧后的生成物，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、TiO2等，前两种成份在燃料的灰渣中所占比例很大。燃料在燃烧后余下的灰成份与原燃料中的矿物质不完全相同，因为在燃烧过程中有脱水、分解、化合等变化。固体燃料中灰分含第二章燃料－3－量变化很大，少的只有4～5％，多的可达50～60％。液体燃料中灰分很少，大约在0.1％以下。气体燃料中一般不含灰分。灰分不仅降低燃料的发热量，影响燃料的着火与稳燃，而且容易导致锅炉受热面的结渣、沾污、积灰、磨损、腐蚀等一系列问题，直接影响锅炉的安全经济运行。因此灰分含量的多少也是评价燃料质量优劣的指标之一。1.6水分（M）水分也是燃料中的不可燃成分。固体燃料中水分以三种不同的形态存在，即外在水分、内在水分（吸附和凝聚在煤块内部毛细孔中的水分）和结晶水分（存在于煤的矿物质中的结晶水）。外在水分易于蒸发，变化很大；内在水分不易蒸发，在一定温度下（105～110℃）可以风干；结晶水分需在200℃以上才能析出，通常工业分析时不予测定。固体燃料中水分含量变化极大，少则百分之几，如无烟煤约2％～9％；多则可达40％～60％，如高水分褐煤。液体燃料中的水分随产地及炼制条件的不同而不同，一般在1％～4％左右。气体燃料中只含有很少量的水蒸汽。对固体燃料而言，水分的存在不仅使燃料发热量降低，而且影响燃料的着火、燃烧。燃烧高水分煤种时，炉膛燃烧温度会相对偏低，烟气量偏大，锅炉排烟热损失偏高，同时还可能加剧锅炉尾部受热面的低温腐蚀和堵灰。煤中水分含量大还会使制粉设备制粉困难，需要高温空气或烟气进行干燥；煤粉水分高也容易导致输煤管堵塞，不便输送。一般来说，液体燃料中的水分是有害的，过高的水分会促使管道或设备腐蚀，也会增加排烟热损和输送能耗。不均匀的水分含量还会导致炉内火焰脉动，甚至熄火，所以燃料油需要脱水。但是经专门处理后均匀混在油中的乳状水分，不仅不破坏火焰稳定性，还可以提高燃烧效率。2燃料的成分分析基准和换算2.1燃料的成分分析基准固体燃料和液体燃料的成分通常用质量百分比来表示：C+H+O+N+S+A+M=100%式中C、H、O、N、S、A、M分别表示燃料中碳、氢、氧、氮、硫（可燃硫）、灰分、水分的质量百分比。由于燃料中的水分和灰分常随开采、运输、贮存及气候条件的变化而变化，各种成分的质量百分数也随之改变，就不能明确地表示它们的含量。通常采用四种基数作为燃料成分分析的基准，表示在不同状态下各组成成分的含量，以便于应用和分类。第二章燃料－4－2.1.1收到基包括全部水分和灰分在内的燃料的各种成分之和为100％，表示进入锅炉的炉前实际燃用的燃料成分，用下标“ar”（asreceived的简写）表示，其表达式为：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%在进行燃料的燃烧计算和热力计算时均采用收到基（ar）。2.1.2空气干燥基表示在实验室经过自然干燥，去掉外在水分后燃料的成份。它是将去掉外在水分后其余成份之和当作100％，用下标“ad”(airdry的简写)表示，其表达式为：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%空气干燥基常在实验室内作燃料的分析时采用。2.1.3干燥基表示去掉全部水分的燃料的成份。它是将除去水分外的煤的各种成份之和当作100％，用下标“d”（dry的简写）表示，其表达式为：Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%干燥基成份不受水分的影响，常用以表示灰份的含量。2.1.4干燥无灰基表示去掉全部水分和灰份的燃料的成份。它是将全部水分和灰份两种含量不稳定的成份去掉，其余的组成成份之和当作100％，用下标“daf”（dryashfree的简写）表示，其表达式为：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%干燥无灰基组成不受水分、灰分变化的影响，可以比较准确地表示出煤的实质。常用它来表示挥发份的含量。煤的挥发份是煤在加热过程中分解出来的气态物质，其主要组成元素为碳、氢、氧，主要组成气体为氢气、各类碳氢化合物、一氧化碳，以及少量的二氧化碳、水蒸汽、氮气等惰性气体。挥发份受热很容易达到着火温度而燃烧，因此挥发份的干燥无灰基含量常常用来判别煤种及其属性。2.2四种基准的换算燃料的各种基准之间存在着一定的关系，可以互相换算。因为燃料的各种基准通常用以表示不同的组成成份，故各种基准之间的换算是经常要进行的,其换算系数见表1.2-1。第二章燃料－5－表1.2-1基质换算系数已知的基质待求的基质收到基ar空气干燥基ad干燥基d干燥无灰基daf收到基ar1MarMad100100Mar100100AarMar100100空气干燥基adMadMar1001001Mad100100AadMad100100干燥基d100100Mar100100Mad1Ad100100干燥无灰基daf100100AarMar100100AadMad100100Ad1注：表中M、A为水分和灰分，其下角标表示在不同的基准下2.3煤的元素分析和工业分析2.3.1煤的元素分析煤的元素分析是指煤中所含有机质C、H、O、N、S的测定。元素分析指标的应用很广，凡涉及到燃烧计算和热力计算的项目，均需煤的元素分析指标。元素中碳、氢、氧、氮的测定按GB476进行。其中碳、氢的测定方法参照国际标准ISO625中的利比西法，要点如下：称取一定量的空气干燥煤样在氧气流中燃烧，生成的水和二氧化碳分别用吸水剂和二氧化碳吸收剂吸收，由吸收剂的增重计算煤中碳和氢的含量。煤样中硫和氯对测定的干扰在三节炉中用铬酸铅和银丝卷消除，在二节炉中用高锰酸银热解产物消除。氮对碳测定的干扰用粒状二氧化锰消除。氮的测定方法参照国际标准ISO333中的半微量开氏法，要点如下：称取一定量的空气干燥煤样，加入混合催化剂和硫酸，加热分解，氮转化为硫酸氢铵。加入过量的氢氧化钠溶液，把氨蒸出并吸收在硼酸溶液中，用硫酸标准溶液滴定。根据用去的硫酸量，计算煤中氮的含量。氧的含量不必直接测定，可由总量100％减去其它各成分的质量分数求得。元素硫的测定按GB/T214进行。该标准采用艾氏卡法、库仑法和高温燃烧中和法三种方法，在仲裁分析时采用艾氏卡法。艾氏卡法的要点如下：将煤样与艾氏卡试剂混合灼烧，煤中硫生成硫酸盐，然后使硫酸根离子生成硫酸钡沉淀，根据硫酸钡的质量计算煤种全硫的含量。库仑法的要点如下：煤样在催化剂作用下，于空气流中燃烧分解，煤中硫生成二氧化硫并被碘化钾溶液吸收，以电解碘化钾溶液所产生的碘进行滴定，根据电解所消耗的电量计算煤中全硫的含量。高温燃烧中和法的要点如下：煤样在催化剂作用下于氧气流中燃烧，煤中硫生成硫的氧化物，并捕集在过氧化氢溶第二章燃料－6－液中形成硫酸，用氢氧化钠溶液滴定，根据其消耗量，计算煤中全硫含量。2.3.2煤中全水分的测定方法煤中全水分的测定按GB/T211进行。该标准适用于褐煤、烟煤和无烟煤的商品煤样、生产煤样和煤层煤样的全水分测定。全水分是指煤样在采取时所含水分的总量。标准规定测定煤中全水分的三种方法，其中方法A仅适用于烟煤和无烟煤，并作为测定烟煤和无烟煤全水分的仲裁方法。而方法B和C适用于褐煤、烟煤和无烟煤，并以方法B作为测定褐煤全水分的仲裁方法。方法A：用已知重量的干燥、清洁的浅盘称取煤样500g(称准到1g