煤的燃料

煤的燃烧1.绪论煤是世界上最重要的燃料，地球上燃料的储量至今尚未完全探明、但无可置疑，固体燃料占了大部分。地球上的矿物能源中60％的可采储量和82％的估计储量是煤。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。不过在很长时间内，它仍然是发电的主要燃料和生产焦炭与煤气的原料。2.1煤的燃烧过程通常煤粒被加热时，总有一部分气态物质分解析出，一般这部分气态物质称为挥发分，而剩余部分称为焦炭。析出的挥发分如果遇到一定量的空气并且具有足够的温度，就会着火燃烧起来。由于焦炭比挥发分难于着火，所以焦炭一般是在部分挥发分或全部挥发分烧掉后才开始着火燃烧的。煤的燃烧过程可以分成如下几步：首先，煤被加热和干燥，挥发分开始分解析出。这时如果炉内有足够高的温度，且有氧气存在，则挥发分着火燃烧，形成光亮的火焰。由于氧气消耗于挥发分的燃烧，达不到焦炭表面，因此焦炭还是阴暗的，焦炭中心的温度也不过600—700℃。这样，挥发分燃烧起了阻碍焦炭燃烧的作用。但另一方面，挥发分在煤粒附近燃烧，焦炭被加热，这样在挥发分燃尽后，焦炭能剧烈燃烧，所以挥发分能促进焦炭后期的燃烧。煤的炭化程度愈浅，挥发分开始析出的温度愈低，愈易着火。但含挥发分少的煤如贫煤．虽然水分不大，却很难着火。图中的曲线示出了褐煤燃烧时质量和温度随时间的变化情况。由图可以看出，从挥发分燃烧到挥发分基本燃烧完毕为止，所需的时间只占燃料燃烧所需时间的1／10，此后是焦炭的燃烧阶段。当挥发分基本分解燃烧完毕后．焦炭表面局部开始燃烧、发亮，然后逐渐扩展到整个表面，焦炭的温度逐渐上升，此后基本保持不变。在焦炭燃烧阶段，仍可能有部分挥发物析出，但是对燃烧过程起主要作用的是碳。焦炭的燃烧阶段大约占煤全部燃烧时间的9／10。可见，煤粒的燃烧过程是一个以煤热解、焦炭燃烧为主体复合而成的复杂过程。2.2煤粒的热分解煤是高分子化合物的复杂混合体，其大分子是由在结构上类似但又不完全相同的单体基本结构单元聚合而成。这些基本结构单元是一些聚合的环状结构，如芳香环、脂肪环、含氧、氮、硫的环状结构等。由于煤的结构非常复杂又极不稳定，所以在其热分解过程下的分解方式、热解产品的数量和性质都极易受外界因素的影响。按煤热分解的性质，可以将煤的热解过程归为两大类，即分解反应和缩合缔合反应。当煤粒被加热超过一定温度后，就进入了热分解阶段。这时煤粒释出焦油和气体，并形成剩余焦炭。这些焦油和气体称为挥发分。挥发分是由可燃气体混合物、二氧化碳和水蒸汽所组成。其中可燃气体主要包括一氧化碳、氢气、气态烃类和少量酚醛。热分解的趋势是使煤中的热不稳定部分不断地热解、挥发而去．残留部分不断地缔合增碳，形成热稳定的产物。一般情况下，煤在热解过程中随着温度的上升，在105℃以前主要析出吸附气体和水分，但水分要到约300℃时才能完全析出。在200—300℃时析出的水分称为热解水，此时也开始析出气态产物，如CO和CO2等，同时有微量的焦油析出，而且随着温度的上升，煤粒会变软并成为塑性状态。在300—500℃时，开始大量析出焦油和气体．主要为CH4及其同系物，以及不饱和烃及CO、CO2等，这些称为初次挥发物。在初次挥发物扩散出来通过煤粒孔隙或燃料层时，它们有可能再次分解或热解形成二次挥发物。另外．在500—750℃时，半焦开始热解，此时开始大量析出含氢较多的气体。在760—1000℃时，半焦继续热解，析出少量以含氢为主的气体，半焦变成高温焦炭。煤在热分解时其析出产物的产量取决于对煤的加热速率、加热时的温度范围、加热的持续时间以及煤颗粒尺寸等因素。图是根据试验结果绘出的煤热分解产物中成分的变化和挥发物百分数的关系。可以看出，在热解时析出的挥发物百分数越大，挥发物中含有烃类和焦油的百分数越多。另外，氢在挥发物中的含量几乎不随所析出挥发物百分数的增加而变化，但其他的挥发分成分却随着所析出挥发物百分数的增加而变化。虽然上述试验的加热速率比在煤粉炉火焰中煤粉的实际加热速率低。但是他们的试验结果仍可以看成是在煤粉火焰中的一个近似指标。2.3碳粒的燃烧反应机理碳粒的燃烧是一个气固间的异相反应过程，此时碳和氧之间的反应是在碳粒的吸附表面上进行的。在氧化气氛下的燃烧反应：另外，如果产物CO在靠近碳粒表面的气体边界层中与氧相遇，还会发生下面的燃烧反应：在一定的温度条件下或当碳粒表面处有水蒸汽存在时，碳还会发生气化反应：碳的燃烧机理十分复杂，至今未能完全清楚，在碳粒燃烧过程中，一些化学动力学参数，如反应速率常数k，活化能E和反应级数n等都不是固定的常数，它们随碳粒表面性质与状态的不同而有所变化。CO和CO2谁是最初产物这两种观点曾经争论相持了一个时期，后来趋于一个比较统一的观点：在碳粒表面上进行的化学反应，CO和CO2这两种产物是同时出现的，但随着反应温度约变化，产物中CO2与CO的比例不同。这个观点被迈耶等人的实验所证实。一般情况下煤和焦炭都是在常压或负压(非高度真空)下进行燃烧的，着火以后碳粒表面的温度一般为1300—1600℃2.4碳粒燃烧的异相化学反应速度煤在拆出挥发分以后剩下焦炭，固定碳是焦炭中的可燃成分。在煤的可燃成分中，固定碳所占比例很大。虽然碳粒着火晚，但燃烧时间很长，故碳的燃烧是煤燃烧过程中最有决定性的部分。根据异相反应理论，观在比较一致的看法是，碳和氧的反应是氧分子溶人碳品格结构的表面部分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上的吸附层只有单个分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络合物，然后由于热分解或其它分子的碰撞刚解吸。解吸形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表面再度吸附氧气。因此，整个碳表面上的气固异相反应包括以下的步骤：(1)氧扩散到碳表面。(2)扩散到碳表面的氧被表面吸附。(3)吸附在碳表面上的氧在表面进行反应(4)反应产物从表面解吸。(5)解吸的产物从碳表面扩散出去。整个碳表面上的反应速度取决于以上步骤中最慢的一个。2.5焦炭的燃烧焦炭是由固定碳和灰分所组成的，煤粒在热解析出挥发分后就变成焦炭，煤粒燃烧的后期实际上是焦炭的燃烧。在焦炭内部，灰分均匀地分布在可燃质中。在焦炭颗粒从外表面到中心一层一层地燃烧的过程中，外层的灰分就裹在内层的焦炭外，形成了一层灰壳，这种现象称为裹灰。同时，焦炭颗粒的表面和内部都有一定的孔隙，这样燃烧反应不仅会枉然炭的表面进行，也会发生在内部的孔隙中。•可见，焦炭与碳的主要差别在于焦炭中存在着均匀分布的灰分且内部存在孔隙，因此，讨论焦炭的燃烧规律就变成了讨论孔隙和裹灰对于碳燃烧的影响规律。灰分的存在对焦炭球的燃烧有时有一些触媒的作用、但是裹灰却影响了氧气向炭质表面的扩散，因而影响了碳的燃烧。2.6煤的燃烧方式根据煤在燃烧过程中的运动形态，可将其燃烧方式分为三种：层状燃烧，特点是煤被放置在炉排上。形成一定厚度的燃料层悬浮燃烧，特点是煤被磨成很细的煤粉，在飞越炉膛有限时间(1—2s)内在悬浮状态下完成全部燃烧。流化床燃烧，在流化床中，颗粒和气流混在一起，在一定高度内自由运动，具有流体一样的流动性。在该状态下进行的燃烧。2.7煤炭的利用问题经济发展中我国幅员辽阔，煤炭储存量大，煤种众多会遇到各种不同的品种煤炭的利用问题，其中会包括难燃烧的无烟煤，贫煤和含水分高，灰份高的低质褐煤等等。总的说来．必须解块以下的问题：(1)燃烧难于燃烧的无烟煤、贫煤问题；(2)燃烧高灰份的低质煤问题；(3)燃烧高硫煤的问题；(4)燃烧灰熔点低的煤种问题。2.8煤的洁净燃烧技术我国以煤为主的能源消费结构将难以改变。但是，煤炭的利用效率不高和由燃烧造成的环境污染一直是制约我国可持续发展的最重要的因素之一。为了减少燃煤污染物排放和提高效率。目前发展迅猛的洁净煤技术有超临界压力锅炉加烟气脱硫技术(PC—FGD)、循环流化床锅炉技术(CFBC)和增压流化床锅炉联合循环技术(PFBC)、整体式煤气化联合循环发电技术(IGCC)2.9循环流化床技术循环流化床技术是公认的清洁燃烧技术，与煤粉炉相比，具有热效率高、低NOx、SO2排放、燃料适应性广、灰渣活性好、脱硫脱硝成本低、负荷调节范围宽、投资少、适用热电和调峰机组等优势。煤粉燃烧锅炉与CFBC锅炉适应煤种比较表3结论我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭的利用效率不高以及燃烧造成的环境污染，一直是制约我国可持续发展的最重要的因素之一。面对燃煤利用过程中效率低、污染严重两大难题，我国应积极开展煤的清洁燃烧、环境友好的多联产资源化利用、燃煤的近零排放技术、能源利用过程中的污染物生成、迁移及控制、新能源及低品位能源的高效清洁利用、热能转换系统监测、诊断和控制等方面的研究。这对于我国提高煤炭资源的利用效率、减轻环境污染、提高人民生活的环境质量、促进社会可持续发展，均有十分重要的战略意义。谢谢