京能集团运行人员培训教程BEIH Plant Course燃料及燃烧基本理论The Basic Theory of Fuel And CombustionMAJTD NO.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V daf≤10%，褐煤的V daf≥37%，烟煤的V daf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：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V daf的大小可划分为肥煤或气肥煤；当Y≤25.00mm时，则根据V daf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V daf≤28%时，b＞150%的为肥煤；当V daf＞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1-12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。
表格2-12.2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。
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：M ar + A ar + V ar + FC ar =100％（2-1）元素分析：C ar + H ar + N ar + S ar + O ar+ A ar + M ar = 100％（2-2）式中：M ar，A ar，V ar，FC ar，C ar，H ar，N ar，S ar，O ar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：M ad + A ad + V ad + FC ad=100％（2-3）元素分析：C ad + H ad + N ad + S ad + O ad+ A ad + M ad=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：A d + V d + FC d=100％（2-5）元素分析：C d + H d + N d + S d + O d + A d =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：V daf + FC daf =100％（2-7）元素分析：C daf + H daf + N daf + S daf + O daf =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×X O（2-9）式中：X O—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欲求基准已知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)定义单位质量燃煤（1kg）完全燃烧时放出的热量称为煤的发热量。
煤的发热量分为高位发热量和低位发热量。
燃煤在空气中大气压条件下完全燃烧后所放出的全部热量称为高位发热量，用“Qgr”表示。
从高位发热量中扣除煤中水分（煤中有机质中的氢燃烧后生成的氧化水，以及煤中的游离水和化合水）的汽化潜热后，剩余的可以实际使用的热量，称为低位发热量，用“Qnet”表示。
实际工程中常应用的是燃煤的收到基低位发热量。
发热量作为燃烧特性指标，反映炉内温度水平，综合了煤质灰分、水分对着火的影响。
根据国内燃煤锅炉的运行经验，煤粉锅炉不投油助燃而稳定燃烧可适应的发热量见表格3-1。
表格3-1注：褐煤的发热量最低限很低的原因在于，经制粉系统干燥后，水分很高的褐煤的发热量几乎成倍增长，而水分较低的烟煤、贫煤和无烟煤干燥后，煤粉和收到基煤的发热量变化不大。
(2)发热量的换算各种基准的高位发热量之间的换算可按成分换算系数进行。
低位发热量之间的换算还必须考虑汽化潜热的影响，由于1吨氢燃烧后生成9吨水蒸汽，所以每千克燃煤燃烧时将形成（9Har+Mar)/100千克水蒸汽。
如果取水的汽化潜热r=2508kJ/kg，则燃煤收到基的高、低位发热量之间的换算关系如下表格,3-2。
各基准下高位发热量与低位发热量的换算公式（单位：kj/kg）表格 3-2(3) 标准煤以收到基低位发热量为29308kj/kg （7000kcal/kg ）的燃煤，称为标准煤。
由于各种煤的发热量不同，有时差别很大，在工业上为了核算企业的能耗量，统一计算标准，便于比较与管理，采用标准煤及其折算的概念。
实际燃煤量B 折合成标准煤重量B bz 的公式为：B bz =B×Q net,ar ÷29308 （kJ/kg ） （3-1）(4) 折算成分燃料的成分是以质量百分数来表示的，但对于某些成分，例如水分，灰分和硫分，由于它们对锅炉机组的工作（例如着火、磨损、积灰、腐蚀等）的影响较大，只通过元素分析和工业分析所得到的应用基成分百分数不能完全说明问题。
这是因为燃料的发热量有高有低，在一定的锅炉负荷所带进炉内的水分，灰分和硫分，就不但与它们的应用基成分百分数有关，而且与燃料的发热量有关。