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作者:廖传华、耿文华、张双伟 著

出版社:化学工业出版社

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燃烧技术、设备与工业应用

燃烧技术、设备与工业应用试读:

前言

燃烧现象广泛存在于人类社会之中。从日常生活到工业交通及空间技术等方面,都要涉及如何以燃料作为能量来源和合理组织燃烧过程的问题,如何改进燃料的燃烧过程并提高热工效率已日益引起各工业部门的重视。为此,在江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015A022)的资助下,我们编写了这本《燃烧技术、设备与工业应用》。

燃烧研究的内容包括两部分,即燃烧理论和燃烧技术。燃烧理论着重研究燃烧过程所包括的各个基本现象,例如燃烧反应机理,预混可燃气体的着火和熄灭,火焰的传播机理、火焰的结构,单一油滴和炭粒的燃烧等。燃烧技术主要是把燃烧理论中所阐明的物理概念和基本规律与实际工程中的燃烧问题联系起来,对现有的燃烧方法进行分析和改进,对新的燃烧方法进行探讨和实验,以不断提高燃料利用率和燃烧设备的技术水平。

全书共分14章。第1章针对过程工业所用燃料的种类及特性,提出了对燃烧技术和燃烧设备的要求;第2章详细介绍了过程工业所用燃料的种类;第3章介绍了燃料燃烧过程的热工计算;第4章介绍了燃料燃烧的化学动力学基础;第5章介绍了气体燃料的燃烧过程;第6章介绍了气体燃料的燃烧装置;第7章介绍了液体燃料的燃烧过程;第8章介绍了液体燃料的燃烧装置;第9章介绍了液体燃料燃烧装置在有机废液处理中的应用——废液焚烧设备;第10章介绍了固体燃料的燃烧过程;第11章介绍了固体燃料的燃烧装置;第12章介绍了固体燃料燃烧在污泥处理中的应用——污泥焚烧过程与设备;第13章介绍了燃料燃烧装置的附属设备;第14章介绍了燃料燃烧造成的污染及其防治。

全书由南京工业大学廖传华、耿文华和南京三方化工设备监理有限公司张双伟著,其中第1章、第2章、第3章、第4章、第10章、第11章、第12章、第14章由廖传华著,第7章、第8章、第9章由耿文华著,第5章、第6章、第13章由张双伟著。全书由廖传华统稿。

全书从选题到材料的收集整理、文稿的编写及修订等方面都得到了南京工业大学黄振仁教授的大力支持,在此深表感谢。南京三方化工设备监理有限公司赵清万、许开明、李志强,南京工业大学李政辉对本书的编写工作提出了大量宝贵的建议,南京朗润机电进出口公司朱海舟提供了大量图片资料,研究生赵忠祥、闫正文、王太东、李洋、刘状、汪威、李亚丽、廖玮、宗建军等在资料收集与文字处理方面提供了大量的帮助,在此一并表示衷心的感谢。

本书的编写与修订工作历时三年,虽经多次审稿、修改,但由于作者水平有限,不足之处在所难免,敬请广大读者不吝赐教。在编写过程中参考了相关的文献资料,但书中未能一一列出,在此谨对原文作者致以衷心的感谢。著者2017年8月于南京工业大学第1章 绪论

火被人类掌握和使用以后,为人类的进步与发展做出了巨大的贡献。恩格斯对此曾作过科学论断:“火的利用第一次使人类支配了一种自然力,从而最终把人和动物分开。”故火的使用可以认为是出现人类的标志之一。人类自从学会使用火后,生产能力不断提高,社会也随之进步与发展。众所周知,18世纪产业革命的形成主要是由于蒸汽机的产生。蒸汽机之所以会产生,则是人类在使用火(燃烧燃料)方面所积累的大量知识与经验的结果。随着社会生产的发展,火的使用也越来越广泛,使用量(即所谓的能源消耗量)也越来越大。冶金、化工、交通运输、机械制造、纺织、造纸、食品以及国防等轻重工业和人们日常生活中无一能够脱离火的使用——燃烧技术。近年来,航空航天技术的迅速发展使人们实现了先人的梦想,但这需要很好地解决高能燃料(如液氢等)的燃烧问题,以制造出功率巨大的火箭发动机。

因此,人类的物质文明与燃烧技术是密切相关的。从某种意义上说,没有火,就没有人类社会的进步,也就没有今天的高度物质文明,即使在今后相当长的一段时期内也会如此。1.1 燃料的种类

燃料是指能与氧发生激烈的氧化反应,并放出大量热量,且在经济上合理的一种物质。

按燃料的形态,可将燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。(1)固体燃料

天然的固体燃料有各种煤、可燃页岩、木材、秸秆、谷壳以及各种植物的茎、叶等。人造固体燃料主要是煤和木柴加工后制得的焦炭、半焦与木炭。这些固态可燃物中,广泛用作工业燃料的只有煤和焦炭(包括半焦),近年来由于人们环保意识的增强,生物质固体燃料正在大力推广。

煤是埋藏于地层内已炭化的可燃物。它作为燃料比较便宜,而且我国的储藏量巨大,因此在煤源丰富及运输方便的地区均以煤作为主要燃料,是使用最广泛的一种固体燃料。

近年来,生物质材料成型燃料技术得到了长足的发展,具有一定粒度的生物质原料,在一定压力作用下(加热或不加热),可以制成棒状、粒状和块状等各种成型燃料。原料经挤压成型后,密度可达31.1~1.4t/m,能量密度与中质煤相当,燃烧特性明显改善,火力持久,黑烟少,炉膛温度高,而且便于储存和运输。目前生物质致密成型工艺从广义上可划分为常温压缩成型、热压成型和炭化成型三种主要形式。(2)液体燃料

由地层开采出的石油称为原油。将原油加热,在不同温度范围内可获得不同的石油产品。在常压直馏时,于40~180℃馏出的为汽油,50~300℃馏出的为煤油,200~350℃馏出的为柴油,余下的重质油叫直馏重油,俗称常渣油。直馏重油如再经减压蒸馏,可分馏出各种润滑油和裂化原料,剩下减压渣油。直馏重油和裂化原料都可再经裂化处理,用来制取裂化汽油、裂化煤油,余下的为裂化残油。常渣油可直接供燃烧用,减压渣油和裂化残油则需加轻油调制后才能用作燃料。各种渣残油经掺和、调配,符合质量指标规定后,就是标准牌号的重油;未经配制或稍加调制,只部分符合指标却可供燃烧的则是渣油。通常所称的重油包括渣油在内。

早期的炼油在提取了轻质油以后将重质残油废弃,所以工业炉燃烧重油曾被视作是废物利用而被大力推广。但近年来石油化学工业得到了飞速发展,重质油又有了更重要的用途,所以是否燃用重油需要根据资源情况进行选择。(3)气体燃料

气体燃料(俗称燃气)也有天然和人造之分。天然气体燃料包括天然气、石油气与矿井瓦斯气等。人造气体燃料则是指对固体燃料和液体燃料进行加工制得的各种气体燃料和裂解气。

各种燃料的可燃成分虽有不同,但基本都是由碳、氢、硫、一氧化碳及碳氢化合物等所组成。固体和液体燃料主要有碳、氢、硫等可燃成分,气体燃料有一氧化碳、氢、甲烷、硫化氢和烃类等可燃成分。燃料中的可燃成分与氧气相遇,发生强烈化学反应的过程叫做燃烧。燃烧过程的特点是:反应进行得非常迅速,并伴随有发光发热的现象,因此,概括地说,燃烧就是可燃质与氧发生的一种发光发热的高速化学反应。1.2 燃烧方式

燃料燃烧,生成了燃烧产物(烟气)并放出热量。热量的一部分消耗在加热新燃料,使其温度迅速达到着火温度,其他部分热量则被炉中受热面内流动的工质(水、气水混合物或饱和蒸汽)所吸收。

燃料能否完全燃烧并放出全部热量,与燃烧炉的结构特点、采用的燃烧方式以及燃烧过程中的风量调节、运行方式等有关。1.2.1 固体燃料的燃烧

固体燃料(煤)在工业中的燃烧方式,一般可分为层燃式、室燃式(或称悬浮式)和沸腾式三种。有些炉子的燃烧方式介于三种燃烧方式之间,例如,在层燃炉中采用风力抛煤机或机械抛煤机时,有不少微细煤粒被抛到燃料上方的空间燃烧,该炉子的燃烧方式就属于半悬浮燃烧或火炬-层燃方式。(1)层燃方式

在层燃炉中只燃烧固体的燃料。图1-1所示为层燃炉的工作原理。将燃料送到固定的或移动的炉箅上,形成厚度均匀的燃料层,空气通过炉箅上的孔缝隙由下向上流动,空气与燃料之间没有相对运动,大部分燃料是在炉箅上燃料层中燃烧。被吹至燃烧室空间的部分细屑煤粒和燃料层中燃料放出的挥发分,以及焦炭在燃烧时周围所形成未燃完的可燃气体,在燃料层上部的炉子空间燃烧。图1-1 层燃原理

根据层燃炉的炉排结构特点,层燃炉可分为燃料层不动(固定炉排)、燃料层在炉排上移动(振动炉排和翻转炉排)和燃料层与炉排一起移动(链条炉排)三种,如图1-2所示。图1-2 层燃炉分类

上述各种层燃炉,其燃用的固体燃料采用0~30mm小块状,燃烧所需要的空气均由炉箅下送入,因此,燃料在层燃炉中的燃烧速率就取决于燃料的表面积和送入空气的速度。燃料块越小,其表面积越大,燃烧反应进行得就越快。但过多的细屑煤粒除增大空气的流通阻力、影响空气的供给外,还易被烟气带走,增加了燃烧热损失。因此燃料粒径的大小对层燃炉的燃烧是有很大影响的。此外,空气的流速对燃烧速率也有影响,如提高空气流速,可以加快燃料的燃烧速率,但风速过大,可将部分燃料吹起,使燃料层的稳定性遭到破坏。

工业锅炉的蒸汽负荷是经常变动的,燃烧所需的燃料量也相应随之变动,所以可用改变空气供应速度和送入炉排上的煤量来适应负荷的需要。

层燃方式在中小型动力装置和工业锅炉中占有重要地位,其主要优点是热惰性大(即燃料供给与鼓风之间的协调性发生偏差时,敏感性差);对燃烧技术要求不高,在防止燃料末飞出的情况下,可用增大鼓风机的办法来助燃。其缺点是不适用于大型动力装置,也不能实现完全机械化和自动化。(2)室燃方式

燃料随气流喷入燃烧室内,呈悬浮状态燃烧。

气体燃料不必预热即可直接送入炉内燃烧,液体燃料需通过雾化器将其雾化成细雾状油滴后送入炉内燃烧。雾化除了增大油滴与空气的接触面积外,又可使油雾粒不易由气流中分离出来,所以油滴在炉内得以充分而完全的燃烧。固体燃料则应将其磨制成极细的煤粉后,由空气送入炉内燃烧。

根据炉内气流情况,室燃方式又可分为火炬燃烧方式与旋风燃烧方式。

①火炬燃烧方式 燃料与空气的混合物送入炉内后呈火炬形式燃烧,如图1-3所示。燃料与空气之间几乎没有相对运动。采用这种燃烧方式的炉子称为室燃炉;燃用煤粉的室燃炉称为煤粉炉;燃用液体、气体燃料的称为燃油炉、燃气炉。煤粉炉按其排渣方式,又分为固态排渣炉和液态排渣炉。图1-3 火炬燃烧方式

采用火炬燃烧方式时,燃料在炉内的停留时间很短,为3~4s,炉内没有富裕的燃料量,因此,该炉只能燃用极细粉状和雾状的燃料。燃料和空气应有稳定的供应,并能调节灵活,适应锅炉负荷的需要。

②旋风燃烧方式 旋风燃烧方式是在圆柱形筒体(立式或卧式)内进行旋涡燃烧,如图1-4所示。空气及燃料沿切线方向送入炉内,在高速旋转的气流带动下,使燃料向前流动,并进行燃烧。由于离心力的作用,燃料颗粒沿着炉子内壁运动,最后由炉子的一端排出。燃料颗粒与气流之间有很大的相对运动,一方面加强了空气与颗粒表面的接触;另一方面使燃烧的产物易于脱离燃料表面,因此,旋风炉内的热强度很高。图1-4 旋风燃烧方式

旋风燃烧方式中,具有较薄的运动的燃料层。因燃料在炉子中逗留的时间较长,故可采用较粗的燃料颗粒。由于气流带动燃料颗粒在炉内运动,气流作用到燃料颗粒上的力应大于燃料颗粒本身的重量。采用旋风燃烧方式的炉子称为旋风炉。

室燃方式适用于大型动力装置。其主要优点是不易结渣、设备费用随负荷上升得慢,对负荷变化的适应性好。由于燃料颗粒的表面积大,又处于悬浮状态下燃烧,故气化效率比层燃式高;同时可燃用高灰分、高水分的劣质煤、无烟煤屑、不结焦的瘦煤等,还可实现全部机械化与自动化。虽然其制粉系统庞大,需消耗较多的电能,燃烧时烟气又带走大量飞灰,使飞灰损失增加,但其优点还是主要的,尤其涡流燃烧的旋风炉,燃烧过程强烈,热强度大、设备紧凑,所以室燃方式具有非常广阔的应用前景。(3)沸腾燃烧方式

沸腾燃烧方式如图1-5所示,是将燃料破碎成直径为0~8mm的颗粒送入炉内,压力较高的空气从下面穿过布风板,将燃料层吹起。布风板上面的炉膛为倒锥形向上扩大,当燃料被吹起后,因炉膛内风速的减小,故燃料颗粒又落到截面较小的沸腾层上,沸腾风速又使燃料颗粒重新被吹起,因此造成燃料颗粒在炉膛空间来回翻腾和互相碰撞,如沸腾的液体,并形成一定厚度的沸腾层(800~1300mm)。由于燃料和空气的相对运动速度较大,使沸腾层内物料的混合大大加强,新燃料与燃烧着的燃料接触和碰撞,不断加热点燃。灰渣像水流那样通过溢流管流出。图1-5 沸腾燃烧方式

沸腾燃烧的主要优点是单位面积布风板上的热强度大,燃料颗粒不断地在流体动力作用下混合、碰撞,有利于破坏颗粒的外层灰壳,阻碍燃料的黏结和结渣;因其处于低温燃烧(850~1000℃),能抑制硫化物及氮氧化合物的生成量,减轻大气污染。此外,由于其具有燃烧强烈、传热效率高的特点,所以能燃用低热值燃料,如煤矸石、石煤、油页岩、褐煤、低质烟煤、低质无烟煤等。这些低热值燃料资源非常丰富,因此有利于沸腾燃烧技术的应用与推广,可以节约大量优质燃料。沸腾炉渣还可综合利用,如作为制造各种建筑材料的掺和料等。1.2.2 液体燃料的燃烧

工业上应用的液体燃料有重油、焦油等,其中以重油为主。以重油为燃料时,可在炉内直接燃烧。重油用油槽车(或用管路)运入厂内,存入储油罐中,然后靠油泵把油加压输送到油烧嘴。在油的输送管路中,需要用过滤器将油中的机械杂质除去。重油在通过油烧嘴燃烧时,需要把油喷成雾状,即进行雾化。在管路中应设有加热器加热重油,降低其黏度,以保证良好的雾化效果和流动性。此外,整个油路系统还伴随有蒸汽管加热和保温。重油通过油烧嘴后进入炉膛(或单独的燃烧室)中燃烧。

欲使燃料达到充分燃烧,首要的条件就是要供应足够的空气并使其与燃料均匀混合,故当已雾化好的液体燃料喷入燃烧空间后,怎么保证及时、正确地供应足够的空气量并与之充分混合将是保证液体燃料充分燃烧的关键。

一般燃油炉上常用一种配有旋流式调风器的喷燃器。喷燃器又叫燃烧器,它由雾化器和调风器组成。调风器的功用是正确地组织配风、及时地供应燃烧所需空气量以及保证燃料与空气充分混合。

燃油通过中间的雾化器雾化成细雾喷入燃烧室(炉膛),空气(或经过预热的热空气)经风道从调风器四周切向进入。因为调风器是由一组可调节的叶片所组成,且每个叶片都倾斜一定角度,故当气流通过调风器后就形成一股旋转气流。这时由雾化器喷出的雾状油滴在雾化器喷口外形成一股空心锥体射流,扩散到空气的旋流中去并与之混合、燃烧。由于气流的旋转,增大了喷射气流的扩散角,加强了油气的混合。叶片可调的目的是为了在运行中能借此来调节气流的旋转强度以改变气流的扩展角,使其与由雾化器喷出的燃油雾化角相配合,保证在各种不同工况下都能实现油与空气的良好混合。

油雾在着火前首先要加热、气化,然后与空气混合进行燃烧,为此就需要大量的热量来促使油雾蒸发气化,但仅依靠燃烧空间内的辐射热来加热往往是不够的。这是因为油滴的尺寸很小,没有足够的表面积来吸收较多的辐射热。工业实践中,一般是在雾化器的前端加装一个不良流线体(钝体),如圆盘或圆锥体等物,称之为稳焰罩。当空气绕流经过稳焰罩时,在其背后会形成一个局部负压区,使部分高温烟气流反向回流,这样在雾化器前端的轴线部分处形成一个高温回流区,成为一固定点火源。它可对刚从雾化器喷出的油雾进行加热,促使其迅速蒸发气化并着火燃烧。

为了强化油雾与空气的混合,还可采用提高调风器出口处空气流速的方法。速度越高,油气混合就越好,因此目前一般调风器送出的气流流速都较高。但大量的高速气流直接吹向火焰根部很容易将火焰吹熄,所以稳焰罩的设置还可挡住大量的高速气流直接吹向火焰根部而使其绕流而过,防止火焰吹熄,故它又起到了稳定火焰、保证燃烧的作用。

如果燃烧的油是重质油(这是一般动力锅炉、工业窑炉中较为广泛使用的燃料),还需注意防止燃油的高温热分解。重油油滴在受热时,如果空气供应不足,在一定的高温下极易分解出一些难以燃烧的重碳氢化合物和固体炭黑。这些物质因难于燃烧,常常在没在烧尽时就离开炉膛而从烟囱中排出去,形成浓厚的黑烟,造成大量的热损失并污染环境。因此对于处于稳焰罩后面、位于回流区中火焰根部的油雾来说,由于其间氧气较少,极易产生高温热分解,就需输送足量的空气到火焰根部去(一般称此为“根部送风”),以防止高温下的缺氧裂解。所以在沿着稳焰罩的圆周方向上开有6~12个槽形孔,使一部分空气穿过这些孔直接送到火炬根部,这样一方面可补足氧气,促进氧化过程的进行,另一方面亦降低了温度,限制了高温热分解。因此,这股气流在实际上也就起了一次风的作用,其余的空气(或称为二次风)则绕流而过,从稳焰罩四周供入,以保证燃料继续充分燃烧。在这里,少量的一次风也起着防止稳焰罩被烧坏和结焦的作用。

稳焰罩和雾化器可沿着喷燃器中心线前后移动,以改变回流区的形状和位置来达到调整燃烧的目的。

目前,为了减轻和防止燃油燃烧时低温腐蚀和高温腐蚀以及改善大气污染,比较有效的措施就是采用低氧燃烧。所谓低氧燃烧就是在比较少的过量空气情况下(一般为1.02~1.05)保证燃油的充分燃烧(此时烟气中剩余自由氧量需控制在0.5%~1.0%)。为此,除了要有一个良好的喷燃器外,还需要有严格、正确的配风,特别是油气分配的控制。

①每个雾化器的特性需要相同,如对简单机械雾化器来说,就应要求在相同的油压下,各雾化器的喷油量应当相同,最好偏差不超过±1%,这样就必须对每个雾化器进行标定。

②每个调风器的风量分配应当均匀,为此需对每个调风器进行标定与调整。实践证明,严格做到这一点非常困难,这比上述燃油的分配困难得多。

③喷燃器最好能有较大的调节比,在负荷变动时,尽可能不要改变投入工作的喷燃器数量,而只改变所有喷燃器的流量以适应负荷变化。这样可以减少不工作喷燃器的漏风,同时亦便于调节。

④雾化器的油喷嘴与配风器的相对位置必须合适。要求油雾的最大浓度区与配风器空气流的高速度区相吻合,才能使油、风密切混合。如两者相对位置不合适,将对混合有较大的影响。喷嘴位置太靠前,会造成油与风的混合不良,甚至还会引起油雾在里层、空气在外层的油风“分层”现象。如果喷嘴位置太靠后,油滴穿透风层打在风口或燃烧器周围的受热面上,会引起结焦,也是不合适的。如果喷嘴的位置适中,使高浓度的油雾与高速度的空气流相遇,则混合良好。

综上所述,良好的雾化、正确的配风、充分的混合是保证燃油良好燃烧的必需而重要的条件。实践证明,选择雾化性能良好的雾化器是保证燃油烧好的一个基础,但如不重视混合和配风问题,则燃油仍然会烧不好,在某些意义上甚至可以说混合和配风比雾化更为重要。

当然,为使燃油获得良好的燃烧,还需有一个足够大的燃烧空间,能使燃油在其中进行充分而完全的燃烧。此外,维持足够高的温度、合理布置喷燃器以及精心管理与调整也是保证燃油良好燃烧不可缺少的条件。1.2.3 气体燃料的燃烧

根据气体燃料和空气在燃烧前的混合情况不同,可将气体燃料的燃烧方法分为有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧。(1)有焰燃烧

有焰燃烧是指气体燃料和空气在进入燃烧室前不预先进行混合,而是分别用燃烧器(烧嘴)送入燃烧室,在燃烧室内边混合边燃烧,产生的火焰较长,并有清晰的火焰轮廓,故称为有焰燃烧。

有焰燃烧属于扩散燃烧。有焰燃烧法的特点是燃烧速率主要取决于气体燃料与空气的混合速率,与可燃气体的物理化学性质无关,烧嘴能力范围较大,火焰的稳定性较好。当用有焰燃烧法燃烧含碳氢化合物较多的气体燃料时,由于可燃气体在进入燃烧反应区之前及进行混合的同时,必然要经受较长时间的加热和分解,因此在火焰中容易生成较多的固体炭粒,火焰黑度较大。其次,有焰燃烧法可以允许将空气和气体燃料预热到较高的温度而不受着火温度的限制,有利于用低热值气体燃料获得较高的燃烧温度和充分利用废气余热节约燃料。因此,改善气体燃料和空气的混合条件,其主要途径是强化燃烧和组织火焰,通过改变燃烧器结构来实现。例如将气体燃料和空气的流动形成相交射流,以加强机械掺混作用;将气体燃料分成多股细流以增大气体燃料和空气的接触面积;增大气体燃料与空气的相对速率;增大气体燃料和空气之间的动量比以及采用旋转射流来加强混合等。由于以上特点,有焰燃烧法至今仍得到广泛采用,尤其是当炉子的燃料消耗量较大,或者需要长而亮的火焰时,都采用有焰燃烧法。

当使用条件相同而燃烧器结构不同时,混合情况和火焰长度也不同。气体燃料和空气流动方式对火焰长度的影响有以下几种情况。

①当气体燃料和空气以平行流动方式进入炉内时,混合条件最差,火焰最长。

②当气体燃料和空气以两股同心射流的方式送入炉内,混合条件有所改善,火焰稍短。

③当气体燃料和空气以相交射流方式送入炉内,并缩小燃烧器出口断面时,可增大出口流速,混合更好,火焰长度更短。(2)半无焰燃烧

如果在燃烧之前只有部分空气与气体燃料混合,则称为半无焰燃烧。

当采用半无焰燃烧,将气体燃料和空气在燃烧器内先进行部分混合,则效果更好,火焰最短。

需要注意的是,选用燃烧器时,不能只根据火焰的长短来定,而必须视火焰形状及其温度分布能否满足工艺的要求,以及燃烧器负荷调节范围能否满足炉子的要求等来定。(3)无焰燃烧

无焰燃烧是指气体燃料和空气在进入燃烧室之前就预先将其混合均匀。因其燃烧速率只取决于着火和燃烧反应速率,它比有焰燃烧的速率快,火焰短,没有明显的火焰轮廓。它属于动力燃烧。

为达到预先混合,一般采用气体燃料作为喷射介质,空气作为被喷射介质(或以空气作为喷射介质),使两者通过喷射器而达到均匀混合。这种喷射器称为无焰燃烧器或喷射式烧嘴,在工业上已得到广泛应用。

由于气体燃料和空气已预先混合,因而过量空气系数可取得较小,一般为1.02~1.05即可。而气体燃料和空气的预热温度受到可燃混合气体着火温度的限制,通常都在350~500℃以下。由于燃烧速率快,燃烧容积热强度要比有焰燃烧高得多,且高温区较集中。为防止回火和爆炸,燃烧器的燃烧能力不能太大。

空气调节阀可以沿燃烧器轴线方向前后移动,以调节燃烧需要的空气量,空气吸入口做成收缩式的喇叭形管口,以减少空气的入口阻力。通过扩压管使气流的动压变为静压,增大喷射器两端压差。

燃烧坑道采用耐火材料砌成,可燃混合气体在坑道口被加热而着火燃烧。为使高温烟气能回流到喷口附近形成旋涡滞流区,有利于点燃,坑道的扩展角应大于90°。1.3 燃烧工况与燃烧的必要条件

燃烧时为使可燃成分与氧化剂能充分接触,需要经过一个物质的扩散、混合过程。通常将从扩散、混合到燃烧化学反应的整个过程称为燃烧过程。燃烧过程是一个复杂的化学和物理的综合过程。

为完成预定的燃烧过程,需要一定的时间和空间。燃烧所需的全部时间τ包括:燃料与空气混合达到分子间接触所需要的时间τ与燃mix烧化学反应所需时间τ,如不考虑这两个过程的重叠,则燃烧所耗che总时间为上述两个过程所消耗时间之和,即:τ=τ+τ          (1-1)mixche

燃料与空气的混合可以通过层流扩散,也可以通过湍流扩散,因此扩散混合时间为:          (1-2)

式中 τ——层流扩散所需时间;M

        τ——湍流扩散所需时间。t

采用不同的燃烧过程时,上述两种时间所占的比例也不同,τmix主要受分子扩散速率的制约,而τ主要受化学反应速率的制约,因che此,根据对燃烧过程起制约的因素,可将燃烧工况划分为以下几种。(1)动力燃烧

当燃用固体燃料且燃烧温度很低时,其化学反应速率较慢,混合速率大于化学反应速率,即τ≫τ,则燃烧过程的速率主要取决于mixche化学反应速率,τ≈τ,这时的燃烧工况属于动力燃烧或称燃烧过程che处于“动力燃烧区”。预先混合好的气体燃料——空气混合物的燃烧就属于这种燃烧。(2)扩散燃烧

当温度很高时,其化学反应速率很快,混合速率远低于化学反应速率,即τ≫τ,则燃烧过程的速率取决于混合速率,τ≈τ,此chemixmix时的燃烧工况就属于扩散燃烧或称燃烧过程处于“扩散燃烧区”。如燃料与空气是分别送入燃烧室,边混合边燃烧的过程就属于这种工况。(3)过渡燃烧(或称中间燃烧)

当化学反应速率与混合速率很接近(即τ≈τ)时,燃烧过程mixche的速率取决于化学反应速率和混合速率,此时的燃烧工况就属于过渡燃烧或称燃烧过程处于“过渡燃烧区”。

无论采用哪种燃烧方式,燃料在炉内燃烧时都应使燃料中的可燃物质(碳、氢、硫、碳氢化合物)成分燃尽,使燃料的全部潜在热量都释放出来,达到完全燃烧。当燃烧炉排出的烟气中还有一氧化碳、氢等可燃成分,或排出的灰渣中还有未燃尽的煤粒和焦末时,则燃烧就不完全。燃烧不完全将造成燃料的浪费与热量损失。为使燃料能均匀而完全地燃烧,必要的条件是以下几点。(1)要有一定的空气量

燃烧一定量的燃料,需要有一定量的空气。如空气供应不足,势必造成有一部分可燃物因缺氧未能进行燃烧反应而随烟气离开燃烧室,造成燃烧损失;但如空气过量,也会使排烟量过大而引起损失增加。故燃烧所需的空气量必须控制在合理的范围内。(2)要有一定的温度

燃料只有达到一定的温度(即燃料的着火点)时才能着火燃烧。各种燃烧炉都应为燃料提供着火热,例如层燃炉炉排上的燃料层对新进入的燃料加热,链条炉内的炉拱对刚进入炉子的新燃料也反射一部分热量等,都有利于燃料着火。此外,炉内还应维持一定的温度,使燃料着火后能迅速稳定地燃烧。温度越高,燃烧越强烈。对于层燃炉,炉内温度一般维持在1200~1500℃,室燃炉的炉内温度应在1300℃以上为好。对于沸腾炉,由于其燃烧特点,炉内温度一般为1000℃左右。(3)燃料与空气充分混合

燃料燃烧时,仅有足够的空气是不够的,还需要使空气与燃料能充分接触和混合,才能使燃烧过程进行得完善。如煤粉炉把燃料磨成粉末,燃油炉把油喷成雾状,以及手烧炉加强拨火等都是为了增加燃料与空气的接触面积。(4)要有足够的燃烧时间

燃料燃烧时,需要一定的空间和时间以保证其完全燃烧。如层燃炉需要有一定的炉箅面积,室燃炉需要有一定的炉膛高度与容积等。1.4 燃烧工艺与设备的应用和发展

燃烧学是一门内容丰富而实用性很强的学科。过去,因生产水平低下,对燃烧工艺与设备的技术要求不高,发热强度较低,故根据已掌握的经验与规律也能设计制造出各种燃烧装置与设备。但现在,特别是喷气、火箭技术的高速发展,要求制造发热强度高、运行范围广的燃烧装置,并越来越趋向于在高温、高压、高速下进行燃烧,因此,仅靠过去的经验与有限的试验是无法达到这个目的的。这时就发现对燃烧基本过程缺乏认识与理解,会阻碍新的设计、试制工作的顺利进行。这就迫使对燃烧过程从根本上进行深入研究,以求在设计、试制和试验中有正确的理论指导。在对燃烧过程开展大量基本研究的同时,逐步形成了一门崭新的、高速发展的基本学科——燃烧学。

燃烧学的研究包括燃烧基本理论与燃烧技术两方面的内容。对燃烧基本理论和实验进行研究,对已有的燃烧技术进行分析与改进,以及对新的燃烧技术进行探索与研究等,务求最合理、最有效地组织和控制燃烧过程。为达到这一目的,还必须掌握各种燃料(包括劣质燃料、高能燃料、代用燃料等)的燃烧特性,以便选用最适宜的燃烧方法与燃烧装置。因此,燃料的燃烧特性研究也成为燃烧科学的一个重要方向。

燃料燃烧时,除了发出光和热外,还会散发出大量的烟尘、灰分、有害和无害的气体以及臭味与噪声,有时还有未经燃烧的部分燃料随着烟气被排放出来。燃烧排放物会污染环境,妨害人们的健康和动植物的生长,为此,就应积极开展对燃烧污染物形成机理的研究,探索通过改变燃烧工艺、精心控制燃烧过程以减少或消除污染物排放的有效方法,研究无公害(低污染)或“干净”的燃烧技术,把污染消灭在燃烧之中。所以,近年来这些研究都已成为燃烧科学研究的一个重要方向。

火可以促进人类的进步,给人类带来文明,但也能给人类造成灾难。世界上每年发生的各种火灾与爆炸(如森林火灾、建筑火灾、工业性爆炸与火灾)不知毁掉多少生命和财产。因此,为了预防与减少因火灾造成的生命与资源的损失,需要解决的问题有:火焰沿各种材料表面的传播,大液面的燃烧,闷烧、多孔介质中的燃烧,燃料燃烧与环境之间的相互关系,以便可靠地确定各种建筑材料在火灾中所起的作用。

燃烧科学的应用是极其广泛的,对人民生活、工业生产、国防技术以及宇宙探索都具有十分重要的意义。本书将针对不同种类燃料的燃料方法、燃烧过程、燃烧装置及其工业应用进行详细介绍,以期为从事与燃料燃烧相关的工作者提供一定的帮助和指导。第2章 燃料的种类及性质

燃料通常是指能与氧发生激烈的氧化反应,放出大量热量,并在经济上是合理的一种物质。

燃料按其物态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料,按其制取方式则分为一次燃料和二次燃料。常用燃料的类别见表2-1。表2-1 常用燃料的分类2.1 固体燃料的种类和性质2.1.1 固体燃料的种类

天然的固体燃料有各种煤、可燃页岩、木材、秸秆、谷壳以及各种植物的茎、叶等。人造固体燃料主要是煤和木柴加工后制得的焦炭、半焦与木炭。这些固态可燃物中,广泛用作工业燃料的只有煤和焦炭(包括半焦),近年来由于环保意识的增强,生物质固体燃料正在大力推广。(1)煤

固体燃料主要指煤。煤是埋藏于地层内已炭化的可燃物。它作为燃料比较便宜,而且我国的储藏量巨大,因此在煤源丰富及运输方便的地区均以煤作为主要燃料,是使用最广泛的一种固体燃料。

煤是棕色至黑色的可燃烧的类似岩石的固体,它由植物经过物理和化学的演变和沉积而成。最初这些植物的沉积常常是在沼泽地或潮湿的环境中进行,并逐渐腐烂风化形成泥浆或泥煤。泥煤就是煤的前身,泥煤经过埋藏沉积以及随后的地质过程,包括压力及温度增高,演变成煤。在煤化过程的不同阶段,除泥煤外,煤可分为褐煤、烟煤(包括高、中、低挥发分)以及无烟煤(包括半无烟煤、无烟煤、高碳化无烟煤或石墨煤)。

①泥煤是最年轻的煤,也是由植物刚刚变过来的煤,其炭化程度最低,在结构上它还保留有植物遗体的痕迹。泥煤多是由沼泽地带的植物沉积在空气量不足和存在大量水分的条件下生成的,其含水率高达80%~90%,因而泥煤质地疏松,吸水性强,需进行露天干燥以后才可用于燃烧。

风干后的泥煤仍含有30%~40%的水分,灰分在干燥基中约占310%,体积密度为300~400kg/m,低位发热量为8000~10000kJ/kg,可燃基中碳元素占55%~60%,氢占6%左右,硫通常不超过0.5%,其余为氧和氮。在化学组成上与其他煤种相比,泥煤含氧量最高,达28%~30%,含碳量较低。

使用上泥煤挥发分高,可燃性好,反应性高。它含硫低,机械性差,灰分熔点很低。工业上泥煤用于烧锅炉和作气化原料,但其工业价值不大,不能远途运输,只能作地方性燃料使用。

②褐煤是泥煤经过进一步炭化后生成的,是植物炭化的第二期产物,但煤化程度仍较低,其颜色一般为褐色或暗褐色,无光泽,含木质结构。由于能将热碱水染成褐色,因而得名“褐煤”。

褐煤在性质上与泥煤有很大的不同。它的密度较泥煤的大,体积3密度为750~800kg/m。新开采的褐煤含水率在35%~50%,可燃基中含碳65%~78%,氢4.5%~6.5%,氧15%~25%,其余为氮和硫,挥发分在40%以上。灰分在干燥基中的含量为11%~33%。应用基低位发热量通常只有12545~16726kJ/kg。

褐煤挥发物析出温度较低,因此易于着火燃烧,在空气中自燃着火温度为250~450℃。褐煤由于灰分熔点低,燃烧时易结渣,因此需采用低温燃烧等技术措施。褐煤可用作工业或生活燃料,也可作用汽化与低温干馏用原料,但由于其在空气中易生化和破碎,只能作地方性燃料,多被就近利用。

③烟煤是一种煤化程度较高的煤种,其中已完全看不见木质构造。其外观为黑色或灰黑色,有沥青似的光泽。烟煤质地较硬,有较高的硬度,燃烧时出现红黄色火焰和棕青色浓烟,带有沥青气味。

与褐煤相比,烟煤的含水率进一步减少(内在水分在10%以下),氧和挥发分也减少,碳分与发热量则增加。其可燃性碳含量为80%~90%,氢4%~4.6%,含氧率一般在3%~15%之间,氮与硫含量同褐煤的相近,挥发分为10%~40%,应用基烟煤低位发热量在20908~33453kJ/kg之间。供应状态的烟煤原料一般含内在水分2%~5%,灰分在20%~30%。

烟煤较易着火,自燃着火温度为400~500℃。烟煤的最大特点是具有黏结性,这是其他固体燃料所没有的,因此是炼焦的主要原料。当然对炼焦的煤要有一定的选择,并非所有的烟煤都具有黏结性,也不是所有有黏结性的煤都适合于炼焦。我国根据煤的黏结性及挥发性大小等物理化学性质进一步把煤分为长烟煤、气煤、肥煤、结焦煤、瘦煤等不同的品种。其中长烟煤和气煤挥发分含量高,容易燃烧和适合于制造煤气。结焦煤具有良好的结焦性,适合于生产冶金焦炭。

④无烟煤也称“白煤”,是煤化程度最高的煤,也是年龄最老的煤,其特点是色黑质坚,有半金属似的光泽。它是由烟煤在炭化过程中进一步逸出挥发分与水分,相应增高碳分而形成的。可燃基中碳分一般高达90%以上(90%~97%),氢与氧均占1%~4%,挥发分在10%以下。无烟煤的内在水分多在3%以下,灰分同烟煤的相近,低位发热量在33453kJ/kg左右(可燃基)。

无烟煤挥发分不仅析出温度高,而且量少,因此着火困难并较难燃尽。无烟煤无结焦性,焦炭呈粉状,灰分量少但熔点低。无烟煤燃烧时几乎不产生煤烟,火焰很弱或无火焰,不黏结,自燃着火温度在700℃左右。同时,由于无烟煤组织密实、坚硬、吸水性小,适合于远途运输、长期贮存,因此,无烟煤通常用作动力和生活用燃料,也用于制取化工用气。(2)焦炭

一般所说的焦炭包括焦炭和半焦,皆为烟煤经干馏后的制得物。干馏是将天然固体燃料在隔绝空气的情况下加热至一定温度的一种热化学加工方法,有高温干馏和低温干馏之分。烟煤经高温干馏(900~1100℃)得到的固态产物即为焦炭(同时还制得焦炉煤气和高温煤焦油),经低温干馏(500~550℃)则得到半焦(同时还得到半焦煤气与低温煤焦油)。

焦炭为多孔块状,呈银灰色或无光泽灰黑色,低位发热量为5400~6500kJ/kg。焦炭主要由非挥发性碳与灰分组成,主要用作冶金工业的还原剂和燃料,也用于汽化过程的化工原料,只有次焦及碎焦才用作燃料。半焦强度差,易碎,残余挥发分与杂质较多,主要用作燃料和汽化原料。(3)生物型煤

它是在煤粉中添加有机物、脱硫剂等,将其混合后经高压而制成具有易燃、脱硫效果显著、高热效率、未燃损失小等特点的型煤。煤可选择无烟煤、褐煤等,有机物可用麦秸、稻草、玉米秸秆、锯末等。添加有机物降低了生物型煤的燃点,而且燃后留下的空隙增加了空气流通量,起到膨化助燃作用。生物型煤原料配比选择对其性能的影响如表2-2所列。表2-2 生物型煤原料配比选择对其性能的影响(4)生物基有机固体燃料

秸秆和谷壳等是农业生产的副产品。我国农作物秸秆资源丰富,如何变废为宝,将其转化为有用的能源,还需要进一步的研究。

近年来,生物质材料成形燃料技术得到了长足的发展,具有一定粒度的生物质原料,在一定压力作用下(加热或不加热),可以制成棒状、粒状和块状等各种成形燃料。原料经挤压成形后,密度可达31.1~1.4t/m,能量密度与中质煤相当,燃烧特性明显改善,火力持久,黑烟少,炉膛温度高,而且便于储存和运输。目前生物质致密成型工艺从广义上可划分为常温压缩成型、热压成型和炭化成型三种主要形式。国内外几种生物质致密成型设备的主要性能技术指标分别见表2-3与表2-4。表2-3 国外部分生物质成形机主要性能指标表2-4 国内几种生物质致密成形设备主要性能技术指标2.1.2 固体燃料的成分分析2.1.2.1 固体燃料的成分

固体燃料可分为可燃成分和不可燃成分两部分。可燃成分或粗略地分为挥发分和固定碳两部分,或精细地按元素组成。不可燃成分包括水分和灰分。(1)可燃元素

固体燃料的可燃成分包括挥发分与固定碳,因此习惯上以这两部分的元素构成作为可燃元素。可燃元素有碳、氢、氧、氮、硫五种,其中碳和氢是主要的发热元素,氧只是助燃,氮不参与燃烧,硫则是有害的杂质。

碳元素在煤中的含量随煤化程度的提高而增加,氢元素含量则随煤化程度的增加而减少。氧元素同氢相似,主要含于挥发分中,越“年轻”的煤中氧含量越多。氧不发热,这样就相应地降低了发热元素的含量,并且还会使部分发热元素氧化,所以氧含量越高,煤的发热量就越低。另一方面,氧含量高的煤挥发分产率也高,因此氧含量高又对燃烧有利。作为工业用燃料,只要氧含量不是特别偏高的煤都可以应用。

氮在煤中多存在于复杂的有机化合物中,燃烧时呈气态析出。氮含量很低(通常为1%~3%),原来人们并不将它作为有害成分,但随着对氮氧化物污染的重视,氮含量的有害影响已引起人们注意,因此氮含量应以少为好。

硫在燃料中可分为有机硫和无机硫两类,其和为全硫。无机硫又分为硫化铁和硫酸盐两种,前者可燃,同有机硫合称为可燃硫,后者不燃烧,仅存在于灰分中。可燃硫是主要的硫分,通常所说的含硫量即是指可燃硫,并常以全硫数据代替,误差很小。

煤中含硫量一般在3%以下,其含量不多,害处却很大。硫的燃烧产物二氧化硫是毒性气体,既污染环境,危害农作物生长和人类健康,又污染被加热物料,腐蚀燃烧设备。含硫多的煤不易保管,容易变质和自燃,所以硫是很有害的杂质,其含量越少越好。

①挥发分 将干燥的固体燃料在隔绝空气的情况下加热到高温,逸出的气态部分便是挥发分,亦称挥发分产率,符号为“V”。挥发分产率一定程度上代表了煤化程度,是煤分类的重要指标。

挥发分主要含CH、H等可燃气体和少量的O、N、CO等不可42222燃气体。一般随煤的炭化程度加深而减少,但挥发分的发热量却因其中可燃物质改变而有所提高。随着固体燃料加热温度和持续时间的增加,挥发分的产量将增加,成分也发生变化,所以测定时必须说明当时的条件。

挥发分易燃,因此含挥发分高的煤容易点火,火焰长且持续时间较长,这种煤宜作火焰加热炉燃料,燃烧效率也较高。

②固定碳 固体燃料干馏时留下的固态剩余物中除去灰分就是固定碳,以符号“C”表示。在烟煤和无烟煤的可燃成分中,固定碳GD占有最大的质量比和最多部分的发热量,是主要的发热部分。(2)不可燃部分

①水分 也称全水分,用符号“W”表示。机械地浸附在燃料颗粒外表面及大毛细管内,可用风干方法除去的水分叫外在水分(W);通过细毛细管吸附在燃料内部,需要加热才能去除的水分WZ叫内在水分(W)。外在水分与内在水分的和便是全水分。NZ

煤的水分因煤种、开采方法而异,运输、储存等条件也影响煤的实际含水率。水分增多会使煤的可燃成分降低,从而既造成运输能力的浪费,又使煤易于风化变质,所以水分是煤质与煤计价的一项重要指标。

②灰分 燃料燃烧后余下的固态残留部分即为灰分,符号为“A”。它们中的一部分是在燃料形成过程中混杂进来的,另一部分是在燃料开采、运输和储存过程中带进来的。灰分使可燃成分比率和燃烧温度降低,是固体燃料质量分级的一项重要指标。

在燃煤装置中,灰分的熔点对运行的经济性和安全性有较大影响。如果灰分熔点过低,在燃烧过程中易产生裹灰,造成煤的不完全燃烧,并在炉排上结块,影响通风,恶化燃烧,还给清灰除渣带来困难。

我国煤的灰分一般在10%~30%。2.1.2.2 固体燃料的成分表示方法

根据各种实际需要,固体燃料和液体燃料的元素分析采用以下几种基准组成来表示。(1)应用基组成

煤用C、H、O、N、S、灰分(A)、实际水分(W)七种组分的百分数表示时叫“应用基成分”,以上角标y表示。此时有:yyyyyyyC%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%          

按应用基组成表示的燃料组成反映了燃料在实际应用时的成分,它相当于即将送入燃烧设备进行燃烧的燃料。这种状态的燃料有时也称为工作燃料(对固体燃料,或称为原煤)。

燃料的燃烧计算,应按应用基组成来进行。

由前述可知,燃料中水分和灰分的含量常受外界条件的影响而波动,而燃料的元素组成却是以其相对含量百分比来表示的,因此,当其中某一项含量发生改变时,则所有各项所占的百分比都要相应地改变,这样在理论分析或实验研究中引用燃料分析资料时就显得不方便,此时应用基组成就不能正确地反映燃料的特性。因此就有所谓分析基、干燥基与可燃基等组成表示法。这些都是实验室分析、进行燃料分类和研究燃料特性时所采用的。(2)分析基组成

当煤样在实验室正常条件(即室温20℃,相对湿度60%)下放置,煤样会失去一些水分,留下的稳定的水分称为实验室正常条件下的空气干燥水分,以该空气干燥过的煤样各组分的百分数表示煤的成分,称为“分析基成分”,以上角标f表示。此时有:fffffffC%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%          

分析基组成之所以被采用是由于燃料的分析都是在试验室进行的,但为了避免水分在分析过程中发生变动,燃料试样必须先经过空气风干,这样一部分不很稳定的外在水分就先蒸发消失,余下的是稳定不变的内在水分。所以一般煤质分析资料和矿山所提供的煤质资料中的水分往往都是这种分析基水分。(3)干燥基组成

但正如已提到的,煤中的含水率很容易受到温度、运输、贮存状况变化的影响,所以应用基成分会随水分的变动而改变,但此时煤的燃烧组成其实并没有变化,这样比较起来就不方便。为方便计,可以用不含水分的干燥的煤来表示各组分的百分数,称为“干燥基成分”,以上角标g表示。此时有:ggggggC%+H%+O%+N%+S%+A%=100%          

因为燃料中的灰分含量如同水分一样易受外界因素的影响,变动较大,故若把水分和灰分这类不稳定性较大的成分去掉,不计在燃料的组成内,则可得到不受外界影响的可燃基组成。(4)可燃基组成

煤中的灰分也是会变动的。为了更明确地说明煤的化学组成特点,可以只用C、H、O、N、S五种元素在可燃组成中的百分数来表示煤的成分,这叫“可燃基成分”,以上角标r表示。此时有:rrrrrC%+H%+O%+N%+S%=100%          

可燃基组成不受水分、灰分变化的影响,它能较真实地反映燃料的特性。一般同一矿井的煤的可燃基组成变化不大,至多随着煤层的转移有稍许的变化,因此以可燃基组成来表示燃料的元素组成是较为合理的。所有煤矿中的煤质资料都是以可燃基组成表示的,且可用它来判别煤种(如褐煤、烟煤和无烟煤)及其属性。

各种表示方法同成分项目之间的关系如表2-5所列。表2-5 燃料成分与计算基准的关系

  上述各种成分的表示方法可以相互换算,换算系数如表2-6所列。表2-6 燃料组成换算系数2.1.2.3 固体燃料的工业分析

工业分析又称实用分析或技术分析,主要用于测定固定碳、挥发分、灰分、水分、硫分和发热量。一般将只作前四项分析的称作半工业分析,六项全作的叫全工业分析。水分、灰分与挥发分等项目的测定方法由国家标准规定。对固定碳通常不直接测定,而以煤样减水分、灰分和挥发分计算得出。

工业分析时各基准的项目成分含量(质量分数)之和应为100%。2.1.2.4 固体燃料的元素分析

元素分析即指可燃基的元素含量的测量。在硫分已知后,通常只测定碳、氢、氮的含量,氧的含量由差减法求得。元素分析时各基准的项目元素含量之和应为100%。

各类煤的成分见表2-7。表2-7 煤类燃料的成分(应用基)      %

几种固体有机燃料的成分见表2-8。表2-8 几种固体有机燃料的成分(应用基)      %

  部分农业和木材垃圾的工业分析和元素分析见表2-9。表2-9 部分农业和木材垃圾的工业分析和元素分析的主要数据2.1.2.5 煤的化学组成

固体燃料主要指煤。煤是由极其复杂的有机化合物组成的。一般由煤的C、H、O、N、S各元素的分析值及水分、灰分的百分含量来表达煤的化学组成。(1)碳

碳是煤中的主要可燃元素。随着煤的形成年代的增长,由于一些不稳定的成分逐渐析出,碳的含量将逐步增高,这一过程称为煤的碳化过程。碳化程度低的泥煤含碳量为60%~70%,碳化程度高的无烟煤可达90%~98%。煤的可燃质中含碳量大致如下:

煤中的碳是以与氢、氧化合成有机化合物状态存在的。在碳化程度高的煤中也可能存在结晶状态的碳。碳是一种较难燃烧的元素,碳化程度高的煤着火与燃烧均较困难。(2)氢

氢也是煤的主要可燃元素,煤中含氢量为2%~6%。在可燃质中含碳量为85%时,有效氢含量最高,约为5%。在此之后氢含量又随碳化程度提高而减少。氢在煤中以两种形式存在,一种是与碳、硫等化合为各种可燃有机化合物,称为有效氢,也称自由氢,这些可燃有机化合物在煤受热时易裂解析出,且易于着火燃烧,并放出热量。另一种是和氧结合在一起的,叫化合氢,它不能放出热量。在计算发热量和理论空气需要量时,以有效氢为准。

含氢量高的煤种燃烧时易生成带黑头的火焰,即燃烧时易生成炭黑。此外含氢量高的煤种在储存时易风化而失去部分可燃物质,故在储存与使用时都应加以注意。(3)氧和氮

煤中的氧和氮都是不可燃成分。氧在煤中是一种有害物质,氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高,氧含量越少。

一般情况下氮不能参加燃烧,也不会氧化,而是以自由状态转入燃烧产物。但在高温下或有催化剂存在时,部分氮可和氧形成NO而x污染大气。煤中含氮0.5%~2%。(4)硫

硫是燃料中最有害的可燃元素。硫在燃烧后会生成SO和SO气23体,这些气体会与燃烧产物中的水蒸气结合,形成对燃烧装置金属表面有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸蒸气。SO与SO排入大气还会严23重污染大气。发电厂的排气中含有硫化物,出于环境保护的需要,应加设除硫装置,但这会使发电厂的设备费用增加20%左右。所以煤中的硫是合理干净地使用煤的大问题。我国煤的硫含量为0.5%~3%,亦有少数煤超过3%。

硫在煤中有三种存在形式:①有机硫,来自母体植物,与煤呈化合态均匀分布;②黄铁矿硫,以FeS形式存在;③硫酸盐硫,以2CaSO·2HO和FeSO等形式存在于灰分中。424(5)灰分

灰分是指煤中所含矿物质(硫酸盐、黏土矿物质及稀土元素)在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物。大体上灰分的成分为SiO:40%~60%;AlO:15%~35%;FeO:5%~25%;CaO:223231%~1.5%;MgO:0.5%~8%;NaO+KO:1%~4%。煤中灰分是22一种有害成分。对工业锅炉来说,灰分高的煤热值低,不好烧,给设备维护带来困难。对燃气轮机用煤,更是要求灰分非常低。灰分给涡轮叶片带来腐蚀、沉积、侵蚀。现在国际上已经研究出可将煤中灰分精洗到1%以下供燃气轮机使用,但价格很贵,难以工业化。煤中的灰分可分为两种:一种是煤化过程中由土壤等外界带入的矿物质,称为外来灰分。这种灰分可以用浮选等物理选矿方法来清除。一般工业用的洗净煤含灰量在8%左右。特别仔细的物理洗煤技术可将煤中灰分洗到3%左右。再要降低灰分就得用化学方法了。另一种灰分是原来成煤植物中固有的,称之为内在灰分。减少内在灰分必须将煤磨细后,用化学液体(如氢氟酸)去与灰分作用,然后再用碱液洗掉酸,最后用水洗。这一过程成本昂贵,对环境污染严重。

在工业上解决灰分的方法大体是:①在入炉前减少煤中灰分,即采取洗煤措施。除了燃气轮机要求非常高外,炼焦用煤规定入炉前煤中灰分不超过10%。②在燃烧过程中排渣(液体排渣)或在燃烧之后的排气中除灰(固体除尘)。为了达到液体排渣或固体除尘,都要知道灰分的熔点。要液体排渣的,希望灰分熔化造渣。相反,不是液体排渣的,希望灰分不熔化,这时灰分熔点不能太低,以免引起熔化结渣,阻碍流路,破坏炉体。燃烧排气除尘可以采用旋风分离器或布袋除尘器。

灰分在低温下呈固体状态,当加热到一定温度时,灰分将会软化并带有黏性,再继续加热将达到灰分熔点,这时灰分将呈流体状态。在燃煤装置中,灰分的熔点对运行的经济性与安全性有很大影响,如灰分熔点过低,则灰分易产生裹灰(熔化的灰分包在尚未烧透的焦炭之外),造成煤的不完全燃烧,并在炉栅结块,影响通风,恶化燃烧,还给清灰除渣带来困难。所以一般要求灰分的熔点不低于1200℃,在设计燃烧装置时必须要考虑灰分的熔点。

灰分熔点与灰分的组成及炉内的气氛有关,在1000~1500℃之间。用于燃烧的煤(除液体排渣外)大多希望高熔点灰分。大体上熔点在1093℃以下的为低熔点,在1316℃以上者为高熔点灰分。灰分的组成对熔点影响极大。一般来说,含硅酸盐(SiO)和氧化铝2(AlO)等酸性成分多的灰分,熔点较高。含氧化铁、钙、镁、钾23等碱性成分多的灰分,熔点较低。灰分在还原性气氛中的熔点比氧化性气氛中的低。灰分的熔点、组成对燃烧装置(如锅炉排管)上的沉积和腐蚀有很大关系,煤中含碱金属及碱金属氯化物的腐蚀严重。(6)水分

水分是燃料中无用的成分。煤中水分包括两部分:①外部水分或湿成分。这是机械地附着在煤表面的水分,它与大气温度有关。把煤磨碎后在大气中自然干燥到风干状态,这部分水分就可除去。外部水分随运输和储存条件的变动很大。②内在水分。这是煤达到风干状态后所残留的水分,它包括被煤吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物质中的结晶水。内在水分只有在高温分解时才能除掉。通常作分析计算和燃烧评价时所说的水分就是指这部分水。

煤的成分通常用各组分的质量百分数表示。由于燃料中水分和灰分常受季节、运输和贮存等外界条件变动的影响,数值会有很大的波动。同一种燃料由于取样时条件不同,或者在同一实验条件下由于所采用的分析基准不一样,所得结果亦会不相同。所以固体燃料和液体燃料的元素分析值都必须标明所采用的基准,否则就毫无意义。2.1.3 固体燃料的特性2.1.3.1 煤的特性(1)煤的氧化与自燃

煤在同空气接触时会吸附氧气从而进行缓慢的氧化,若存在较多的水分和硫化铁,则会加速这种反应。氧化产生热量,煤堆如散热不好,内部温度就会增高并达到着火温度,这时煤就会燃烧,这种现象称为煤的“自燃”。为了避免煤堆自燃,要特别注意煤的堆放方式和对煤的管理。

图2-1所示为煤的挥发分与固定碳和煤的碳化程度的关系。可以看出,随着煤的碳化程度的提高,煤中的固定碳含量增多,挥发分减小,因而其着火点提高。因此,对于碳化程度不够的泥煤、褐煤等,在堆放过程中尤其要注意避免自燃的发生。图2-1 挥发分与固定碳和煤的碳化程度的关系

煤在存放过程中即使不发生自燃,长期的缓慢氧化也会产生重要影响,如烟煤存放一年后,其发热量可降低1%~5%,有的达10%,结焦性和焦油产率也相应降低,所以煤不宜存放过久,长期存放时应采取防氧化措施。(2)煤的发热量

发热量大小是评价煤好坏的一个重要指标,也是计算燃烧温度和燃料消耗量的依据。

1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热叫做发热量,单位为kJ/kg。通常用的是低热值,即不包括水蒸气凝结成水时的冷凝热。发热量可以用氧弹式量热计直接测定,也可以根据元素分析值近似计算。

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