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燃料的化学成分和性质

添加时间:2017/8/29 8:55:41 浏览次数:431

       工业和发电燃烧设备(锅炉)上所用的燃料有固体燃料(以煤为主)、液体燃料(以重油为主),和气体燃料(煤气)三大类。在我国,煤是最主要的锅炉用燃料,燃烧液体和气体燃料的工业锅炉和电站锅炉只占很小部分 。

       燃料的成分及燃烧特性

       各种固体、液体及气体燃料都属于有机燃料。燃料的化学成分主要有碳、氢、氧、 氮硫、灰分及水分。

     1.碳

        碳是燃料中主要的可燃元素, --般占燃料成分的15%~9o% ,煤中占5o% ~9o% . 埋藏年代越久的煤,其碳化程度越深,含碳量也越高,而氢、氧、氮等的含量则较低 。 例如. 无烟煤的理藏年代最久,含碳量可达9o%以上;而褐煤埋藏年代最短,含碳量为30% ~40%。碳完全燃烧时生成二氧化碳(C〇2 ) ,此时每千克纯碳可放出32866kJ 热量;碳不完全燃烧时生成一氧化碳( C0)·此时每千克纯碳放出的热量仅为927okJ 。由于纯碳的着火与燃烧都较困难,因此含碳量高的煤难以着火、燃尽 。 例如无姻煤,虽然其发热量较高,但属于难燃的煤种,需要特殊的燃烧设备,以利于其着火与燃尽 。

    2.氢

       氢也是燃料中的可燃成分,其发热量最高,每千克氢燃烧后的低位发热量为120370kj·约为纯碳发热量的4倍,但煤中氢的含量较少,为2%~ 10% 。 随着碳化程度加深,煤中的氢元素含量減少。 液体燃料中的氢元素含量稍多,一般可达 15%左右。 气体燃料中的含氢量较多,尤其是天然气 。 因此,燃用含氢较多的燃料利于减少 CO?排放。燃料中的氢一般不含水中的氢 。

    3 硫

       气体燃料中的硫以气体化合物的形式存在,如硫化氢。液体燃料中的硫大多是有机物大分子中的一个或多个原子,与其他碳、氢 、氧原子结合。固体燃料中的硫分为两部分. 一部分含在硫酸盐中,如硫酸钙、硫酸镁,称为无机硫,它不能燃烧,是灰分的一部分;另一部分是有机硫和黄铁矿硫,可燃烧放热,称为可燃硫,但其热值不高,每千克可燃硫的发热量仅为9100lj。 煤中的硫铁矿硫和硫酸盐硫,是成煤过程中岁地质结构的变化,从周围环境混杂进来的,因此在煤炭中是相对独立的,绝大部分可以通过煤炭洗选的物理方法分离出来。但是有机硫已经成为煤炭结构的有机组成部分。硫燃烧后在烟气中以SO?及少量SO?存在,SO?使烟气中的水蒸气露点大大升高。烟气中SO?及SO?能溶解于水变成H?SO?,它会导致锅炉低温受热面如空气预热器的金属腐蚀及诸灰。锅炉排放的烟气中,硫的化合物将会污染环境,对人类及动植物皆有害。我国大部分煤中硫酸盐硫含量很低,可忽略不计,而黄铁矿硫在硫分中占有较高的 比例。我国大部分动力煤的含硫量为1%~2%,南方有些地区的劣质煤的含硫量3%~5%没有的甚至高达10%。含硫量超过2%的燃料称为高硫燃料。燃用高硫燃料的锅炉,设计时应该重视减少低温腐蚀;为满足排放要求,需要采取脱硫措施。

    4.氧

       氧是燃料中的不可燃成分,可以燃料中的部分氢、碳等结合。氧的存在,使燃料中的碳、氢可燃成分相对减少,因此氧元素的存在会使燃料发热量有所下降。 一般氧含量的变化范围较大,如液体燃料仅含l %左右,固体燃料煤中的含氧量则随碳化程度的加深而减少,如无烟煤的含氧量为1 % ~2% ,而泥煤的含氧量可达40%。燃料中的氧一般不含水中的氧。

    5.氮

       氮也是燃料中的不可燃成分,氮元素的存在会使燃料发热量有所下降。一般氮的含量只占1%~2%。氮和氧在高温下形成氮氧化合物,包括 NO、N0?及N?O,这对生态环境极为有害。 目前,国内外都在研究能降低排烟中.NOx含量的燃烧设备,已取得了较大的进展。在设计燃烧设备时,应充分重视 NOx的原始排放问题。

    6.灰分

       灰分是燃料中不可燃的矿物杂质在燃烧时形成的产物。 灰分来自手矿物,但不同于矿物。 燃料燃烧后形成的灰分成分与原来燃料里的矿物成分不完全相同,因为在燃烧过程中有分解、化合等反应 。各种燃料的灰分含量相差较大,如气体燃料及液体燃料基本上不含灰分,固体燃料煤中灰含量为10% ~30% ,有些劣质煤的灰含量可达50%以上,油更岩的含灰量高达70% 。 灰分的来源有两个,一是形成燃料的物质本身的矿物质和燃料形成过程中进入的外来初物质,称为内在灰分;二是开采运输过程中掺杂进来的矿物质,如灰尘、沙土等,称为外在灰分。燃料中灰分含量高,不仅导致发热量減小,而且影响燃料的着火与燃烧 。 由于燃烧的烟气中灰分浓度大,使受热面易受污染而影响传热、降低效率,使受热面易磨损而減少寿命,因此对排烟中所含粉尘必须采用高效除尘措施,使含l尘降低至合格的排放指标,以减少向大气中的粉生排放。 对于灰分含量高于40%的劣质燃料,应该就地使用,不宜长途运输,否则经济上不合算 。灰分的熔点是非常重要的特性指标,简称灰熔点。该特性指标与灰中的成分及含量有关,大多数煤的灰分呈酸性,因其中含 Si02很多。 灰中各主要成分的熔化温度各不相同。灰分的熔点与成分含量有关。例如,当 SiO?,十A1?0?, 含量高,且 SiO?/A1?O?比值低(约为1.18)时,灰溶点大多较高;SiO2,/A1203 比值升高,则灰熔点降低 。灰熔点常用三个特征温度表示,即温度 DT、ST、FT。温度 DT为灰的开始变形温度, ST为灰的软化温度, FT为灰的熔化温度 。 其测定方法采用角锥法。将灰样研碎并加黏结剂制成角锥体,将它放入可观测的高温电炉中加热。 试样加热到一定温度时,角锥顶尖开始变形,该温度即为DT。再加热使角锥软化歪倒,此时的温度为ST。温度继续升高,当角锥开始熔化时,此温度即FT。DT、ST、FT温度对应的灰锥状。灰熔点的测量结果测量设备中的气氛有关,还原性气氛下测定的灰熔点比氧化性气氛中低,因此通常规定测量在半还原性气氛下进行。

    7.水分

       水分是燃料中不可燃成分。其含量变化很大,如液体燃料含水分1%~3%,固体燃料中埋藏年代短的年轻褐煤水分可达50%,如云南昭通褐煤;老年褐煤的水分也超过30%,如内蒙白音华褐煤。煤中水分有三种,及外部水分、内部水分、和结晶水分。外部水分是附着在颗粒内外表面的水分,包括表面水和大孔水。将煤样放在空气中自然干燥,很快会失去一部分水分,并达到空气平衡的状态,失去的这部分水分称外部水分。外部水分包括煤在矿层中吸收的地下水,还有存放和运输时遇雨雪,以为人为喷洒的水分。吸附在煤颗粒内部毛细孔中的水分为内部水分包括微孔水和闭孔水。将空气干燥下得到的煤样放到红向内,在375~378k下烘干,此过程失掉的水分称内部水分,内部水分也叫作固有水分。实际上在测量内在水分过程中,存在于闭孔中的水分可能会有部分无法释放出来,因此内在水分的测量值小于实际值。煤中一部分水与煤中的一些化合物结合,称为合水、结合水或结晶水。结晶水用加热方法不能测出,通常和闭孔中的内在水一起计在挥发分中,认为是挥发分的一部分。含水分大的燃料发热量低,不易着火、燃烧,而且在燃烧过程中水分的汽化要吸收热量,降低燃烧温度,使燃烧效率下降;同时,排烟热损失大,使锅炉效率降低;还易在低温处腐蚀设备;由于煤中水分含量打还易使制粉困难,需要用高温空气或烟气进行干燥;水分打的燃料也不利于运输。