第一章燃料的基础知识

1课程性质、目的和任务本课程由《电厂燃料》和《电力用油》两部分组成，是一门理论和应用并重的课程，它的任务是使学生通过对本课的学习，能了解和掌握动力燃料的基本知识及其物理化学特性和煤质分析的方法；了解和掌握电力用油和六氟化硫绝缘气体的物化性质，质量指标的检验、监督和运行的基础知识。从而为学生在电力系统或相关专业部门从事生产和科研打下必要的基础。电厂燃料能源工业是国民经济的基础。我国发展电力的基本特点，是以燃煤为基础，以火电为主，煤电占总发电量的80％。从提高发电效率、节约能源和解决环保三方面来考虑，走可持续发展的道路。电力燃料，特别是电煤质量与上述三方面都有着十分密切的关系。2002年原国家电力公司直供燃煤发电厂耗煤总量达3.68亿吨，数以万计的科技人员直接从事燃料监督和试验工作。随着电力生产的发展，锅炉机组容量日益增大，就需要提供数量更多，质量更好的电力燃料。了解和掌握动力燃料的基本知识及其物理化学特性，切实做好火电厂燃料的采制样及化验工作，对降低发电成本，确保锅炉机组的安全经济运行，具有极其重要的意义。第一章燃料基础知识第一节煤的形成、组成和特性一、煤的形成煤是由古代植物形成的。植物分低等植物和高等植物两大类。在地球上储量最多的煤由高等植物形成，统称为腐植煤，即现代被广泛使用的褐煤、烟煤和无烟煤等。高等植物的有机化学组成主要为纤维素和本质素，此外还有少量蛋白质和脂类化合物等；无机化学组成主要为矿物质。古代植物随地壳运动而被埋入地下，经过长期的细菌生物化学作用以及地热高温和岩层高压的成岩、变质作用，使植物中的纤维素、木质素发生脱水、脱一氧化碳、脱甲烷等反应，而后逐渐成为含碳丰富分可燃性岩石，这就是煤。该过程成为煤化作用，它是一个增碳的碳化过程。根据煤化程度的深浅、地质年代长短以及含碳量多少可将煤划分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类，其演化过程可用下列框图说明。组成植物质的有机元素主要为碳、氢、氧和少量氮、硫和磷。这些元素在成煤过程中随2着地质年代的增长，变质程度加深，含碳量逐步增加，氢和氧逐步减少，硫和氮则变化不大。413OHCH21415CO31416OH251816COOH3102417HCOHCOHCOHCOHC242222无烟煤烟煤褐煤泥炭植物、－－－－、－－二、煤的组成煤在成煤过程漫长的地质年代中，其原始的组成和结构发生了变化，形成一种新物质。煤是由多种结构形式的有机物（或称煤素质），与少量种类不同的无机物（或称矿物质）组成的混合物。煤中有机物的基本结构单元，主要是带有侧链和官能团的缩合芳香核体系，随着变质程度的加深，基本结构单元中六碳环的数目不断增加，而侧链和官能团则不断减少。煤中无机物的组成极为复杂，所含元素多达数十种，常以硫酸盐、碳酸盐（主要是钙、镁、铁等盐)、硅酸盐(铝、钙、镁、钠、钾)、黄铁矿（硫）等矿物质的形态存在。此外还有一些伴生的稀有元素，如锗(Ge)、硼(B)、铍(Be)、钴(Co)、钼(Mo)等。煤仅作为能源使用时，就没有必要对其化学结构作详尽的了解，只从热能利用（即燃料的燃烧）方面去分析和研究煤的组成，基本上就能够满足电力生产的要求。在工业上常将煤的组成划分为工业分析组成和元素分析组成两种。了解这两种组成就可以为煤的燃烧提供基本数据。工业分析组成是用工业分析法测出的煤的不可燃成分和可燃成分，不可燃成分为水分和灰分；可燃成分为挥发分和固定碳。这四种成分的总量为100。元素组成的固态物质）固定碳（主要由元素组成的气态物质）、、、、挥发分（由（可燃成分）有机物等元素的无机矿物质）、、、灰分（主要为含内在水分）水分（包括外在水分和（不可燃成分）无机物煤CSNOHCFeSiAlCa工业分析法带有规范性，所得的组成与煤的固有组成完全不同，但它给煤的工艺利用带来很大的方便。工业分析法采用了常规重量分析法，以重量百分比计量各组成，可得到可靠的百分组成。这有利于煤质计量、煤种划分、煤质评估、用途选择、商品计价等。元素分析组成是用元素分析法测出煤中的化学元素分析组成，该组成可示出煤中某些有机元素的含量。元素分析组成包括C、H、O、N、S五种元素，这五种元素加上水分和灰分，其总量为100。元素分析结果对煤质研究、工业利用、锅炉设计、环境质量评价等都是极为有用的资料。三、煤的性质煤的性质指煤的物理性质、化学性质和工艺性质。这些性质都与成煤的原始物质、聚积环境、地质条件和煤化程度有关。作为动力用煤的主要性质包括发热量、可磨性、煤粉细度、煤灰熔融性、密度（包括真（相对）密度、视（相对）密度和堆积密度）、着火点。1．发热量（Q）煤的发热量，又称为煤的热值，即单位质量的煤完全燃烧所发出的热量。煤的发热量是煤按热值计价的基础指标。煤作为动力燃料，主要是利用煤的发热量，发热量愈高，其经济价值愈大。同时发热量也是计算热平衡、热效率和煤耗的依据，以及锅炉3设计的参数。2．可磨性煤的可磨性是指煤研磨成粉的难易程度。用可磨性指数表示，符号为HGI（哈氏指数）。它具有规范性，无量纲。其规范为规定粒度下的煤样，经哈氏可磨仪，用规定的能量研磨后，在规定的标准筛上筛分，称量筛上煤样质量，并由用已知哈氏指数标准煤样绘制的标准曲线上查得该煤的哈氏指数。它是设计和选用磨煤机的重要依据。3．煤粉细度(finenessofpulverizedcoal)煤粉细度是指煤粉中各种大小尺寸颗粒煤的重量百分含量，它表征煤粉颗粒分布的均匀程度。通常以90μm和200μm筛上煤粉量来表示。它可用筛分法确定，即使煤粉通过一定孔径的标准筛，计量筛上煤粉重量占试样重量的百分数。符号为Rx，下标为标准筛孔径。在一定的燃烧条件下，煤粉细度对磨煤能量耗损和燃烧过程中的热损失有较大影响。4．煤灰熔融性煤灰熔融性又称灰熔点，是动力和气化用煤的重要指标。煤灰是煤中可燃物质燃烬后的残留物，由各种矿物质组成的混合物，没有一个固定的熔点，只有一个熔化温度的范围。当煤灰受热时，它由固态逐渐向液态转化而呈塑性状态。煤灰熔融性就是表征煤灰在高温下转化为塑性状态时，其粘塑性变化的一种性质。煤灰在塑性状态时，易粘附在金属受热面或炉墙上，阻碍热传导，破坏炉膛的正常燃烧工矿。所以煤灰的熔融性是关系锅炉设计、安全经济运行等问题的重要性质。表示熔融性的方法具有较强的规范性，它是将煤灰制成三角锥体，在规定的条件下加热，根据其形态变化而规定的三个特征温度：即DT（变形温度）、ST（软化温度）和FT（熔化温度）。一般用ST评定煤灰熔融性。5．真（相对）密度、视（相对）密度和堆积密度煤的真（相对）密度定义为在20℃时煤（不包括煤的孔隙）的质量与同温度、同体积水的质量之比，符号为TRD，无量纲。视（相对）密度定义为在20℃时煤（包括煤的孔隙）的质量与同温度、同体积水的质量之比，符号为ARD，无量纲。堆积密度是指单位体积（包括煤粒的体积和煤粒间的空隙）中所含煤的质量，单位为g/cm3。真密度用于煤质研究、煤的分类、选煤或制样等工作。视密度用于煤层储量的估算。而堆积密度在火电厂中，主要用于计算进厂商品煤装车量以及煤场盘煤。6．着火点煤的着火点或称着火温度，是将煤加热到开始燃烧时的温度，也称煤的燃点，临界温度和发火温度，单位为℃。它的测定具有规范性，使用不同的测试方法，对同一煤样，着火点的值也会不同。一般是将氧化剂加入或通入煤中，对煤进行加热，使煤发生爆燃或有明显的升温现象，然后求出煤爆燃或急剧升温的临界温度，作为煤的着火点。我国测定着火点时采用亚硝酸钠做氧化剂，在燃点测定仪中进行测定。着火点与煤的风化、自燃、燃烧、爆炸等4有关，所以它是一项涉及安全的指标。第二节煤的基准一、基准表示法由于煤中水分和灰分的含量受到外界条件的影响，其它成分的百分量亦将随之变更，所以不能简单地用成分百分量来表明煤的种类和某些特性，而必须同时指明百分数的基准是什么。“基”即是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的。煤质分析中常用的“基”有空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。1．收到基(asreceivedbasis)收到基（旧称应用基），是以进入锅炉房原煤仓内(或进入贮煤场内)的煤作为基准，表示符号为ar。其表达式为Car十Har十Oar十Nar十Sar十Aar十Mar＝100％FCar十Var十Aar十Mar＝100％收到基成分含量反映了煤作为收到状态下的各成分含量。锅炉热力计算均采用收到基成分。2．空气干燥基(airdrybasis)空气干燥基是指把在实验室经过自然风干后的煤作为基准（以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。表示符号为ad），用下式表示Cad＋Had＋Oad＋Nad＋Sad＋Aad＋Mad＝100％FCad＋Vad＋Aad＋Mad＝100％空气干燥基成分含量一般在实验室内作煤样分析时采用。3．干燥基(drybasis)干燥基是指以完全干燥状态(去掉全水分)的煤作为基准，表示符号为d。以下式表示：Cd＋Hd＋Od十Nd十Sd十Ad＝100％FCd十Vd十Ad＝100％由于干燥基成分不受水分含量的影响，所以用Ad来表示煤中的灰分含量更为准确。4．干燥无灰基(dryash-freebasis)干燥无灰基是指以假想无水无灰状态下的煤作为基准，表示符号为daf。用下式表示：Cdaf十Hdaf干Odaf十Ndaf十Sdaf＝100％FCdaf十Vdaf＝100％由于干燥无灰基成分既不受水分含量的影响，又不受灰分含量的影响比较稳定，所以常用来表示煤的挥发分含量。上述的煤的成分及各种分析基准之间的关系，可用下图所示。5必须指出：收到基是包括煤中全水分的成分组合。全水分中的外在水分变易性较大，由煤矿发出的煤到火电厂收到的煤或进锅炉燃烧的煤都是用收到基表示其成分组合。但由于时间、空间等条件的差异，水分会有较大的变化，因此，同一种煤虽是按同一的收到基计算出来的成分百分含量，也会有差异。此时应根据实际情况对分析结果给予合理地处理。煤的成分和特性（即煤质分析项目）通常都是用一定符号表示，对于某些成分，由于它在煤中的有多种形态或分析化验时的条件、方法不同，使用单一的符号还不能完全表明其含义。例如水分有内在水分和外在水分；硫有有机硫、硫酸盐硫和硫化铁硫等。为了区分诸如此类的差异，通常在符号的右下角外附加符号注明。国际标准《煤质分析试验方法一般规定》中对煤质分析项目的符号作了同一规定，即采用国际标准化组织规定的符号。总结如下：表1.2煤质符号表项目英文新符号旧符号工业分析成分水分MoistureMW灰分AshAA挥发分VolatileMatterVV固定碳FixedCarbonFCCGD元素分析成分碳CarbonCC氢HydrogenHH氧OxygenOO氮NitrogenNN硫SulfurSS各项性质发热量CalorificValueQQ真密度TrueRelativeDensityTRDd视密度ApparentRelativeDensityARDdsh哈氏指数HardgroveGrindabilityIndexHGIKHG灰熔融性变形温度DeformationTemperatureDTT1软化温度SofteningTemperatureSTT2流动温度FluidTemperatureFTT36表1.3煤质项目存在状态和条件符号项目外在水分内在水分全水分有机硫硫酸盐硫硫化铁硫全硫弹筒硫高位发热量低位发热量弹筒发热量碳酸盐二氧化碳英文FreeMoistureInherentMoistureTotalMoistureOrganicSulfurSulfateSulfurPyreticSulfurTotalSulfurGrossCalorificValueNetCalorificValueBombCalorificValueCarbonDioxideinCarbonate新符号MfMinhMtSOSSSPStSbQgrQnetQbCO2旧符号WWZWNZWQSYJSLYSLTSQSDTQGWQDWQDT(CO2)TS表1.4煤质基准符号名称（旧名称）收到基（