第二章--锅炉燃料

第二章燃料及其燃烧特性第一节电站锅炉燃料一、燃料的分类燃料是指可以用来获取大量热能的物质。燃料是锅炉的“粮食”。分两类：核燃料和有机燃料。锅炉大都燃用有机燃料。有机燃料是通过燃烧可以放出大量热量的物质。尽管许多物质的反应都是放热反应，但作为燃料，应该：就单位数量而言，燃烧时能放出大量的热量；能方便而很好地燃烧；在自然界中蕴藏量丰富，能大量开采，价格低廉；燃烧产物对人体、动植物、环境等有较小危害或无害。燃料的基本特性第一节电站锅炉燃料表3-1燃料分类类别天然燃料人工燃料固体燃料木柴，泥煤，烟煤，石煤，油页岩木炭，焦炭，泥煤砖，煤矸石，甘蔗渣，可燃垃圾等液体燃料石油汽油，煤油，柴油，沥青，焦油气体燃料天然气高炉煤气，发生炉煤气，焦炉煤气，液化石油气按用途工艺燃料：指特殊工艺生产过程所需用的燃料，大都是优质燃料。动力燃料：指除了其燃烧放热可供利用外，在其他方面没有更大经济价值的燃料，这主要是劣质燃料。锅炉主要燃用劣质燃料，这些劣质燃料燃烧比较困难，而且会给锅炉工作带来许多不利影响。我国的燃料政策规定电站锅炉以燃煤为主，并且主要要燃用劣质煤。第一节电站锅炉燃料燃料特性是锅炉设计、运行的基础。不同燃料，要采用不同的燃烧设备和运行方式。了解燃料的性能、特点，才能设计出好的锅炉，才能保证锅炉运行的安全性和经济性。按我国电力部门惯例，设计锅炉须提供设计和校核煤种。只有采用最接近设计煤种的煤才能保证锅炉的设计性能，对于一台设计好的特定的锅炉来说，能使其达到最佳运行性能的煤才是最好的煤。第一节电站锅炉燃料煤种的变化煤炭市场供应紧张，电厂开始采购部分与设计煤种和校核煤种特性有较大差异的发电用煤。改变煤种必须有一定的科学依据，必须对可能要燃用的煤种进行有关特性的试验.要考虑到着火、灰熔点和燃尽等燃烧特性和对制粉系统出力的影响，以及对受热面的磨损、除尘性能等；在经过实验室试验后，合格的煤种还需要在锅炉上进行实际试烧。最后确定这些煤种是否能够替代原设计煤种或进行掺烧，并在保证锅炉安全运行的基础上获取经济效益。煤种的变化也会影响自动控制系统的调节特性。第一节电站锅炉燃料一、煤的元素分析煤的元素分析是指对煤中碳、氢、氧、氮、硫五种元素分析的总称。煤的元素分析结果用各种元素的质量百分数表示。第二节煤的元素分析和工业分析煤的组成特性煤是一种植物化石。古代丰茂的植物随地壳变动而被埋入地下，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CO、脱甲烷等反应，而后逐渐成为煤。表3—4各类煤的元素组成煤的类别dafC／％dafH／％dafO／％dafN／％褐煤60～774.5～6.615～301.0～2.5烟煤73～934.0～6.82～150.7～2.2无烟煤89～980.8～4.01～30.3～1.5第二节煤的元素分析和工业分析采用元素分析仪进行煤的元素分析时，一般直接测定出C、H、N和S的含量，而氧含量一般用差减法来计算：adadadsadtadadadadAMSSNHCO)()(100,,计算所得的氧含量，包括了对碳、氢、氮和硫等所有测定中的误差，是一个准确度不高的近似值。第二节煤的元素分析和工业分析二、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。第二节煤的元素分析和工业分析计算煤中水分、挥发分、固定碳和灰分等四种成分的质量百分数，称为煤的工业分析。煤的工业分析要在一定条件下进行，才能测定各种成分的质量百分数。按照国家标准(GB/T211一2007《煤的全水分测定法》及GB212一2008《煤的工业分析测定法》)的规定，测定方法有多种。二、煤的工业分析第二节煤的元素分析和工业分析煤的工业分析包括水分(M)、灰分(A)、挥发分(V)和固定碳(FC)。从广义上说，煤的工业分析还应包括全硫和发热量。M、A和V是通过测定得到，而FC则由差减法计算得到。利用工业分析结果可初步判断煤的性质，作为煤合理利用的初步依据。二、煤的工业分析第二节煤的元素分析和工业分析组成植物的有机质元素主要是碳、氢、氧和少量的氮、硫，因此也是煤的主要元素。在煤的形成、开采和运输过程中加入的水分和矿物质(燃烧后成为灰分)，也成为煤的组成成分。煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如元素分析成分组成和工业分析成分组成，就能满足电厂锅炉燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。煤的构成及特点第二节煤的元素分析和工业分析第三节煤的成分计算基准固、液体燃料由C、H、O、N、S五种元素及moisture、ash等组成，都以质量百分数含量计算，其总和为100%。水分和灰分的含量易受外界条件的影响而发生变化，水分或灰分的含量变化了，其他元素成分的含量也会随之而变化。所以不能仅用各成分的质量百分数来表示燃料的成分组成特性。计算各成分百分含量时，可将某种成分(例如水分或灰分)不计算在内。这样按不同的“成分组合”计算出来的各成分百分数就会有较大的差别。根据燃料存在的条件或根据需要而规定的“成分组合”称为基准。如果所用的基准不同，同一种煤的同一成分的百分含量结果便不一样。第三节煤的成分计算基准常用的基准有以下四种：(1)收到基(旧称应用基)。以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合称为收到基。对进厂原煤或炉前煤都应按收到基计算各项成分。收到基以下角标ar表示。arararararararMASNOHC=100%第三节煤的成分计算基准(2)空气干燥基(旧称分析基)。以与空气温度达到平衡状态的煤为基准，即供分析化验的煤样在实验室一定温度条件下，自然干燥失去外在水分，其余的成分组合便是空气干燥基。空气干燥基以下角标ad表示。adadadadadadadMASNOHC=100%第三节煤的成分计算基准①水分煤中水分的存在状态分为外在水分、内在水分和结晶水。外在水分和内在水分属于游离水，结晶水则为化合水。外在水分是指附着于煤粒表面的水和存在于直径大于10-5cm的毛细孔中的水分。这种水分的蒸汽压与纯水的蒸汽压相同，在常温下容易失去。在实验室中为制取分析煤样(空气干燥煤样)，一般在45～50℃下放置数小时，使其与大气温度相平衡以除去外在水分。含有外在水分的煤称为收到基煤(ar)，失去外在水分的煤称为空气干燥基煤(ad)。外在水分多少与外界条件及煤的粒度有关，而与煤质无关。第三节煤的成分计算基准(3)干燥基。以假想无水状态的煤为基准，以下角标d表示。干燥基中因无水分，故灰分不受水分变动的影响，灰分含量百分数相对比较稳定。ddddddASNOHC=100%第三节煤的成分计算基准内在水分是指吸附或凝聚在煤粒内部毛细孔(直径小于10-5cm)中的水分。由于毛细孔的吸附作用，这部分水的蒸汽压低于纯水的蒸汽压，故较难蒸发除去。把空气干燥煤在105～110℃的条件下，干燥1.0～1.5h所失去的水分称为内在水分。煤样在温度为30℃，相对湿度为96％的大气气氛中达到平衡时，即煤颗粒中毛细孔所吸附的水分达到饱和状态时，内在水分达到最高值，称为最高内在水分(MHC)。由于煤的孔隙率与煤化度有一定关系，因此，煤的最高内在水分也能在一定程度上反映煤化度。第三节煤的成分计算基准表3-5煤的最高内在水分和空气干燥基水分含量／％结晶水是指以化学方式与煤中矿物质结合的水，如存在于高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)和石膏(CaSO4·2H2O)中的水。结晶水需要在200℃以上才能从煤中分解析出。煤的外在水分和内在水分的总和称为全水分。工业分析一般只测定煤样的全水分和空气干燥煤样的水分。(4)干燥无灰基(旧称可燃基)。以假想无水、无灰状态的煤为基准，以下角标daf表示。dafdafdafdafdafCHONS=100%干燥无灰基因无水、无灰，故剩下的成分便不受水分、灰分变动的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫成分百分数最稳定的基准，可作为燃料分类的依据第三节煤的成分计算基准为什么要进行计算基准的换算由于煤质分析所使用的煤样是空气干燥基煤样，分析结果的计算是以空气干燥基为基准得出的，但在锅炉设计、计算时，是按实际进入锅炉的炉前煤、即收到基进行计算的，所以一方面要测定炉前煤的收到基水分，同时还要对煤的各种成分进行基准的换算。第三节煤的成分计算基准0Kxx式中0x—按原基准计算的某一成分的质量百分数，%；x—按新基准计算的同一成分的质量百分数，%；K—换算系数。换算公式为：第三节煤的成分计算基准换算系数第三节煤的成分计算基准工业分析成分也可用“收到基”、“干燥基”或“干燥无灰基”来表示。元素分析与工业分析成分间的关系如下：第四节煤的发热量及相关概念一、煤的发热量1.定义煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时所释放出的热量。单位是kJ/kg。煤的发热量常用下列三种规定值表示。二、发热量的测量(1)弹筒发热量。弹筒发热量是在实验室中用氧弹式量热计测定的实测值。氧弹式量热计如图2-2所示，其中的主要部件一一氧弹见图2-3。,adbQ第四节煤的发热量及相关概念图2-2氧弹式量热计1一外筒；2一内筒；3一外筒搅拌器；4一绝缘支柱；5一氧弹；6一盖子；7一内筒搅拌器；8一普通温度计；9一电动机10一贝克曼温度计；11一放大镜；12一振动器；13一记时指示灯；14一导杆图2-3氧弹1一进气管；2一弹筒；3一盖圈；4一弹簧环；5一进气阀；6一螺帽;7一电极柱；8一圆孔；9一针形阀；10一弹头;11一金属垫圈；12一橡胶垫圈；13一金属导杆；14一防火罩；15一燃烧皿测定方法是将约1g的煤样置于氧弹中，氧弹内充满压力为2.6～3MPa的氧气，点火燃烧，然后使燃烧产物冷却到煤的原始温度(约20～25℃)，在此条件下单位质量的煤所放出的热量即为弹筒发热量。这时，煤样中的碳完全燃烧生成二氧化碳;氢燃烧并经冷却生成液态水;硫和氮在氧弹内瞬时燃烧温度达1500℃左右，与过剩氧作用生成SO3，和NOx并溶于事先置于氧弹内的水中而形成硫酸和硝酸。生成酸的反应要放出热量，因而弹筒发热量要比在锅炉实际燃烧中煤释放出的热量要高，故实测出来的弹筒发热量还要经过换算成下列的两种发热量后才能使用。第四节煤的发热量及相关概念(2)高位发热量。煤在常压空气流中燃烧时，其中的硫只能生成，氮则会转化为游离氮，因此，便与在氧弹内的燃烧生成物不同。煤样在氧弹内燃烧时产生的热量(即弹筒发热量)减去硫和氮生成酸的校正值后所得的热量，称为高位发热量。高位发热量是煤在空气中完全燃烧时所放出的热量，能表征煤作燃料使用时的主要质量。第四节煤的发热量及相关概念(3)低位发热量netQ实际上在锅炉中所能利用的热量要比高位发热量要低。因此，煤的高位发热量减去煤样中水和燃烧时生成的水的蒸发潜热后的热值，称为低位发热量，这是在锅炉运行中煤的有效发热量。第四节煤的发热量及相关概念二、换算我国在锅炉设计和计算中，采用低位发热量。但煤的发热量又由弹筒式量热计中实测得来，测得的是弹筒发热量，因此要经过换算。由弹筒发热量换算成高位发热量公式，即)95(,,,,badbadbadgradQSQQ(3-8)式中gradQ,—分析试样的高位发热量，kJ/kg；badQ,—分析试样的弹筒发热量，kJ/kg；badS,—由弹筒洗液测得的含硫量，%；—硝酸生成热的比例系数。第四节煤的发热量及相关概念值与badQ,有关，当badQ,16700kJ/kg时，=0.001；当16700kJ/kgbadQ,25100kJ/kg时，=0.0012；当badQ,25100kJ/kg时，=0.0016。其中：第四节煤的发热量及相关概念由高位发热量换算为低位发热量公式，即arargrarnetarMHQQ23206,,由空气干燥基高位发热量gradQ,换算为收到基高位发热量gra