煤的燃烧特性综合实验

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1、 能 源 是 实 现 经 济 社 会 可 持 续 发 展 的 保 障 ， 是 人 类 赖 以 生 存 的 基 础 。 直 接影 响 到 世 界 经 济 的 发 展 。 煤 是 地 球 上 最 丰 富 的 化 石 燃 料 ， 目 前 约 占 世 界 能 源的 28%。 随 着 经 济 的 发 展 ， 能 源 结 构 在 优 化 ， 煤 消 费 结 构 在 变 小 。 然 而 ， 尽管 煤 消 费 的 比 例 在 变 小 ， 但 实 际 的 消 费 量 却 呈 快 速 上 升 的 趋 势 。 近 100多 年来 ， 煤 的 年 消 费 量 增 长 了 40倍 。 我 国 能 源 消 费 总 量 居

2、 世 界 第 三 。 尽 管 我 国 的 能 源 结 构 已 经 发 生 了 很 大 的变 化 ， 但 仍 没 有 摆 脱 以 煤 为 主 的 能 源 结 构 。 在 我 国 的 能 源 消 费 结 构 中 ， 煤 约占 整 个 一 次 能 源 消 耗 的 75%， 远 远 大 于 石 油 、 天 然 气 和 水 电 。 煤 是 一 种 有 机 矿 物 的 复 杂 聚 合 物 ， 由 于 成 煤 年 代 和 地 址 条 件 的 差 异 ，决 定 了 煤 的 物 理 化 学 特 性 的 差 异 ， 在 燃 烧 中 则 直 接 表 现 为 燃 烧 性 能 的 优 劣 。 国 内 外 对 燃 烧 性

3、 质 的 评 价 多 采 用 工 业 分 析 所 得 的 挥 发 分 作 为 依 据 ， 虽能 大 体 反 映 不 同 煤 燃 烧 的 难 易 程 度 ， 但 应 用 于 劣 质 煤 时 有 较 大 的 误 差 。 这是 由 于 只 有 在 煤 岩 组 成 相 近 情 况 下 ， 挥 发 分 才 能 作 为 燃 烧 特 性 的 判 定 依 据2。 采 用 单 一 指 标 作 为 煤 燃 烧 特 性 的 判 定 依 据 ， 无 法 全 面 反 映 煤 的 着 火和 燃 烧 这 一 复 杂 物 理 化 学 过 程 中 氧 气 扩 散 、 传 热 速 度 、 升 温 速 度 以 及 各 物理 化 学

4、 特 性 对 着 火 和 燃 尽 过 程 的 影 响 。 近 年 来 ， 又 提 出 了 氢 碳 比 、 固 定 碳与 挥 发 分 比 以 及 其 他 一 些 指 标 来 表 征 煤 燃 烧 性 能 的 优 劣 。 目 前 ， 在 我 国 的 水 泥 行 业 中 ， 特 别 是 在 干 法 水 泥 生 产 中 ， 对 煤的 燃 烧 问 题 给 予 了 越 来 越 多 的 关 注 。 传 统 方 法 中 仅 了 解 煤 的 工 业 分析 值 和 发 热 量 ， 即 评 价 煤 质 的 指 标 是 ： 挥 发 分 、 水 分 、 灰 分 、 固 定碳 含 量 和 发 热 量 ， 但 经 常 会 出

5、 现 工 业 分 析 值 和 发 热 量 相 近 的 煤 ， 而燃 烧 特 性 却 有 很 大 区 别 的 现 象 。 为 此 我 们 通 过 煤 的 工 业 分 析 、 发 热 量 的 测 定 等 传 统 分 析 方 法 和热 失 重 分 析 、 差 热 分 析 等 现 代 研 究 手 段 来 研 究 煤 的 燃 烧 特 性 ， 从 而达 到 合 理 选 用 燃 料 燃 烧 设 备 、 合 理 利 用 资 源 、 提 高 燃 烧 效 率 、 降 低生 产 消 耗 、 现 劣 质 煤 的 有 效 利 用 的 目 的 。 从 燃 烧 的 角 度 来 看 ， 各 种 不 同 燃 料 均 可 归 纳

6、 为 两 种 基 本 组 成 ： 可 燃 气 体如 H2、 CO及 CmHn等 固 态 炭 . 燃 烧 是 指 燃 料 中 的 可 燃 物 与 空 气 产 生 剧 烈 的 氧 化 反 应 ， 产 生 大 量 的 热 量并 伴 随 着 有 强 烈 的 发 光 现 象 。 燃 烧 有 两 种 类 型 : 普 通 的 燃 烧 ， 亦 即 正 常 的 燃 烧 观 象 。 靠 燃 烧 层 的 热 气 体 传 质 传 热 给 邻 近的 冷 可 燃 气 体 混 合 物 层 而 进 行 火 焰 的 传 播 。 通 常 燃 烧 的 火 焰 传 播 速 度 较 小 ，仅 每 秒 几 米 ， 燃 烧 时 压 力 变

7、 化 较 小 ， 一 般 可 视 为 等 压 过 程 。 爆 炸 性 燃 烧 ， 系 靠 压 力 波 将 冷 的 可 燃 气 体 混 合 物 加 热 至 着 火 温 度 以 上 而燃 烧 ， 火 焰 传 播 速 度 大 ， 约 为 1000 4000m/s。 通 常 是 在 高 压 、 高 温 下 进 行 。 一 般 窑 炉 中 燃 料 的 燃 烧 ， 属 于 普 通 的 （ 正 常 的 ） 燃 烧 。 发 热 量 ： 单 位 质 量 或 体 积 的 燃 料 完 全 燃 烧 ， 当 燃 烧 产 物 冷 却 到 燃 烧 前 的温 度 时 所 放 出 的 热 量 称 为 燃 料 的 发 热 量 或

8、 热 值 ， 单 位 为 kJ kg（ kJ/Nm3）或 MJ kg（ MJ Nm3） 。 高 位 发 热 量 Qgr,p（ 定 压 高 位 发 热 量 ， gross constant pressure） 是 燃 料完 全 燃 烧 ， 并 当 燃 烧 产 物 中 的 水 蒸 气 全 部 凝 结 为 水 的 所 放 出 的 热 量 ；低 位 发 热 量 Qnet,p （ 定 压 低 位 发 热 量 ， net constant pressure） 则 是 用燃 料 完 全 燃 烧 后 ， 其 燃 烧 产 物 中 的 水 蒸 气 仍 以 气 态 存 在 时 所 放 出 的 热 量 。为 方 便

9、表 示 ， 在 此 我 们 将 Qgr,p表 示 为 Qgr,将 Qnet,p表 示 为 Qnet。 常 用 矿 物 燃 料 的 分 类种 类 天 然 燃 料 人 工 燃 料固 体 燃 料 泥 煤 、 褐 煤 、 烟煤 、 无 烟 煤 、 油页 岩 、 木 柴 焦 炭 、 粉 煤液 体 燃 料 石 油 汽 油 、 煤 油 、 柴 油 、重 油 、 渣 油 等气 体 燃 料 天 然 气 、 石 油 拌气 、 矿 井 气 高 炉 煤 气 、 发 生 炉煤 气 、 炼 焦 炉 煤 气 、地 下 气 化 煤 气 等 燃 料 的 组 成 及 表 示 方 法 ， 随 燃 料 种 类 的 不 同 而 不 同

10、 。 常 用 元 素 分 析 法 和 工 业 分 析 法 来 表 示 固 体 、 液 体 燃 料 的 化 学组 成 。 根 据 元 素 分 析 法 ， 煤 中 物 质 是 由 碳 （ C） 、 氢 (H） 、 氧 （ O） 、硫 （ S） 、 氮 （ N） 五 种 元 素 及 灰 份 （ A） 和 水 分 （ M） 组 成 。 工 业 分 析 组 成 包 括 水 分 （ M） 、 灰 分 （ A） 、 挥 发 分 （ V） 和 固定 碳 （ FC） （ Fixed Carbon） 四 种 成 分 ， 其 总 量 为 100。 表 示 煤 组 成 的 常 用 基 准1） 收 到 基 （ as r

11、eceived） ： 指 使 用 单 位 收 到 的 煤 的 组 成 ， 也 即 是 实 际 使用 的 煤 的 组 成 。 在 各 组 成 的 右 下 角 以 “ ar” 表 示 。 Mar Var FCar十 Aar=100% 2） 空 干 基 （ air dry） ： 指 分 析 实 验 室 里 所 用 的 空 气 干 燥 煤 样 的 组 成 （ 将煤 样 在 20 和 相 对 湿 度 70 的 空 气 下 连 续 干 燥 1小 时 后 质 量 变 化 不 超 过0.1%， 即 认 为 已 达 到 空 气 干 燥 状 态 。 此 时 煤 中 水 分 已 与 大 气 达 到 平衡 ） 。 在

12、 各 组 成 的 右 下 角 以 “ ad” 表 示 。 Mad Vad FCad Aad=100 表 示 煤 组 成 的 常 用 基 准3） 干 燥 基 （ dry） ： 指 绝 对 干 燥 的 煤 的 组 成 。 这 种 基 准 不 受 煤 在 开 采 、 运 输和 贮 存 过 程 中 水 分 变 动 的 影 响 ， 能 比 较 稳 定 地 反 映 成 批 贮 存 煤 的 真 实 组 成 ，在 各 组 成 的 右 下 角 以 “ d” 表 示 。 4） 干 燥 无 灰 基 （ dry ash free） ： 指 假 想 的 无 水 无 灰 的 煤 的 组 成 ， 由 于 煤 的灰 分 在

13、开 采 、 运 输 或 洗 煤 过 程 中 要 发 生 变 化 ， 故 除 去 灰 分 和 水 分 后 的 煤 组成 ， 可 排 除 外 界 条 件 的 影 响 。 该 基 准 在 各 组 成 的 右 下 角 以 “ daf” 表 示 。 不 同 基 准 之 间 的 换 算已 知 的 基 所 要 换 算 的 基收 到 基 空 气 干 燥基 干 燥 基 干 燥 无 灰 基收 到 基 1 (100-Mad)/(100-Mar) 100/(100-Mar) 100/(100-Mar-Aar)空 气 干 燥基 (100-Mar)/(100-Mad) 1 100/(100-Mad) 100/ (100-

14、Mad-Aad)干 燥 基 (100-Mar)/100 (100-Mad)/100 1 100/(100-Ad)干 燥 无 灰基 (100-Mar-Aar)/100 (100-Mad-Aad)/100 (100-Ad)/100 1 工 业 分 析 组 成 并 不 是 燃 料 的 原 始 组 成 ， 而 是 在 一 定 条 件 下 ， 用 加热 的 方 法 将 燃 料 中 极 为 复 杂 的 成 分 加 以 分 解 和 转 化 而 得 到 的 。 根 据 工 业 分 析 组 成 ， 就 可 以 初 步 判 断 燃 料 的 种 类 、 性 质 和 工 业 用途 。 工 业 分 析 是 动 力 燃

15、料 成 分 分 析 的 一 个 重 要 项 目 。 通 常 ， 将 空 气 干 燥 后 煤 样 放 在 烘 箱 中 在 102 105 下 加 热 至 干 燥状 态 ， 这 样 失 去 的 水 分 被 称 为 内 在 水 分 或 固 有 水 分 。 取 出 称 量 ， 若 水分 2 % 不 进 行 检 查 性 干 燥 ， 否 则 需 进 行 检 查 性 干 燥 ， 步 骤 是 将 样品 重 新 放 入 干 燥 箱 中 烘 干 ， 每 次 30分 钟 ， 再 称 量 ， 直 至 恒 重 （ 即 质 量减 少 小 于 0.001克 或 增 重 ） 为 止 。 以 增 重 前 的 一 次 称 量 结

16、 果 来 计 算 水分 。 灰 分 （ A） 是 指 煤 在 815 燃 烧 后 的 残 留 物 ， 是 煤 中 矿 物 质 的转 化 产 物 。 （ 若 灰 分 15% 不 进 行 检 查 灼 烧 ， 否 则 需 进 行 检 查 性灼 烧 ， 步 骤 是 将 样 品 重 新 放 入 马 弗 炉 中 灼 烧 ， 每 次 20分 钟 ， 再 称量 ， 直 至 恒 重 （ 即 质 量 减 少 小 于 0.001克 或 增 重 ） 为 止 。 以 增 重 前的 一 次 称 量 结 果 来 计 算 灰 分 。 ） 挥 发 分 （ V） 是 指 在 隔 绝 空 气 的 条 件 下 ， 将 煤 加 热 到

17、 900保 温 7分 钟 ， 从 煤 中 有 机 质 分 解 出 来 的 气 体 产 物 。 主 要 仪 器 设 备 测 量 原 理 ： 煤 发 热 量 的 测 定 原 理 很 简 单 ， 即 设 法 测 定 一 定 量 试 样在 完 全 燃 烧 时 放 出 的 热 量 。 目 前 常 用 的 是 伯 斯 路 特 于 1881年 发 明 的 氧弹 方 法 ， 把 一 定 量 的 试 样 放 在 密 闭 的 充 氧 弹 筒 （ 俗 称 氧 弹 ） 中 完 全 燃烧 。 氧 弹 置 于 盛 水 的 内 筒 中 ， 并 被 水 完 全 浸 没 。 根 据 内 筒 水 温 的 升 高 ，计 算 出 试

18、 样 的 发 热 量 。 由 于 测 定 时 ， 试 样 完 全 燃 烧 放 出 的 热 量 不 仅 被 水 吸 收 ， 亦 被 弹 筒自 身 、 内 筒 、 搅 拌 器 和 量 热 温 度 计 等 装 置 吸 收 ， 这 些 装 置 统 称 为 量 热系 统 。 该 量 热 系 统 本 身 具 有 热 容 量 （ 亦 称 水 当 量 ） ， 需 用 已 知 标 准 发热 量 的 物 质 （ 如 苯 钾 酸 ） 进 行 标 定 ， 求 出 该 系 统 的 仪 器 常 数 。 主 要 的 仪 器 设 备 1. 煤 粉 的 热 解 特 性 煤 的 热 解 是 指 煤 在 加 热 过 程 中 释 放

19、 出 气 体 （ 挥 发 分 ） 的 过 程 。 热 解 研 究 应 包 括 两 个 方 面 ： 气 态 成 分 的 生 成 过 程 和 固 态 成 分 的 孔 隙结 构 及 形 态 变 化 。 通 常 所 谈 到 的 煤 的 热 解 特 性 仅 指 挥 发 分 的 析 出 特 性 。 实 验 证 明 1.400 之 前 ， 基 本 上 只 有 CO2析 出 2.在 在 400 600 ， C2H4、 C2H6、 CO、 CH4和 H2相 继 达 到 最 大 值 ， 同 时焦 油 也 在 形 成 ； 3.在 600 以 后 主 要 是 H 2和 CO析 出 ， 并 达 到 最 大 值 。 4.

20、通 常 工 业 生 产 中 所 用 到 的 挥 发 分 含 量 是 煤 的 工 业 分 析 挥 发 分 含 量 ，它 是 按 我 国 标 准 规 定 ， 将 干 燥 的 煤 样 放 在 有 盖 坩 埚 内 ， 在 900 10的 马 弗 炉 中 加 热 7min， 煤 样 所 失 去 的 重 量 。 2 煤 粉 的 着 火 特 性 以 煤 着 火 机 理 研 究 、 煤 粉 的 着 火 特 性 实 验 研 究 及 评 判为 主 要 内 容 煤 粉 着 火 机 理 的 研 究 已 有 长 达 一 个 多 世 纪 的 历 程 ， 其中 一 个 主 要 的 争 论 是 ,煤 的 着 火 是 均 相

21、还 是 非 均 相 的 。 均 相 着 火 :一 般 是 指 煤 中 的 挥 发 分 热 解 、 聚 积 到 一 定 程度 发 生 的 着 火 。 非 均 相 着 火 :是 指 氧 气 扩 散 到 焦 炭 表 面 ， 直 接 与 颗 粒 发生 反 应 而 着 火 。 3 煤 粉 的 燃 尽 特 性 焦 炭 的 非 均 相 燃 烧 过 程 控 制 着 煤 粉 燃 烧 的 总 速 度 ，为 国 内 外 学 者 所 关 注 。 研 究 内 容 ： 碳 与 氧 的 反 应 机 理 和 燃 烧 反 应 速 度 。 对于 碳 与 氧 的 反 应 机 理 ， 一 般 认 为 碳 与 氧 反 应 时 一 氧

22、化碳 和 二 氧 化 碳 都 是 其 主 要 产 物 ， 两 种 产 物 之 比 随 温 度上 升 而 增 加 ， 并 与 碳 的 种 类 有 关 。 煤 焦 的 燃 烧 速 度 取决 于 焦 的 化 学 反 应 速 度 和 气 流 的 扩 散 速 度 4 着 火 点 及 着 火 方 式 的 确 定 着 火 点 的 确 定 ： 将 热 天 平 置 于 一 封 闭 炉 中 ， 加 热 炉 缓 慢 升 温 ， 记 录 炉 内分 别 为 空 气 及 氮 气 情 况 下 煤 （ 煤 焦 ） 的 失 重 曲 线 。 将 这 两 条 曲 线 画 在 一个 图 中 ， 则 当 曲 线 出 现 分 离 点 时

23、 就 表 明 颗 粒 着 火 了 （ 即 焦 炭 着 火 了 ） 。 着 火 方 式 判 断 ： 均 相 着 火 还 是 非 均 相 着 火 、 联 合 着 火 方 式 的 确 定 。 5. 燃 尽 动 力 学 参 数 的 确 定 将 各 煤 样 制 成 颗 粒 直 径 1000 m-5000 m的 圆 球 ， 在 105 下 烘 干 1小时 放 入 带 盖 坩 埚 ， 再 于 850 无 氧 状 态 下 加 热 至 恒 重 ， 得 到 煤 焦 ， 放 入 干燥 器 内 备 用 ， 同 时 测 得 各 煤 焦 密 度 c。 将 炉 温 设 置 在 850 ， 炉 内 气 氛为 自 然 空 气

24、， 高 温 进 样 测 得 各 煤 焦 重 量 与 时 间 的 对 应 关 系 ， 当 燃 烧 产 物重 量 变 化 量 在 300秒 内 均 少 于 0.5%时 ,认 为 实 验 结 束 。 6. 特 性 指 数 的 确 定 华 中 理 工 大 学 孙 学 信 挥 发 份 释 放 特 性 指 数 D和 煤 的 燃 烧 特 性指 数 S， 即 ： 3/1m a xm a x)/( TTd td wD v himean TTdtdwdtdwS 2m ax )/()/( 式 中 ： (dw/dt)vmax 为 挥 发 分 最 大 释 放 速 度 ,Tmax为 其 对应 的 温 度 ； T1/3是

25、(dw/dt)v/(dw/dt)vmax=1/3时 对 应 的 温 度 区 间 。 (dw/dt)max为 煤 的 最 大 燃 烧 速 度 , (dw/dt)mean为 平 均 燃烧 速 度 ， Ti为 着 火 温 度 ， Th为 燃 尽 时 对 应 的 温 度 。 6. 特 性 指 数 的 确 定清 华 大 学 的 付 维 标 等 提 出 煤 粉 着 火 特 性 的 指 数 Fz， 即 ：100)( 2 adadad FCMVFz清 华 大 学 韩 洪 樵 提 出 煤 的 综 合 可 燃 性 指 标 S： 5.05.1m ax10m ax )/()/( fttdtdwdtdwS 7 实 验

26、方 法 (1)热 失 重 分 析 法 （ 煤 燃 烧 实 验 3） 又 称 热 天 平 法 。 煤 的 燃 烧 过 程 是一 个 重 量 损 失 过 程 ， 因 此 通 过 分 析失 重 -温 度 或 失 重 -时 间 曲 线 可 以 获得 许 多 煤 燃 烧 的 信 息 。 (2)差 热 分 析 法 （ 煤 燃 烧 实 验 4） 差 热 分 析 的 基 本 原 理 是 ： 差 热 分 析 是 把 试 样 与 参 比 物 质 ， 置 于 差热 电 偶 的 热 端 所 对 应 的 两 个 样 品 座 内 ， 在 同一 温 度 场 中 加 热 。 当 试 样 加 热 过 程 中 产 生 吸热 或

27、放 热 效 应 时 ， 试 样 的 温 度 就 会 低 于 或 高于 参 比 物 质 的 温 度 ， 差 热 电 偶 的 冷 端 就 会 输出 相 应 的 差 热 电 势 。 通 过 检 流 计 偏 转 与 否 来检 测 差 热 电 势 的 正 负 ， 就 可 推 知 是 吸 热 或 放热 效 应 。 在 与 参 比 物 质 对 应 的 热 电 偶 的 冷 端连 接 上 温 度 指 示 装 置 ， 就 可 检 测 出 物 质 发 生物 理 化 学 变 化 时 所 对 应 的 温 度 。 煤 的 工 业 分 析 （ 参 照 实 验 指 导 书 ） 煤 的 发 热 量 （ 参 照 实 验 指 导

28、书 ） 着 重 介 绍 热 失 重 数 据 的 分 析 与 处 理 热 失 重 数 据 的 分 析 与 处 理 数 据 处 理 软 件 介 绍 Excel Origin Origin作 为 一 个 强 大 的 基 于 图 形 化 的 数 据 作 图软 件 ， 尽 管 其 功 能 非 常 繁 多 和 强 大 ， 但 使 用 起 来 还是 非 常 简 单 。 8. 燃 尽 时 对 应 温 度 的 确 定 燃 尽 度 ： 已 燃 烧 的 可 燃 质 份 额 ： 燃 尽 度 m0： 样 品 的 原 始 质 量 m： 某 一 时 刻 样 品 的 质 量 m ： 不 能 分 解 的 残 余 物 质 质 量 %10000 mm mm 9. 特 性 指 数 的 测 定 挥 发 份 释 放 特 性 指 数 D 煤 的 燃 烧 特 性 指 数 S 3/1maxmax)/( TTdtdwD v ThTidtdwdtdwS mean 2m ax )/()/( 9. 特 性 指 数 的 测 定 煤 粉 着 火 特 性 的 指 数 Fz 100)( 2 fff CWVFz 煤 的 综 合 可 燃 性 指 标 S 5.05.1m ax10m ax )/()/( fttdtdwdtdwS