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的28%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。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100100多年多年来，煤的年消费量增长了来，煤的年消费量增长了4040倍。倍。 我国能源消

2、费总量居世界第三。尽管我国的能源结构已经发生了很大的我国能源消费总量居世界第三。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占整个一次能源消耗的75%75%，远远大于石油、天然气和水电。，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，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。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

3、性能的优劣。 国内外对燃烧性质的评价多采用工业分析所得的挥发分作为依据，虽国内外对燃烧性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22。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。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、升温速度以及各物和燃烧这一复杂物理化学

4、过程中氧气扩散、传热速度、升温速度以及各物理化学特性对着火和燃尽过程的影响。近年来，又提出了氢碳比、固定碳理化学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。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、固定析值和发热量，即评价煤质的指标是：挥发分、水分、

5、灰分、固定碳含量和发热量，但经常会出现工业分析值和发热量相近的煤，而碳含量和发热量，但经常会出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。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。生产消耗、现劣质煤的有效利用的目的。 从

6、燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成：可燃气体从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成：可燃气体如如H H2 2、COCO及及CmHnCmHn等固态炭等固态炭. . 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。并伴随着有强烈的发光现象。 燃烧有两种类型燃烧有两种类型: : 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，的冷

7、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，燃烧时压力变化较小，一般可视为等压过程。仅每秒几米，燃烧时压力变化较小，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，约为燃烧，火焰传播速度大，约为10004000m/s10004000m/s。通常是在高压、高温下进行。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。一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。发热量发热量：单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到

8、燃烧：单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧 前的前的温度时所放出的热量称为燃料的发热量或热值，单位为温度时所放出的热量称为燃料的发热量或热值，单位为kJkJkgkg（kJ/NmkJ/Nm3 3）或或MJMJkgkg（MJMJNmNm3 3）。）。 高位发热量高位发热量Qgr,pQgr,p（定压高位发热量，（定压高位发热量，gross constant pressuregross constant pressure）是燃料）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；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；低位发热量低位发热量Qnet,pQ

9、net,p （定压低位发热量，（定压低位发热量，net constant pressurenet constant pressure）则是用）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。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。为方便表示，在此我们将为方便表示，在此我们将Qgr,pQgr,p表示为表示为Qgr,Qgr,将将Qnet,pQnet,p表示为表示为QnetQnet。常用矿物燃料的分类常用矿物燃料的分类种类种类天然燃料天然燃料人工燃料人工燃料固体燃料固体燃料泥煤、褐煤、烟泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤、油煤、无烟煤、油页岩、木柴页岩、木柴焦炭、

10、粉煤焦炭、粉煤液体燃料液体燃料石油石油汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、重油、渣油等重油、渣油等气体燃料气体燃料天然气、石油拌天然气、石油拌气、矿井气气、矿井气高炉煤气、发生炉高炉煤气、发生炉煤气、炼焦炉煤气、煤气、炼焦炉煤气、地下气化煤气等地下气化煤气等 燃料的组成及表示方法，随燃料种类的不同而不同。燃料的组成及表示方法，随燃料种类的不同而不同。 常用元素分析法和工业分析法来表示固体、液体燃料常用元素分析法和工业分析法来表示固体、液体燃料 的化学的化学组成。组成。 根据元素分析法，煤中物质是由碳（根据元素分析法，煤中物质是由碳（C C）、氢）、氢(H(H）、氧（）、氧（O O）、）、硫（硫

11、（S S）、氮（）、氮（N N）五种元素及灰份（）五种元素及灰份（A A）和水分（）和水分（M M）组成。）组成。 工业分析组成包括水分（工业分析组成包括水分（M M）、灰分（）、灰分（A A）、挥发分（）、挥发分（V V）和固）和固定碳（定碳（FCFC）（）（Fixed CarbonFixed Carbon）四种成分，其总量为）四种成分，其总量为100100。 表示煤组成的常用基准表示煤组成的常用基准1 1）收到基（）收到基（as receivedas received）：指使用单位收到的煤的组成，也即是实际使）：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用的煤的

12、组成。在各组成的右下角以“ar”ar”表示。表示。 MarMarVarVarFCarFCar十十Aar=100%Aar=100% 2 2）空干基（）空干基（air dryair dry）：指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成（将）：指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成（将煤样在煤样在2020和相对湿度和相对湿度7070的空气下连续干燥的空气下连续干燥1 1小时后质量变化不超过小时后质量变化不超过0.1%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，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）。在各组成的右下角以衡）。在各组成的右下角以“ad”ad”表示。表示。

13、 MadMadVadVadFCadFCadAad=100Aad=100 表示煤组成的常用基准表示煤组成的常用基准3 3）干燥基（）干燥基（drydry）：指绝对干燥的煤的组成。这种基准不受煤在开采、运输）：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，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在各组成的右下角以“d”d”表示。表示。 4 4）干燥无灰基（）干燥无灰基（dry ash freedry ash free）：指假想的无水无灰的煤的组成，由于煤的）：指假想的无水无灰的煤的组成，

14、由于煤的灰分在开采、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灰分在开采、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成，可排除外界条件的影响。该基准在各组成的右下角以“daf”daf”表示。表示。 不同基准之间的换算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)1100/(100-Mad)100/ (100-Mad-Aad)干燥基(100-Mar)/

15、100(100-Mad)/1001100/(100-Ad)干燥无灰基(100-Mar-Aar)/100(100-Mad-Aad)/100(100-Ad)/1001 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。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。工业分析是动力燃料成分分析的一个重要项目。途。工业分析是动力燃料成分分析的一个重要项目。 通常，将

16、空气干燥后煤样放在烘箱中在通常，将空气干燥后煤样放在烘箱中在102102105105下加热至干燥下加热至干燥状态，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，若水分分 2 % 2 % 不进行检查性干燥，否则需进行检查性干燥，步骤是将样不进行检查性干燥，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，每次品重新放入干燥箱中烘干，每次3030分钟，再称量，直至恒重（即质量分钟，再称量，直至恒重（即质量减少小于减少小于0.0010.001克或增重）为止。以增重前的一次称量结果来计算水克或增重）为止。以增重前的一次称量结果来计算

17、水分。分。 灰分（灰分（A A）是指煤在）是指煤在815815燃烧后的残留物，是煤中矿物质的燃烧后的残留物，是煤中矿物质的转化产物。（若灰分转化产物。（若灰分 15% 15% 不进行检查灼烧，否则需进行检查性不进行检查灼烧，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，每次灼烧，步骤是将样品重新放入马弗炉中灼烧，每次2020分钟，再称分钟，再称量，直至恒重（即质量减少小于量，直至恒重（即质量减少小于0.0010.001克或增重）为止。以增重前克或增重）为止。以增重前的一次称量结果来计算灰分。）的一次称量结果来计算灰分。） 挥发分（挥发分（V V）是指在隔绝空气的条件下，将煤加热到）是

18、指在隔绝空气的条件下，将煤加热到900900保温保温7 7分钟，从煤中有机质分解出来的气体产物。分钟，从煤中有机质分解出来的气体产物。主要仪器设备主要仪器设备 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在完全燃烧时放出的热量。目前常用的是伯斯路特于18811881年发明的氧年发明的氧弹方法，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，烧。氧弹置于盛水的

19、内筒中，并被水完全浸没。根据内筒水温的升高，计算出试样的发热量。计算出试样的发热量。 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。热量的物质（如苯钾酸）进行标定，求出该系统的仪器常数。主要的仪器设备主要的仪器设备1. 1. 煤粉的热解特性

20、煤粉的热解特性 煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体（挥发分）的过程。煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体（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。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。通常所谈到的煤的热解特性仅指挥发分的析出特性。 实验证明实验证明 1.4001.400之前，基本上只有之前，基本上只有COCO2 2析出析出 2.2.在在在在400400600600，C C2 2H H4 4、C C2 2H H6 6、COCO、CHCH4 4和和H H2 2相

21、继达到最大值，同时相继达到最大值，同时焦油也在形成；焦油也在形成； 3.3.在在600600以后主要是以后主要是H H2 2和和COCO析出，并达到最大值。析出，并达到最大值。 4.4.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，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，在它是按我国标准规定，将干燥的煤样放在有盖坩埚内，在9009001010的马弗炉中加热的马弗炉中加热7min7min，煤样所失去的重量。，煤样所失去的重量。 2 2 煤粉的着火特性煤粉的着火特性 以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评判以煤着火

22、机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评判为主要内容为主要内容 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中一个主要的争论是, ,煤的着火是均相还是非均相的。煤的着火是均相还是非均相的。 均相着火均相着火: :一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一定程一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一定程度发生的着火。度发生的着火。 非均相着火非均相着火: :是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗粒发是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗粒发生反应而着火。生反应而着火。 3 3煤粉的燃尽特性煤粉的燃尽特性 焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度，焦炭的非均相

23、燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度，为国内外学者所关注。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。对研究内容：碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。对于碳与氧于碳与氧 的反应机理，一般认为碳与氧反应时一氧化的反应机理，一般认为碳与氧反应时一氧化碳和二氧化碳都是其主要产物，两种产物之比随温度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决于焦的化学反应速度和气流的扩散速度 4 4着火点及着火方式的确定着火点及着火方式的确定 着火点的确定着火点的确定：将热天平

24、置于一封闭炉中，加热炉缓慢升温，记录炉内：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就表明颗粒着火了（即焦炭着火了）。个图中，则当曲线出现分离点时就表明颗粒着火了（即焦炭着火了）。 着火方式判断着火方式判断：均相着火还是非均相着火、联合着火方式的确定。：均相着火还是非均相着火、联合着火方式的确定。 5. 5. 燃尽动力学参数的确定燃尽动力学参数的确定 将各煤样制成颗粒直径将各煤样制成颗粒直径1000m-5000m1000m-5000m的圆

25、球，在的圆球，在105105下烘干下烘干1 1小小时放入带盖坩埚，再于时放入带盖坩埚，再于850850无氧状态下加热至恒重，得到煤焦，放入干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燥器内备用，同时测得各煤焦密度cc。将炉温设置在。将炉温设置在850850，炉内气氛，炉内气氛为自然空气，高温进样测得各煤焦重量与时间的对应关系，当燃烧产物为自然空气，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重量变化量在300300秒内均少于秒内均少于0.5%0.5%时时, ,认为实验结束。认为实验结束。6. 6. 特性指数的确定特性指数的确定 华中理工大学孙学信挥发

26、份释放特性指数华中理工大学孙学信挥发份释放特性指数D D和煤的燃烧特性和煤的燃烧特性指数指数S S，即：，即：3/1ma xm a x)/(TTd td wDvhimeanTTdtdwdtdwS2max)/()/( 式中：式中：(dw/dt)vmax (dw/dt)vmax 为挥发分最大释放速度为挥发分最大释放速度,Tmax,Tmax为其对为其对应的温度；应的温度； T T1/31/3是是(dw/dt)v/(dw/dt)vmax=1/3(dw/dt)v/(dw/dt)vmax=1/3时对应的温度区间。时对应的温度区间。 (dw/dt)max(dw/dt)max为煤的最大燃烧速度为煤的最大燃烧速

27、度, (dw/dt)mean, (dw/dt)mean为平均燃为平均燃烧速度，烧速度，TiTi为着火温度，为着火温度，ThTh为燃尽时对应的温度。为燃尽时对应的温度。6. 特性指数的确定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清华大学的付维标等提出煤粉着火特性的指数FzFz，即：，即：100)(2adadadFCMVFz清华大学韩洪樵提出煤的综合可燃性指标清华大学韩洪樵提出煤的综合可燃性指标S S：5 . 05 . 1max10max)/()/(fttdtdwdtdwS 7 7实验方法实验方法 (1)(1)热失重分析法（煤燃烧实验热失重分析法（煤燃烧实验3 3） 又称热天平法。煤

28、的燃烧过程是又称热天平法。煤的燃烧过程是一个重量损失过程，因此通过分析一个重量损失过程，因此通过分析失重失重- -温度或失重温度或失重- -时间曲线可以获时间曲线可以获得许多煤燃烧的信息。得许多煤燃烧的信息。(2)(2)差热分析法差热分析法 （煤燃烧实验（煤燃烧实验4 4） 差热分析的基本原理是：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一温度场中加热。当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高热或放热效应时，试样

29、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。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）煤的工业分析（参照实验指导书） 煤的发热量（参照实验指导书）煤的发热量（参照实验指导书） 着重介绍热失重数据的分析

30、与处理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热失重数据的分析与处理 数据处理软件介绍数据处理软件介绍 ExcelExcel Origin Origin Origin Origin作为一个强大的基于图形化的数据作图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。是非常简单。 8. 燃尽时对应温度燃尽时对应温度的确定的确定 燃尽度：已燃烧的可燃质份额燃尽度：已燃烧的可燃质份额 ：燃尽度：燃尽度 m0：样品的原始质量：样品的原始质量 m：某一时刻样品的质量：某一时刻样品的质量 m：不能分解的残余物质质量：不能分解的残余物质质量%10000mmmm 9. 特性指数的测定特性指数的测定 挥发份释放特性指数挥发份释放特性指数D 煤的燃烧特性指数煤的燃烧特性指数S3/1maxmax)/(TTdtdwDv ThTidtdwdtdwSmean2max)/()/( 9. 9. 特性指数的测定特性指数的测定 煤粉着火特性的指数煤粉着火特性的指数FzFz100)(2fffCWVFz 煤的综合可燃性指标煤的综合可燃性指标S5 . 05 . 1max10max)/()/(fttdtdwdtdwS