爐中煤教學(xué)課件第一章爐中煤概述什么是爐中煤？爐中煤是專門用于工業(yè)爐窯中燃燒的煤炭，主要作為高溫燃料使用。它具有以下特點(diǎn)：含碳量高，通常在75%-90%之間揮發(fā)分含量適中，便于點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒灰分和硫分含量較低，減少環(huán)境污染熱值高，一般在25-30MJ/kg耐高溫，適合在1000℃以上的環(huán)境中使用爐中煤的分類1按煤的成因和性質(zhì)分類根據(jù)煤化程度和地質(zhì)年代的不同，爐中煤可分為：褐煤：煤化程度低，含水量高，熱值較低煙煤：中等煤化程度，揮發(fā)分適中，應(yīng)用最廣泛無煙煤：煤化程度高，揮發(fā)分低，燃燒溫度高2按用途分類根據(jù)在工業(yè)中的不同應(yīng)用，爐中煤可分為：煉焦煤：用于冶金工業(yè)，制造冶金焦炭動(dòng)力煤：用于發(fā)電和工業(yè)鍋爐，提供熱能化工煤：用作化工原料，生產(chǎn)合成氣等化學(xué)品特種煤：用于特殊工藝，如活性炭生產(chǎn)等各類煤的外觀對(duì)比從左至右展示了從褐煤到無煙煤的轉(zhuǎn)變過程。隨著煤化程度的增加，煤的顏色逐漸由褐色變?yōu)楹谏?，光澤由暗淡變?yōu)槊髁?，結(jié)構(gòu)由疏松變?yōu)橹旅?。這一轉(zhuǎn)變反映了煤中碳含量的增加和揮發(fā)分的減少，同時(shí)熱值也隨之提高。爐中煤的物理性質(zhì)密度與結(jié)構(gòu)典型密度約7.8g/cm3，具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，有利于氧氣滲透和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。多孔結(jié)構(gòu)還增加了煤與空氣的接觸面積，提高了燃燒效率。熱力學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)約1535℃，沸點(diǎn)約2750℃，具有較高的熱穩(wěn)定性。這些特性使其能在高溫工業(yè)爐窯中保持穩(wěn)定性能，不易變形或分解。粒徑與粒度分布根據(jù)應(yīng)用需求，爐中煤的粒徑可從幾毫米到幾厘米不等。粒度分布均勻的煤粒能夠形成穩(wěn)定的燃燒床層，提高熱效率。爐中煤的化學(xué)成分成分含量范圍影響碳(C)75%-90%主要決定熱值氫(H)3%-6%提高熱值氧(O)2%-15%降低熱值硫(S)0.5%-3%產(chǎn)生SOx污染氮(N)1%-2%產(chǎn)生NOx污染灰分5%-15%影響爐渣性質(zhì)揮發(fā)分15%-45%決定點(diǎn)火性能爐中煤的化學(xué)成分直接影響其燃燒性能和環(huán)保特性：碳含量高的煤熱值大，燃燒時(shí)間長揮發(fā)分影響煤的點(diǎn)火性能和火焰穩(wěn)定性硫和氮是主要污染物來源，需要采取措施控制灰分影響爐渣特性和處理難度水分過高會(huì)降低有效熱值，增加燃燒難度第二章碳化過程與爐中煤轉(zhuǎn)化碳化的定義與過程初始階段（室溫-200℃）煤中水分蒸發(fā)，體積收縮，微量氣體釋放。這一階段主要是物理變化，化學(xué)結(jié)構(gòu)變化不明顯。熱解階段（200-500℃）煤中有機(jī)質(zhì)分解，釋放揮發(fā)分，包括焦油、氣體和水分。煤的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，形成初級(jí)碳化產(chǎn)物。低溫碳化（500-700℃）煤轉(zhuǎn)化為半焦，產(chǎn)生較多液態(tài)焦油和少量氣體。半焦結(jié)構(gòu)疏松，仍含有一定量的揮發(fā)分。高溫碳化（900℃以上）煤完全轉(zhuǎn)化為焦炭，釋放大量高熱值氣體。焦炭結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，幾乎不含揮發(fā)分。低溫碳化特點(diǎn)低溫碳化工藝參數(shù)參數(shù)典型值溫度范圍500-700℃升溫速率3-5℃/分鐘保溫時(shí)間1-2小時(shí)產(chǎn)物收率半焦60-70%，焦油15-20%低溫碳化的主要特點(diǎn)產(chǎn)生較多液態(tài)焦油，焦油中含有豐富的脂肪族化合物氣體產(chǎn)量較少，熱值中等（約15-20MJ/m3）產(chǎn)物為半焦，結(jié)構(gòu)疏松，反應(yīng)活性高半焦的燃燒值較低，約25-28MJ/kg工藝能耗較低，操作相對(duì)簡單主要應(yīng)用于液體燃料生產(chǎn)和化工原料制備高溫碳化特點(diǎn)高溫焦化工藝溫度通常在900-1100℃，升溫速率5-10℃/分鐘，保溫時(shí)間12-18小時(shí)。工藝要求嚴(yán)格，能耗較高，但產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良。產(chǎn)物特性產(chǎn)生大量高熱值氣體（約30-35MJ/m3），焦油中芳香族化合物含量高。焦炭產(chǎn)率約70-80%，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，幾乎不含揮發(fā)分。應(yīng)用領(lǐng)域主要用于冶金工業(yè)，生產(chǎn)高品質(zhì)冶金焦炭。同時(shí)也是優(yōu)質(zhì)活性炭、石墨材料等高價(jià)值碳材料的前驅(qū)體。在化工合成氣生產(chǎn)中也有重要應(yīng)用。碳化過程示意圖上圖展示了煤炭碳化過程中揮發(fā)分釋放與焦炭形成的完整過程。從左至右可以觀察到隨著溫度升高，煤粒逐漸軟化、熔融、形成塑性體，然后釋放揮發(fā)分，最終形成多孔固體焦炭。第三章爐中煤燃燒機(jī)理燃燒基本原理干燥階段煤粒受熱，水分蒸發(fā)。溫度范圍：室溫-150℃，持續(xù)時(shí)間取決于煤中水分含量和粒徑大小。熱解階段煤粒繼續(xù)升溫，揮發(fā)分析出并點(diǎn)燃。溫度范圍：300-700℃，此階段形成明亮火焰。焦炭燃燒固體碳與氧氣反應(yīng)，緩慢燃燒。溫度范圍：700-1500℃，此階段釋放大部分熱量。灰渣形成不燃物質(zhì)形成灰渣。溫度可達(dá)1500℃以上，灰渣性質(zhì)影響后續(xù)處理。燃燒熱力學(xué)與傳熱主要熱力學(xué)反應(yīng)C+O?→CO?+393.5kJ/mol（完全燃燒）2C+O?→2CO+221.0kJ/mol（不完全燃燒）CO+0.5O?→CO?+283.0kJ/mol（一氧化碳氧化）H?+0.5O?→H?O+241.8kJ/mol（氫氣燃燒）C?H?+(m+n/4)O?→mCO?+(n/2)H?O+Q（揮發(fā)分燃燒）傳熱方式輻射傳熱：高溫火焰和爐壁通過電磁波傳遞熱量，在高溫工業(yè)爐中占主導(dǎo)地位（約60-80%）。對(duì)流傳熱：熱氣流與爐內(nèi)物料直接接觸傳遞熱量，在中低溫工業(yè)爐中較為重要（約15-30%）。傳導(dǎo)傳熱：通過固體介質(zhì)直接接觸傳遞熱量，在工業(yè)爐中占比較?。s5-10%）。燃燒產(chǎn)物與污染物二氧化碳煤中碳元素完全燃燒的產(chǎn)物，是主要溫室氣體。通過碳捕集技術(shù)可減少排放。水蒸氣煤中氫元素燃燒產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境影響較小，但會(huì)帶走部分熱量。氮氧化物煤中氮元素和空氣中氮?dú)庠诟邷叵卵趸纬?，是酸雨和光化學(xué)煙霧的主要成因。硫氧化物煤中硫元素燃燒產(chǎn)物，主要形成SO?，是酸雨的重要成因。通過石灰石脫硫等技術(shù)控制排放。煙塵顆粒煤中礦物質(zhì)燃燒后形成的細(xì)小顆粒，包括飛灰和未燃盡碳粒，影響空氣質(zhì)量。第四章爐中煤的工業(yè)應(yīng)用爐中煤在鋼鐵冶煉中的作用高爐煉鐵過程在高爐煉鐵過程中，爐中煤（焦炭）扮演著三重角色：還原劑：將鐵礦石中的氧化鐵還原為金屬鐵燃料：提供煉鐵所需的熱量支撐骨架：保持爐料的透氣性，使氣體能夠均勻流通主要還原反應(yīng)：C+O?→CO?（燃燒反應(yīng)）CO?+C→2CO（氣化反應(yīng)）Fe?O?+3CO→2Fe+3CO?（還原反應(yīng)）高爐是一個(gè)逆流反應(yīng)器，從上部加入鐵礦石和焦炭，從下部鼓入熱風(fēng)。上升的還原氣體與下降的固體物料接觸，實(shí)現(xiàn)鐵的還原和爐溫的維持。爐中煤在電廠鍋爐中的應(yīng)用粉煤鍋爐將煤粉化后噴入燃燒室，燃燒效率高，熱能利用率可達(dá)87-92%。適用于大型電廠，但對(duì)煤質(zhì)要求較高，排放控制難度大。循環(huán)流化床鍋爐煤粒在氣流作用下呈懸浮狀態(tài)燃燒，燃燒溫度低（850-900℃），可抑制NOx生成。燃料適應(yīng)性強(qiáng)，可使用低質(zhì)煤，脫硫效率可達(dá)95%以上。鏈條爐排鍋爐煤炭在移動(dòng)爐排上依次經(jīng)歷干燥、燃燒和燃盡階段。結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，但燃燒效率較低（75-85%），主要用于中小型工業(yè)鍋爐。爐中煤在化工行業(yè)的利用煤氣化制合成氣將煤在高溫（1000-1500℃）、一定壓力下與氧氣和水蒸氣反應(yīng)，生成以CO和H?為主的合成氣。主要反應(yīng)：C+H?O→CO+H?C+O?→CO?CO?+C→2CO合成氣是重要的化工原料，可用于合成氨、甲醇等基礎(chǔ)化學(xué)品。煤焦化制焦?fàn)t氣煤在高溫（900-1100℃）下干餾，產(chǎn)生焦炭和焦?fàn)t氣。焦?fàn)t氣主要成分包括：氫氣（50-60%）甲烷（23-30%）一氧化碳（5-8%）其他碳?xì)浠衔锖偷獨(dú)饨範(fàn)t氣熱值高（約17-18MJ/m3），是重要的工業(yè)燃料和化工原料。煤制油技術(shù)通過費(fèi)托合成等工藝，將煤基合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料。主要包括：直接液化：煤直接在高溫高壓下與氫氣反應(yīng)間接液化：先氣化后合成，技術(shù)更為成熟高爐煉鐵與流化床鍋爐示意圖高爐煉鐵工藝高爐是一個(gè)巨大的逆流反應(yīng)器，高約100米。從頂部加入鐵礦石、焦炭和熔劑，從底部鼓入熱風(fēng)。溫度從頂部的200℃逐漸升至底部的2000℃以上。爐中煤作為焦炭提供熱量和還原氣體，同時(shí)支撐料柱保持透氣性。循環(huán)流化床鍋爐第五章爐中煤燃燒安全與環(huán)保燃燒安全注意事項(xiàng)防止煤塵爆炸煤塵在空氣中達(dá)到一定濃度（40-50g/m3）時(shí)，遇明火可能發(fā)生爆炸。防范措施：保持粉碎和輸送系統(tǒng)密閉，防止煤塵泄漏安裝防爆裝置和煤塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定期清理積塵，保持工作環(huán)境整潔設(shè)置防靜電接地裝置，防止靜電火花工作區(qū)域嚴(yán)禁明火，實(shí)施嚴(yán)格的動(dòng)火管理控制爐溫，避免爐體損壞爐溫過高可能導(dǎo)致爐墻熔損、結(jié)渣和結(jié)焦問題?？刂拼胧喊惭b完善的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控爐溫變化合理控制進(jìn)風(fēng)量和燃料配比，維持適宜燃燒溫度設(shè)置自動(dòng)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，防止?fàn)t溫失控選用耐高溫材料，延長爐體使用壽命制定嚴(yán)格的升溫和降溫操作規(guī)程，避免熱沖擊燃燒設(shè)備定期維護(hù)設(shè)備老化和磨損可能導(dǎo)致安全事故。維護(hù)要點(diǎn)：制定科學(xué)的設(shè)備檢修計(jì)劃，定期檢查關(guān)鍵部件重點(diǎn)檢查密封性能，防止漏風(fēng)和漏煤定期檢測(cè)溫度、壓力等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及時(shí)更換磨損部件，確保設(shè)備處于良好狀態(tài)環(huán)保技術(shù)措施煙氣脫硫脫硝技術(shù)脫硫技術(shù)主要包括石灰石-石膏法（濕法）、噴霧干燥法（半干法）和爐內(nèi)添加劑法等，脫硫效率可達(dá)95%以上。脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法（SCR）和選擇性非催化還原法（SNCR），脫硝效率可達(dá)80-90%。粉塵捕集與處理常用除塵設(shè)備包括電除塵器、布袋除塵器和旋風(fēng)除塵器等。電除塵器適用于大風(fēng)量、高溫?zé)煔猓龎m效率可達(dá)99.5%；布袋除塵器適用于細(xì)粉塵捕集，效率可達(dá)99.9%；旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，適用于粗粉塵預(yù)處理。廢熱回收利用通過煙氣余熱回收裝置（如省煤器、空氣預(yù)熱器等），回收煙氣中的熱量用于預(yù)熱給水或燃燒空氣，可提高鍋爐熱效率5-10%。此外，還可利用中低溫余熱發(fā)電或供熱，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高綜合能效?，F(xiàn)代爐中煤燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)清潔燃燒技術(shù)超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，提高熱效率至45-50%整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC），熱效率可達(dá)50%以上氧氣燃燒技術(shù)，便于CO?捕集煤炭預(yù)處理技術(shù)，如煤炭洗選和提質(zhì)燃燒過程智能控制基于人工智能的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于燃燒過程模擬實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)的燃燒參數(shù)優(yōu)化低碳排放與碳捕集技術(shù)燃燒后CO?捕集技術(shù)（如胺吸收法）燃燒前CO?捕集技術(shù)（結(jié)合煤氣化）化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CO?的天然分離CO?地質(zhì)封存和利用技術(shù)第六章實(shí)驗(yàn)與案例分析鐵粉還原氧化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^鐵粉的氧化還原反應(yīng)，模擬和理解爐中煤在高爐煉鐵過程中的還原作用，觀察金屬氧化物與碳反應(yīng)的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備細(xì)鐵粉、鐵氧化物粉末、活性炭粉、酒精燈、試管、鑷子、玻璃棒、點(diǎn)火器、溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟取少量鐵粉置于試管中，用酒精燈加熱至紅熱觀察鐵粉顏色變化（由灰黑色變?yōu)榧t褐色）將紅熱的氧化鐵與活性炭粉混合，繼續(xù)加熱觀察混合物顏色變化（逐漸恢復(fù)為灰黑色）用磁鐵測(cè)試反應(yīng)產(chǎn)物的磁性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論碳化爐中煤的燃燒效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法采用量熱法測(cè)定煤樣熱值，通過燃燒前后的質(zhì)量變化和溫度變化計(jì)算燃燒效率。具體步驟：取不同粒徑（0.5mm、1mm、2mm）的碳化煤樣各10g測(cè)定各樣品的含水率、揮發(fā)分、灰分含量使用氧彈量熱計(jì)測(cè)定各樣品的熱值在模擬燃燒裝置中燃燒樣品，測(cè)量溫度變化曲線計(jì)算各樣品的燃燒效率和燃燒特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析樣品特性0.5mm1mm2mm熱值(MJ/kg)28.528.328.1點(diǎn)火溫度(℃)410430450燃燒效率(%)96.894.291.5燃盡時(shí)間(s)120180240案例：某鋼廠爐中煤燃燒優(yōu)化15%燃燒效率提升通過采用流化床鍋爐技術(shù)替代傳統(tǒng)固定床鍋爐，爐中煤燃燒效率從原來的78%提升至93%，實(shí)現(xiàn)了顯著的能效提升。30%污染物排放降低通過燃燒優(yōu)化和脫硫脫硝設(shè)備升級(jí)，硫氧化物和氮氧化物排放分別降低了35%和25%，粉塵排放降低了30%，顯著改善了環(huán)境影響。￥800萬年節(jié)約成本燃燒效率提升帶來燃料消耗減少，加上維護(hù)成本降低和環(huán)保罰款減少，企業(yè)每年節(jié)約成本約800萬元，投資回收期約2.5年。該鋼廠通過技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。具體措施包括：引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，優(yōu)化爐內(nèi)氣流分布采用分級(jí)燃燒技術(shù)，降低燃燒溫度，減少NOx生成安裝高效脫硫脫硝系統(tǒng)和布袋除塵器，控制污染物排放實(shí)施智能燃燒控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整燃燒參數(shù)總結(jié)與展