1、武漢理工大學,材料科學與工程學院,煤的燃燒特性綜合實驗,一、前 言,能源是實現(xiàn)經濟社會可持續(xù)發(fā)展的保障，是人類賴以生存的基礎。直接影響到世界經濟的發(fā)展。煤是地球上最豐富的化石燃料，目前約占世界能源的28%。隨著經濟的發(fā)展，能源結構在優(yōu)化，煤消費結構在變小。然而，盡管煤消費的比例在變小，但實際的消費量卻呈快速上升的趨勢。近100多年來，煤的年消費量增長了40倍。 我國能源消費總量居世界第三。盡管我國的能源結構已經發(fā)生了很大的變化，但仍沒有擺脫以煤為主的能源結構。在我國的能源消費結構中，煤約占整個一次能源消耗的75%，遠遠大于石油、天然氣和水電。,煤的燃燒特性綜合實驗,煤是一種有機礦物的復雜聚合物

2、，由于成煤年代和地址條件的差異，決定了煤的物理化學特性的差異，在燃燒中則直接表現(xiàn)為燃燒性能的優(yōu)劣。 國內外對燃燒性質的評價多采用工業(yè)分析所得的揮發(fā)分作為依據，雖能大體反映不同煤燃燒的難易程度，但應用于劣質煤時有較大的誤差。這是由于只有在煤巖組成相近情況下，揮發(fā)分才能作為燃燒特性的判定依據2。采用單一指標作為煤燃燒特性的判定依據，無法全面反映煤的著火和燃燒這一復雜物理化學過程中氧氣擴散、傳熱速度、升溫速度以及各物理化學特性對著火和燃盡過程的影響。近年來，又提出了氫碳比、固定碳與揮發(fā)分比以及其他一些指標來表征煤燃燒性能的優(yōu)劣。,一、前 言,煤的燃燒特性綜合實驗,目前，在我國的水泥行業(yè)中，特別是在干

3、法水泥生產中，對煤的燃燒問題給予了越來越多的關注。傳統(tǒng)方法中僅了解煤的工業(yè)分析值和發(fā)熱量，即評價煤質的指標是：揮發(fā)分、水分、灰分、固定碳含量和發(fā)熱量，但經常會出現(xiàn)工業(yè)分析值和發(fā)熱量相近的煤，而燃燒特性卻有很大區(qū)別的現(xiàn)象。 為此我們通過煤的工業(yè)分析、發(fā)熱量的測定等傳統(tǒng)分析方法和熱失重分析、差熱分析等現(xiàn)代研究手段來研究煤的燃燒特性，從而達到合理選用燃料燃燒設備、合理利用資源、提高燃燒效率、降低生產消耗、現(xiàn)劣質煤的有效利用的目的。,一、前 言,煤的燃燒特性綜合實驗,從燃燒的角度來看，各種不同燃料均可歸納為兩種基本組成：可燃氣體如H2、CO及CmHn等固態(tài)炭. 燃燒是指燃料中的可燃物與空氣產生劇烈的氧

4、化反應，產生大量的熱量并伴隨著有強烈的發(fā)光現(xiàn)象。 燃燒有兩種類型: 普通的燃燒，亦即正常的燃燒觀象?？咳紵龑拥臒釟怏w傳質傳熱給鄰近的冷可燃氣體混合物層而進行火焰的傳播。通常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，僅每秒幾米，燃燒時壓力變化較小，一般可視為等壓過程。 爆炸性燃燒，系靠壓力波將冷的可燃氣體混合物加熱至著火溫度以上而燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俣却螅s為10004000m/s。通常是在高壓、高溫下進行。 一般窯爐中燃料的燃燒，屬于普通的（正常的）燃燒。,二、基本概念,煤的燃燒特性綜合實驗,發(fā)熱量：單位質量或體積的燃料完全燃燒，當燃燒產物冷卻到燃燒 前的溫度時所放出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量或熱值，單位為kJkg（k

5、J/Nm3）或MJkg（MJNm3）。 高位發(fā)熱量Qgr,p（定壓高位發(fā)熱量，gross constant pressure）是燃料完全燃燒，并當燃燒產物中的水蒸氣全部凝結為水的所放出的熱量； 低位發(fā)熱量Qnet,p （定壓低位發(fā)熱量，net constant pressure）則是用燃料完全燃燒后，其燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時所放出的熱量。為方便表示，在此我們將Qgr,p表示為Qgr,將Qnet,p表示為Qnet。,煤的燃燒特性綜合實驗,二、基本概念,三、燃料的種類,常用礦物燃料的分類,煤的燃燒特性綜合實驗,四、燃料組成及其表示方法, 燃料的組成及表示方法，隨燃料種類的不同而不同。 常

6、用元素分析法和工業(yè)分析法來表示固體、液體燃料 的化學組成。 根據元素分析法，煤中物質是由碳（C）、氫(H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）五種元素及灰份（A）和水分（M）組成。 工業(yè)分析組成包括水分（M）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）和固定碳（FC）（Fixed Carbon）四種成分，其總量為100。,煤的燃燒特性綜合實驗, 表示煤組成的常用基準 1）收到基（as received）：指使用單位收到的煤的組成，也即是實際使用的煤的組成。在各組成的右下角以“ar”表示。 MarVarFCar十Aar=100% 2）空干基（air dry）：指分析實驗室里所用的空氣干燥煤樣的組成（將煤樣在20和相對濕

7、度70的空氣下連續(xù)干燥1小時后質量變化不超過0.1%，即認為已達到空氣干燥狀態(tài)。此時煤中水分已與大氣達到平衡）。在各組成的右下角以“ad”表示。 MadVadFCadAad=100,煤的燃燒特性綜合實驗,四、燃料組成及其表示方法, 表示煤組成的常用基準 3）干燥基（dry）：指絕對干燥的煤的組成。這種基準不受煤在開采、運輸和貯存過程中水分變動的影響，能比較穩(wěn)定地反映成批貯存煤的真實組成，在各組成的右下角以“d”表示。 VdFCdAd=100% 4）干燥無灰基（dry ash free）：指假想的無水無灰的煤的組成，由于煤的灰分在開采、運輸或洗煤過程中要發(fā)生變化，故除去灰分和水分后的煤組成，可排

8、除外界條件的影響。該基準在各組成的右下角以“daf”表示。 VdafFCdaf=100%,煤的燃燒特性綜合實驗,四、燃料組成及其表示方法, 不同基準之間的換算,煤的燃燒特性綜合實驗,四、燃料組成及其表示方法,煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）,工業(yè)分析組成并不是燃料的原始組成，而是在一定條件下，用加熱的方法將燃料中極為復雜的成分加以分解和轉化而得到的。 根據工業(yè)分析組成，就可以初步判斷燃料的種類、性質和工業(yè)用途。工業(yè)分析是動力燃料成分分析的一個重要項目。 通常，將空氣干燥后煤樣放在烘箱中在102105下加熱至干燥狀態(tài)，這樣失去的水分被稱為內在水分或固有水分。取出稱量，若水分 2 % 不進行檢查性干

9、燥，否則需進行檢查性干燥，步驟是將樣品重新放入干燥箱中烘干，每次30分鐘，再稱量，直至恒重（即質量減少小于0.001克或增重）為止。以增重前的一次稱量結果來計算水分。,煤的燃燒特性綜合實驗,灰分（A）是指煤在815燃燒后的殘留物，是煤中礦物質的轉化產物。（若灰分 15% 不進行檢查灼燒，否則需進行檢查性灼燒，步驟是將樣品重新放入馬弗爐中灼燒，每次20分鐘，再稱量，直至恒重（即質量減少小于0.001克或增重）為止。以增重前的一次稱量結果來計算灰分。） 揮發(fā)分（V）是指在隔絕空氣的條件下，將煤加熱到900保溫7分鐘，從煤中有機質分解出來的氣體產物。,煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）,煤的燃燒特性綜合

10、實驗,主要儀器設備,煤的工業(yè)分析值（煤燃燒實驗1）,煤的燃燒特性綜合實驗,五、煤的發(fā)熱量測定（煤燃燒實驗2）,煤的燃燒特性綜合實驗,主要的儀器設備,煤的燃燒特性綜合實驗,五、煤的發(fā)熱量測定（煤燃燒實驗2）,六、煤的燃燒特性的研究,1. 煤粉的熱解特性 煤的熱解是指煤在加熱過程中釋放出氣體（揮發(fā)分）的過程。 熱解研究應包括兩個方面：氣態(tài)成分的生成過程和固態(tài)成分的孔隙結構及形態(tài)變化。 通常所談到的煤的熱解特性僅指揮發(fā)分的析出特性。 實驗證明 1.400之前，基本上只有CO2析出 2.在在400600，C2H4、C2H6、CO、CH4和H2相繼達到最大值，同時焦油也在形成； 3.在600以后主要是H

11、2和CO析出，并達到最大值。 4.通常工業(yè)生產中所用到的揮發(fā)分含量是煤的工業(yè)分析揮發(fā)分含量，它是按我國標準規(guī)定，將干燥的煤樣放在有蓋坩堝內，在90010的馬弗爐中加熱7min，煤樣所失去的重量。,煤的燃燒特性綜合實驗,2 煤粉的著火特性 以煤著火機理研究、煤粉的著火特性實驗研究及評判為主要內容 煤粉著火機理的研究已有長達一個多世紀的歷程，其中一個主要的爭論是,煤的著火是均相還是非均相的。 均相著火:一般是指煤中的揮發(fā)分熱解、聚積到一定程度發(fā)生的著火。 非均相著火:是指氧氣擴散到焦炭表面，直接與顆粒發(fā)生反應而著火。,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,3煤粉的燃盡特性 焦炭的非均相燃燒

12、過程控制著煤粉燃燒的總速度，為國內外學者所關注。 研究內容：碳與氧的反應機理和燃燒反應速度。對于碳與氧 的反應機理，一般認為碳與氧反應時一氧化碳和二氧化碳都是其主要產物，兩種產物之比隨溫度上升而增加，并與碳的種類有關。煤焦的燃燒速度取決于焦的化學反應速度和氣流的擴散速度,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,4著火點及著火方式的確定 著火點的確定：將熱天平置于一封閉爐中，加熱爐緩慢升溫，記錄爐內分別為空氣及氮氣情況下煤（煤焦）的失重曲線。將這兩條曲線畫在一個圖中，則當曲線出現(xiàn)分離點時就表明顆粒著火了（即焦炭著火了）。 著火方式判斷：均相著火還是非均相著火、聯(lián)合著火方式的確定。 5. 燃

13、盡動力學參數的確定 將各煤樣制成顆粒直徑1000m-5000m的圓球，在105下烘干1小時放入帶蓋坩堝，再于850無氧狀態(tài)下加熱至恒重，得到煤焦，放入干燥器內備用，同時測得各煤焦密度c。將爐溫設置在850，爐內氣氛為自然空氣，高溫進樣測得各煤焦重量與時間的對應關系，當燃燒產物重量變化量在300秒內均少于0.5%時,認為實驗結束。,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,6. 特性指數的確定 華中理工大學孫學信揮發(fā)份釋放特性指數D和煤的燃燒特性指數S，即：,式中：(dw/dt)vmax 為揮發(fā)分最大釋放速度,Tmax為其對應的溫度； T1/3是(dw/dt)v/(dw/dt)vmax=1/

14、3時對應的溫度區(qū)間。 (dw/dt)max為煤的最大燃燒速度, (dw/dt)mean為平均燃燒速度，Ti為著火溫度，Th為燃盡時對應的溫度。,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,6. 特性指數的確定 清華大學的付維標等提出煤粉著火特性的指數Fz，即：,清華大學韓洪樵提出煤的綜合可燃性指標S：,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,7實驗方法,(1)熱失重分析法（煤燃燒實驗3） 又稱熱天平法。煤的燃燒過程是一個重量損失過程，因此通過分析失重-溫度或失重-時間曲線可以獲得許多煤燃燒的信息。,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,(2)差熱分析法 （煤燃燒實驗4） 差熱分

15、析的基本原理是： 差熱分析是把試樣與參比物質，置于差熱電偶的熱端所對應的兩個樣品座內，在同一溫度場中加熱。當試樣加熱過程中產生吸熱或放熱效應時，試樣的溫度就會低于或高于參比物質的溫度，差熱電偶的冷端就會輸出相應的差熱電勢。通過檢流計偏轉與否來檢測差熱電勢的正負，就可推知是吸熱或放熱效應。在與參比物質對應的熱電偶的冷端連接上溫度指示裝置，就可檢測出物質發(fā)生物理化學變化時所對應的溫度。,六、煤的燃燒特性的研究,煤的燃燒特性綜合實驗,煤的工業(yè)分析（參照實驗指導書） 煤的發(fā)熱量（參照實驗指導書） 著重介紹熱失重數據的分析與處理,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,熱失重數據的分析與處理 數據處理

16、軟件介紹 Excel Origin Origin作為一個強大的基于圖形化的數據作圖軟件，盡管其功能非常繁多和強大，但使用起來還是非常簡單。,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,1.Origin軟件啟動,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,2.導入數據,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,3.作質量時間圖 （1）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,3.作質量時間圖 （2）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,4.作溫度時間圖 （1）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,4. 作溫度時間圖 （2）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,5.質量時間曲線擬合 （1） （最大燃燒速率的確定）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,5.質量時間曲線擬合 （2） （最大燃燒速率的確定）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,5.質量時間曲線擬合 （3） （最大燃燒速率的確定）,6.質量時間求導 （1） （最大燃燒速率的確定）,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特性綜合實驗,七、實驗數據的處理,煤的燃燒特