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煤炭燃烧知识

发布时间:2016年04月23日 信息来源:互联网 点击:收藏此文 字体:

  煤炭质量,是指煤炭产品在自身的形成和开采、加工过程中所具有的、能够满足不同用户需求的特征或特性的总和。根据煤炭产品质量特性和用途,可用一定的质量指标(或标准)来表示。如按煤的工业分析,可用煤的固定碳、挥发分、灰分和水分等指标来表示;按煤的元素分析,可用煤中碳(C)、氢(H)、氧(n)、氮(N)、硫(S)、磷(P)及微量元素含量的多少来表示;按煤的工艺性质,煤炭质量又可用煤的发热量(0)、煤的粘结性(R·I)和结焦性(y)、煤的热稳定性(TS)、煤灰的熔融性(DT、ST或FT)、煤的反应性、煤的燃点(T)以及煤的可选性等指标来表示。


一、水分

  1、外在水分(Wwz):外在水分是指在煤开采、运输和洗选过程中润湿在煤的外表以及大毛细孔(直径>10-5厘米)中的水。它以机械方式与煤相连结着,较易蒸发,其蒸汽压与纯水的蒸汽相等。在空气中放置时,外在不分不断蒸发,直至煤中水分的蒸汽压与空气的相对湿度达到平衡时为止,此时失去的水分就是外在水分。含有外在水分的煤称为应用煤,失去外在水分的煤称为风干煤。外在水分的多少与煤粒度等有关,而与煤质无直接关系。

  2、内在水分(Wnz):吸附或凝聚在煤粒内部毛细孔(直径〈10-5厘米〉中的水,称为内在水分。内在水分指将风干煤加热到105~110时所失去的水分,它主要以物理化学方式(吸附等)与煤相连结着,较难蒸发,故其蒸汽压小于纯水的蒸汽压。失去内在水分的煤称为绝对干燥或干煤。


二、灰分

  1、灰分的来源和种类:煤灰几呼全部来源于煤中的矿物质,但煤在燃烧时,矿物质大部分被氧化,分解,并失去结晶水,因此,煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大。我们一般说的煤的灰分实际上就是煤灰产率,煤中矿物质和灰分的来源,一般可分三种。

  (1)原生矿物质:它是原来存在于成煤植物中的矿物质,物质紧密地结合在一起,极难用机械的方法将其分开。它燃烧后形成母体灰分,这部分数量很小。

  (2)次生矿物质:当死亡植质堆积和菌解时,由风和水带来的细粘土,砂粒或由水中钙、镁、铁等离子生成的腐植酸盐及FeS2等混入而成,在煤中成包裹体存在。用显微镜观察煤的光片或薄片时,如它们均匀分布在煤中,并且颗粒很细,则很难与煤分离;如它们颗粒较大,比重与差很大,并在煤中分布不均, 则把煤破啐后尚可能将它们洗选掉。

  煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质。来自于内在矿物质的灰分,称为内在灰分。一般次生矿物质在煤中的含量也不多,仅有少数煤层中次生矿物质较多,如迁移堆积抽形成的煤层即如此。

  (3)外来矿物质:这种矿物质原来不含于煤层中,它是由在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。

  其数量多少,根据开采条件不同而有很大波动。它的主要成分为SiO2和A12O3,也有一些CaSO3、CaSO4、FeS2等。这类矿物质应通过加强质量管理,灵活地使用炸药,巩固坑道,合理采煤并通过转筒筛选机筛选和手选的方法予以减少。外来矿物质的块度,比重越大时,越易分离,可用一般选煤方式将它除掉。外来矿物质在煤燃烧时形成的灰分称为外在灰分。


  2、煤灰熔融性

  煤灰熔融性和煤灰粘度是动力用煤的重要指标。煤灰熔融性习惯上称作煤灰熔点,但严格来讲这是不确切的。因为煤灰是多种矿物质组成的混合物,这种混合物并没有一个固定的熔点,而仅有一个熔化温度的范围。开始熔化的温度远比其中任一组分纯净矿物质熔点为低。这些组分在一定温度下还会形成一种共熔体,这种共熔体在熔化状态时,有熔解煤灰中其他高熔点物质的性能,从而改变了熔体的成分及其熔化温度。

  煤灰成分及其含量与层聚积环境有关。我国很多煤层的矿物质以粘土为主,煤灰成分则以SiO2、A12O3为主,两者总和一般可达50~80%。在滨海沼泽中形成的煤层,如华北晚石炭纪煤层黄铁矿含量高,煤灰中Fe2O3及SO3含量亦较高;在内陆湖盆地中形成的某些第三纪褐煤的煤灰中CaO含量较高。

  大量试验资料表明,SiO2含量在45~60%时,灰熔点随SiO2含量增加而降低;SiO2在其含量〈45%或〉60%时,与灰熔点的关系不够明显。A12O3在煤灰中始终起增高灰熔点的作用。煤灰中A12O3的含量超过30%时,灰熔点在1500。灰成分中Fe2O3、CaO、MgO均为较易熔组分,这些组分含量越高,灰熔点就越低。灰熔点也可根据其组成用经验公式进行计算。


三、挥发分和固定碳

  挥发分主要是煤中有机质热分解的产物,评价煤质时为了排除水分、灰分变化的影响,须将分析煤样挥发分换算为以可燃物为基准的挥发分,以符号VR表示。换算公式为:

  Vr=Vf 100 100-WF-AF

  式中:Vr——可燃基(无水无灰基)挥发分,%;

     Vf——分析基挥发分,%;

     Wf——分析煤样水分,%;

     Af——分析煤样灰分,%。

  挥发分随煤化程度升高而降低的规律性十分明显,可以初步估计煤的种类和化学工艺性质,而且挥发分的测定简单、快速,几乎世界各国都采用可燃基挥发分(Vr)作为煤炭工业分类的第一分等指标。

  挥发分的分析结果常受煤中矿物质的影响。所以当煤中碳酸盐含量较高时,矿物质在高温下分解出来的CO2等也包括在挥发分内。所以当煤中碳酸盐含量较高,分解出来的CO2产率大于2%时,需要对煤的挥发进行校正。也可在测定挥发分之前,用盐酸处理分析煤样,使煤中碳中碳酸盐事先分解。在我国大多数煤中,粘土矿物,高岭土在560析出的结果水也算入挥发分,因此粘土矿物含量高的煤所测出的挥发分通常偏高。

  固定碳就是测定挥发分后残留下来的有机物质的产率,可按下式算出:     

  Cgd=1000-(Wf+Af+Vf)

  焦渣按其形状,特征的不同可分为八种类型,用来初步表示不同煤种的粘性、熔融性及膨胀性。根据挥发分测定后的焦渣可知,泥炭、褐煤、烟煤中长焰煤、贫煤及无烟煤没有粘结性;烟煤中气、肥、焦、瘦煤都有粘结性,可作为炼焦煤,而其中肥煤和焦煤没有粘结性最好,其坩埚焦熔融,粘结良好且具有膨胀性。


四、煤的发热量(卡/克或千卡/千克)

  把一克煤样放在高压充氧的弹筒中燃烧,由量热计测得的发热量称为弹筒发热量(QDT)。当煤在弹筒中燃烧时,在高温高压下,氮生成硝酸,硫生成硫酸都释放出热量,这部分热量也包括在弹筒发热量内。另外,水分在弹筒的高压下保持液态,也放出冷凝热。而煤在空气中燃烧时,硫成为二氧化硫放出,而水分仍保持水蒸汽状态,故弹筒发热量减去硫和氧的校正值后的发热量称为高位发热量(QGW)

  工业上多采用应用煤的低位发热量(QDW)作为计算和设计的依据。低位发热量可按下式计算:  

  QDW=QGW-6(W+9H)

  式中:QGW,QDW----应用煤的高,低位热量,卡/克;

     WY----应用煤的全水分,%;

     HY----应用煤的氢含量,%


  煤的发热量除直接设定外,还可以根据元素分析或工业分析的数据进行估算。煤科院煤化学研究所(北京煤化所)根据我国煤质资料推导出许多发热量计算式,例如:

  利用元素分析数据,估算可燃基高位发热量的半经验公式


  低煤化程度的煤:

  QGW=80CR+305(310)HR+22SR-26OR-4(Ag-10)

  式中,HR前面的系数对褐煤为305,对长焰煤、不粘煤和弱粘煤为310;对AG≤10%的煤,不计算最后一项灰分的校正值。


  由上式可知,OR、AG越高,QJW越低。

  炼焦煤:QGW=80 CR +310HR+22SR-25OR-7(Ag-10)

  无烟煤(低灰和高灰适用):QGW=80(78.1)CR+320HR+22SR+(SR-OR)-8(AG-10)

  式中,对FR﹥1.5%的一般无烟煤,CR前面的系数用80;对HR≤1.5%的年老无烟煤,CR前面的系数采用78.1;对AG≤10%的所有无烟煤,公式中最后一项应予删去。


  利用工业分析数据,估算低热值煤高位发热量的半经验公式

  高灰(AF>45~90%)烟煤:QGW=81CGD+55VF-3AF

  高灰无烟煤:QGW=80CGD+50VF-3AF

  石煤:QGW=80CGD+40VF-3AF

     

五、煤中的硫

  煤中硫分的赋存形态通常可分为有机硫和无机硫两大类,煤中各种形态的硫分的总和称为全硫(SQ)

  1)有机硫:煤的机质中所含的硫称为有机硫 (SYJ)。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。蛋白质中含硫0.3~2.4%,而植物整体的含硫量一般都小于0.5%(红树等滨海盐生植物的硫分较高)。一般煤中有机硫的含量较低,但组成很复杂,主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇、噻吩类杂环硫公物及硫醌分合物等组成或官能团所构成。有机硫与煤的有机质结为一体,分布均匀,很难清除,用一般物理洗选方法不能脱除。一般低硫煤中以有机硫为主,经过洗选,精煤全硫因灰分减少而增高。


  2)无机硫:无机硫又分为硫铁矿硫(STL)和硫酸盐硫(STY)两种,有时也有微量的元素硫。硫化物硫与有机硫合称为可燃硫,硫酸盐硫则为不可燃硫。硫化物硫中绝大部分以黄铁矿硫形态存在,有时也有少量的白铁矿硫。它们的分子式都是FeS2,但黄铁矿是正方晶系晶体,多呈结梳状、透镜状、团块状和浸染状等形态存在于煤中;白铁矿则是斜方晶系体,多呈放射状存在,它在显微镜下的反射率比黄铁矿低。硫化物硫清除的难易程度与矿物颗粒大小及分布状态有关,颗粒大的可利用黄铁矿与有机质比重不同洗选除去。但以极细颗粒均匀分布在煤中的黄铁矿则即使将煤细碎也难以除掉。

  硫化物硫在高硫煤的全硫中所占比重较大,它们一部分来源于适煤植物及其转化产物中的硫化物,另一部分则是由停滞缺氧水中的硫酸铁等盐类还原生成的。

  硫酸盐硫主要存在形态是石膏(CaSO4.2H2O),也有少量绿矾(FeSO4.7H2O)等。我国在部分煤中硫酸盐含量小于0.1%,部分煤为0.1~0.3%。一般硫酸盐硫含量较高的煤,可能曾受过氧化。


六、煤中的磷

  煤中的磷主要是无机磷,也有微量有机磷。炼焦时,煤中磷全部进入焦炭,焦中磷又全部进入生铁,使钢铁冷脆。因此,磷是煤中有害成分。我国煤中磷含量较低,一般为0.01~0.1%,最高不超过1%。多数情况下不超过炼焦用煤的工业要求Pg<0.01%。


七、煤的机械强度 

  煤的机械强度测试方法有几种,应用比较普遍的落下试验法是根据煤块在运输、装卸、入炉过程中落下,互相撞击而破碎等特点拟定的。测定方法为:选取60~100毫米的块煤称重。然后一块一块地从2米高处落到厚度大于15毫米的金属板上,这样自由跌落三次之后,用25毫米的方孔筛筛分,以大于25毫米的块煤重量占总重量的百分数来表示煤的机械强度,其分级标准如下:


煤的机械强度分级

级    别                落下试验法(>25毫米),%

高强度煤                      >65

中强度煤                      >50~65

低强度煤                      >30~50

特低强度煤                    ≤30


  我国大多数无烟煤的机械强度好,一般为60~92%。但也有一些煤成片状、粒状,煤质松软,机械强度差,一般为20~40%,部分甚至在20%以下。


八、粘结指数   

  烟煤的粘结指数测定是将一定质量的试验煤样和专用无烟煤样(我国以宁夏汝萁沟矿生产的专用无烟煤为标准煤样),在规定的条件下混合,快速加热成焦,所得焦块在一定规格的转鼓内进行强度检验,以焦块的耐磨强度,即抗破坏力的大小来表示煤样的粘结能力。粘结指数是判别煤的粘结性、结焦性的一个关键指标。

  粘结指数是我国北京煤化所参考罗加指数测定原理提出的表征烟煤粘结性的一种指标。该指标的测定方法是按1:5或3:3的配比使烟煤和标准无烟煤混合后灼烧,测定其所得焦块的强度。

  烟煤的粘结指数(GR.I)与R.I不同之点在于:

  1.专用无烟煤的统一加工及选定

  2.标准无烟煤的粒度由R.I法的0.3--0.4毫米,改为GR.I法的0.1--0.2毫米,扩大强粘煤的测值范围,同时由于无烟煤粒度与试验用烟煤粒度相近,容易混匀,减少指标误差,提高测定的重现性与稳定性;

  3.在测定弱粘结性煤的粘结指数时,将无烟煤与烟煤的配比改为3:3,解决罗加法中对弱粘煤的测定不准的问题;

  4.实现了机械搅拌,改善了试验条件,减少了人为误差;

  5.将三次转鼓试验改为二次,并改变计算分式,简化了操作。这些改进受到国内有关煤炭、冶金化验单位的欢迎。GR.I法已被国内用于煤的分类,在扩大炼焦用煤范围及炼焦配煤、焦炭质量预测等方面,并取得可喜成果。


九、煤的反应性   

  煤的反应性,又称活性。指在一定温度条件下煤与不同气化介质的反应程度。反应性强的煤,在气化和燃烧过程中,反应速度快,效率高。尤其当采用一些高效能的新型气化技术时,反应性的强弱直接影响到煤在炉中反应的情况、耗氧量、耗煤量及煤气中的有效成分等。在流化燃烧新技术中,煤的反应性强弱与其燃烧速度也有密切关系。因此,反应性是气化和燃烧的重要特性指标。

  将CO2还原率(a,%)与相应的测定温度绘成曲线,可以看出,煤的反应性随反应温度的升高而加强;各种煤的反应性随变质程度的加深而减弱,这是由于碳和CO2的反应不仅在燃料的外表面进行,而且也在燃样的内部微细孔隙的毛细管壁上进行,孔隙率越高,反应表面积越大。不同煤化程度的煤及其干馏所得的残炭或焦炭的气孔率,化学结构是不同的,因此其反应性显著不同。褐煤的反应性最强,但在较高温度时,随温度升高其反应性显著增强。煤的灰分组成与数量对反应性也有明显的影响。碱金属和碱土金属的化合物能提高煤、焦的反应性,降低焦炭反应后的强度。


十、煤的结渣性   

  煤的结渣性是反映煤灰在气化或燃烧过程中成渣的特性,它对评价煤的加工利用特性有很重要的实际意义。

  在气化中,煤灰的结渣会给操作带来不同程度的影响,结渣严重时将会导致停产。因此,必须选择不易结渣或只轻度结渣的煤炭用作气化原料。由于煤灰熔点并不能完全反映煤在气化炉中的结渣情况,因此,须用煤的结渣性来判断煤在气化中的结渣难易程度。

  煤的结渣性测定要点,是用空气为气化介质,来气化预先加热到800~850℃的赤热煤样;气化过程的后期温度降到100℃时即停止气化,等冷却到室温后取出灰渣,测定〉6毫米的灰渣占灰渣总重的百分数及其相应的最高温度用为煤样的结渣性指标。


十一、煤的热稳定性   

  煤的热稳定性是指煤在高温燃烧或气化过程中对热的稳定程度,也就是煤块在高温作用下保持其原来粒度的性质。热稳定性好的煤,在燃烧或气化过程中能以其原来的粒度燃烧或气化掉而不碎成小块,或破碎较少;热稳定性差的煤在燃烧或气化过程中则迅速裂成小块或煤粉。这样,轻则炉内结渣,增加炉内阻力和带出物,降低燃烧或气化效率,重则破坏整个气化过程,甚至造成停炉事故。因此,要求煤有足够的热稳定性。

  各种工业锅炉和气化炉对煤的粒度有不同的要求,因此测定煤的热稳定性的方法也有所不同。常用的有下列两种:

  (1)13~25毫米级块煤测定法。该法是把煤样放在预热到850℃的马弗炉热处理15分钟,求出各筛级占总残焦的百分数;以各级累计百分数与筛级(1、3、6、13毫米)作出曲线。以大于13毫米级残焦的百分数S+13 作为热稳定性指标,以小于1毫米级残焦的百分数S-1及热稳定性曲线作为辅助指标。

  (2)6~13毫米级块煤测定法。 取6~13毫米级块煤500立方厘米,称出其重量,放入预热致到850℃的马弗炉中加热90分钟,然后取出称重,筛分。将所得〈6毫米,〈3毫米,及〈1毫米的残焦总重量的百分数作为稳定性指标KP6、KP3及KP1指标数值越大,表明热稳定性越差。


煤的热稳定性分级

级     别              热稳定性碇KP6,%

热稳定性好                  ≤30

热稳定性中等                ﹥30~45

热稳定性差                  ﹥45

   

  我国大多数无烟煤的热稳定性较好,KP6均在35%以下,但在高变质无烟煤中也有少数煤热稳定性不好。无烟煤的热稳定性差,是由于其结构致密,加热时内外温度差很大,引起膨胀不同而破裂。热稳定性不好的无烟煤预热处理后,其热稳定性可显著改善。


(作者:佚名 编辑:meibo)

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