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燃料基础知识

电厂燃料概述：

能源工业是国民经济的基础。

我国发展电力的基木特点，是以燃煤为基础，以火电为主，煤电占总发电量的80%。

从捉高发电效率、节约能源和解决环保三方而来考虑，走可持续发展的道路。

电力燃料，特别是电煤质量与上述三方面都有着十分密切的关系。

2002年原国家电力公司直供燃煤发电厂耗煤总量达3.68亿吨，数以万计的科技人员直接从事燃料监督和试验工作。

随着电力生产的发展，锅炉机组容量口益增人，就需要提供数量更多，质量更好的电力燃料。

了解和掌握动力燃料的基本知识及其物理化学特性，切实做好火电厂燃料的采制样及化验工作，对降低发电成木，确保锅炉机组的安全经济运行，具有极其重要的意义。

第一节煤的形成、组成和特性

一、煤的形成

煤是tir占代植物形成的。

植物分低等植物和高等植物两大类。

在地球上储量最多的煤由高等植物形成，统称为腐植煤，即现代被广泛使用的褐煤、烟煤和无烟煤等。

高等植物的有机化学组成主要为纤维素和本质素，此外述冇少量蛋白质和脂类化合物等；无机化学组成主耍为矿物质。

古代植物随地壳运动而被埋入地下，经过长期的细菌生物化学作用以及地热高温和岩层高压的成岩、变质作用，使植物屮的纤维索、木质索发生脱水、脱一氧化碳、脱甲烷等反应，而后逐渐成为含碳丰富分口J燃性岩石，这就是煤。

该过程成为煤化作用，它是一

个增碳的碳化过程。

根拯煤化程度的深浅、地质年代氏短以及含碳量多少可将煤划分为泥炭、

组成植物质的有机元素主要为碳、氢、氧和少量氮、硫和磷。

这些元素在成煤过程中随着地质年代的增长，变质程度加深，含碳量逐步增加，氢和氧逐步减少，硫和氮则变化不大。

植物f6〉泥炭

。

门日加。

］。

C16H18O5

—2比（）、褐煤_C6、烟煤—2CHy-比（）〉无烟煤

^16^14^3C15H14OG3H4

二、煤的组成

煤在成煤过程漫长的地质年代中，其原始的组成和结构发生了变化，形成一种新物质。

煤是由多种结构形式的有机物（或称煤索质），与少量种类不同的无机物（或称矿物质）组成的混合物。

煤中冇机物的基本结构单元，主要是带冇侧链和官能团的缩合芳香核体系，随着变质程度的加深，基本结构单元中六碳环的数目不断增加，而侧链和官能团则不断减少。

煤中无机物的组成极为复杂，所含元素多达数十种，常以硫酸盐、碳酸盐（主要是钙、镁、铁等盐）、硅酸盐（铝、钙、镁、钠、钾）、黄铁矿（硫）等矿物质的形态存在。

此外还有一些伴生的稀有元素,如错（Ge）、硼（B）、钺（Be）、钻（Co）、钳（Mo）等。

煤仅作为能源使用吋，就没有必要对其化学结构作详尽的了解，只从热能利用（即燃料的燃烧）方而去分析和研究煤的组成，基本上就能够满足电力生产的要求。

在工业上常将煤的组成划分为工业分析组成和元索分析组成两种。

了解这两种组成就可以为煤的燃烧提供基本数据。

工业分析组成是用工业分析法测岀的煤的不可燃成分和可燃成分，不可燃成分为水分和灰分；可燃成分为挥发分和固定碳。

这四种成分的总量为100o无机物J水分（包括外在水分和内在水分）

烬（不可燃成分）（灰分（主要为含Ca、Al、Si、Fe等元索的无机矿物质）

尿有机物J挥发分（由C、H、O、N、S元素组成的气态物质）

（可燃成分）［固定碳（主要由C元素组成的固态物质）

工业分析法带有规范性，所得的组成与煤的同有组成完全不同，但它给煤的工艺利用带来很大的方便。

工业分析法采用了常规重量分析法，以重量百分比计量各组成，可得到可靠的百分组成。

这有利于煤质计量、煤种划分、煤质评佔、用途选择、商品计价等。

元素分析组成是用元素分析法测出煤中的化学元素分析组成，该组成可示出煤中某些有机元素的含量。

元索分析组成包括C、H、0、N、S五种元素，这五种元素加上水分和灰分,其总量为100。

元素分析结果对煤质研究、工业利用、锅炉设计、环境质量评价等都是极为有用的资料。

三、煤的性质

煤的性质指煤的物理性质、化学性质和工艺性质。

这些性质都与成煤的原始物质、聚积环境、地质条件和煤化程度有关。

作为动力用煤的主要性质包括发热量、可磨性、煤粉细度、煤灰熔融性、密度（包括真（相对）密度、视（相对）密度和堆积密度）、着火点。

1.发热量（Q）

煤的发热量，又称为煤的热值，即单位质量的煤完全燃烧所发出的热量。

煤的发热量是煤按热值计价的基础指标。

煤作为动力燃料，主要是利用煤的发热量，发热量愈高，其经济价值愈大。

同时发热量也是计算热平衡、热效率和煤耗的依据，以及锅炉设计的参数。

2.可磨性

煤的可磨性是指煤研磨成粉的难易程度。

用可磨性指数表示，符号为HGI（哈氏指数）。

它具有规范性，无量纲。

其规范为规定粒度下的煤样，经哈氏可磨仪，用规定的能量研磨后,在规定的标准筛上筛分，称量筛上煤样质量，并由用已知哈氏指数标准煤样绘制的标准曲线上查得该煤的哈氏指数。

它是设计和选用磨煤机的重要依据。

3.煤粉细度（finenessofpulverizedcoal）

煤粉细度是指煤粉中各种大小尺寸颗粒煤的重量百分含量，它表征煤粉颗粒分布的均匀程度。

通常以和200um筛上煤粉量来表示。

它可用筛分法确定，即使煤粉通过一定孔径的标准筛，计量筛上煤粉重量占试样重量的百分数。

符号为心，下标为标准筛孔径。

在一定的燃烧条件下，煤粉细度对磨煤能量耗损和燃烧过程中的热损失有较大影响。

4.煤灰熔融性

煤灰熔融性又称灰熔点，是动力和气化用煤的重要指标。

煤灰是煤屮可燃物质燃烬后的残留物，由各种矿物质组成的混合物，没有一个固定的熔点，只有一个熔化温度的范围。

当煤灰受热时，它由同态逐渐向液态转化而呈塑性状态。

煤灰熔融性就是表征煤灰在高温下转化为塑性状态时，其粘塑性变化的一种性质。

煤灰在塑性状态时，易粘附在金屈受热面或炉墙上，阻碍热传导，破坏炉膛的止常燃烧工矿。

所以煤灰的熔融性是关系锅炉设计、安全经济运行等问题的重耍性质。

表示熔融性的方法具有较强的规范性，它是将煤灰制成三角锥体,在规定的条件下加热，根据其形态变化而规定的三个特征温度：

即DT（变形温度）、ST（软化温度）和FT（熔化温度）。

一般用ST评定煤灰熔融性。

5.真（相对）密度、视（相对）密度和堆积密度

煤的真（相对）密度定义为在20°C时煤（不包括煤的孔隙）的质量与同温度、同体积水的质量之比，符号为TRD,无量纲。

视（相对）密度定义为在20°C时煤（包括煤的孔隙）的质量与同温度、同休积水的质量Z比，符号为ARD,无量纲。

堆积密度是指单位体积（包括煤粒的体枳和煤粒间的空隙）中所含煤的质量，单位为g/cnro

真密度用于煤质研究、煤的分类、选煤或制样等工作。

视密度用于煤层储量的估算。

而堆积密度在火电厂小，主要用于计算进厂商品煤装车量以及煤场盘煤。

6.着火点

煤的着火点或称着火温度，是将煤加热到开始燃烧时的温度，也称煤的燃点，临界温度和发火温度，单位为°C。

它的测定具有规范性，使用不同的测试方法，对同一煤样，着火点的值也会不同。

一般是将氧化剂加入或通入煤中，对煤进行加热，使煤发生爆燃或有明显的升温现象，然后求出煤爆燃或急剧升温的临界温度，作为煤的着火点。

我国测定着火点时采用亚硝酸钠做氧化剂，在燃点测定仪屮进行测定。

着火点与煤的风化、自燃、燃烧、爆炸等冇关，所以它是一项涉及安全的指标。

第二节煤的基准

一、基准表示法

由于煤屮水分和灰分的含量受到外界条件的影响，其它成分的百分量亦将随Z变更，所以不能简单地用成分百分量來表明煤的种类和某些特性，而必须同时指明百分数的基准是什么。

“基”即是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的。

煤质分析屮常用的“基冇空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。

1•收到基（asreceivedbasis）

收到基（旧称应用基），是以进入锅炉房原煤仓内（或进入贮煤场内）的煤作为基准，表示符号为ar。

其表达式为

Car十比「十0如十Nar十Sar十十MiU-=100%

FCar十Var十人前十Mar=100%

收到基成分含量反映了煤作为收到状态下的各成分含量。

锅炉热力计算均采用收到基成分。

2.空气干燥基（airdrybasis）

空气干燥基是指把在实验室经过□然风干后的煤作为基准（以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。

表示符号为配），用下式表示

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%

FCad+Vad+Aad+Mad=100%

空气干燥基成分含量一般在实验室内作煤样分析时釆用。

3.干燥基（drybasis）

干燥基是指以完全干燥状态（去掉全水分）的煤作为基准，表示符号为血以下式表示：

Cd+Hd+Od十Nd十Sd十Ad=100%

FCd十Vd十Ad=100%

由于干燥基成分不受水分含量的影响，所以用Ad來表示煤中的灰分含量更为准确。

4.干燥无灰基（dryash-freebasis）

干燥无灰基是指以假想无水无灰状态下的煤作为基准，表示符号为daf。

用下式表示：

Cgf十Hdaf干Ogf十Ngf十S（jaf=100%

FC何十Vdaf=100%

由于干燥无灰基成分既不受水分含量的影响，又不受灰分含量的影响比较稳定，所以常用来表示煤的挥发分含量。

上述的煤的成分及各种分析基准之间的关系，可用下图所示。

空干基

干煥展

一干爆无灰基■

碳

氢

氮

硫

A

H

0

N

S

Mm1

固定碳挥发分

—__一

必须指出：

收到基是包括煤中全水分的成分组合。

全水分中的外在水分变易性较大，由煤矿发出的煤到火电厂收到的煤或进锅炉燃烧的煤都是用收到基表示其成分组合。

但由于时间、空间等条件的差异，水分会冇较大的变化，因此，同一种煤虽是按同一的收到基计算出來的成分百分含量，也会冇差异。

此时应根据实际情况对分析结果给予合理地处理。

煤的成分和特性（即煤质分析项目）通常都是用一定符号表示，对于某些成分，由于它

在煤中的有多种形态或分析化验时的条件、方法不同，使用单一的符号还不能完全表明其含

义。

例如水分有内在水分和外在水分；硫有有机硫、硫酸盐硫和硫化铁硫等。

为了区分诸如

此类的差异，通常在符号的右下角外附加符号注明。

国际标准《煤质分析试验方法一般规定》

屮对煤质分析项口的符号作了同一规定，即采用国际标准化组织规定的符号。

总结如下：

表1・2煤质符号表

项目

英文

新符号

旧符号

工业分析成分

水分

Moisture

M

W

灰分

Ash

A

A

挥发分

VolatileMatter

V

V

固定碳

FixedCarbon

FC

Cgd

元素分析成分

Carbon

C

C

Hydrogen

H

H

氧

Oxygen

O

O

氮

Nitrogen

N

N

硫

Sulfur

S

S

各项性质

发热量

CalorificValue

Q

Q

真密度

TrueRelativeDensity

TRD

d

视密度

ApparentRelativeDensity

ARD

dsh

哈氏指数

HardgroveGrindabilityIndex

HGI

Khg

灰熔融性

变形温度

DeformationTemperature

DT

Ti

软化温度

SofteningTemperature

ST

t2

流动温度

FluidTemperature

FT

门

表1・3煤质项目存在状态和条件符号

项目

外在

水分

内在水分

全水分

有机硫

硫酸

盐硫

硫化

铁硫

全硫

弹筒

硫

高位发

热录

低位发

热录

弹筒发

热录

碳酸盐二氧化碳

英文

Free

Moisture

Inherent

Moisture

Total

Moisture

Organic

Sulfur

Sulfate

Sulfur

Pyretic

Sulfur

Total

Sulfur

Gross

Calorific

Value

Net

Calorific

Value

Bomb

Calorific

Value

Carbon

Dioxidein

Carbonate

新符号

M和山

So

Ss

Sp

Sb

QSr

Qnet

Qb

co2

旧符号

Wnz

WQ

sYJ

Sly

S

Sdt

Qgw

Qdw

Qdt

（CO2）TS

表1・4煤质基准符号

名称

收到基

空气干燥基

干燥基

十燥无灰基

（IH名称）

（应用基）

（分析基）

（丁燥基）

（可燃基）

英文

asreceivedbasis

airdrybasis

drybasis

dryash-freebasis

符号

ar

ad

d

daf

（旧符号）

（y）

（f）

（g）

（r）

二、基准换算

出于煤质分析所使用的样品为空气干燥后的煤样，分析结果的计算是以空气干燥基为基准得出的。

二实际使用和研究时，往往要求知道符合原来煤质状态的分析结果。

为此在使用基准时，必须按符合实际的“成分组合”进行换算。

表1.5列出了各种分析基准之间的换算系数。

这是根据质量守恒定律导出的，可以用于同种煤不同分析基准Z间除水分以外的各种成分（如C、H、O>N、S、A）、挥发分和高位发热量的换算。

表1・5煤的各基准之间的换算系数K

已知煤的基准

欲求煤的基准

收到基

空气丁燥基

干燥基

干燥无灰基

收到基

1

100-呱

100

100

100

100-M

100

空气干燥基

100-M“

1

100

100

100Wd

100-M“d

100-叽-鶴

干燥基

100—M“

100-M“d

1

100

100

100

100-九

干燥无灰基

l00-Mar-Aar

100—-九

100-亀

1

100

100

100

下面通过两个例题來说明表1.5中换算系数K的导出方法和应用。

例1.1己知煤的从Ma「、和从Mad，试导出其收到基和空干基之间的换算系数Ka.ad及

收到基和干燥无灰基之间的换算系数Kar-dafo

解现设煤的收到基为100.外在水分为M,、内在水分为Mz,并以C“和C,d及C•"和C★之间的换算为例来导出y和K—如°

（1）由图27可知.在同一煤种的收到基和空干基中，除水分之外的其他成分（如碳

尊〉的质董是不变的.

即

因此町得

C

100广

ad100-Ml>r

又因

M.r=Mnh十M

Msh=M.r—Mf

M_lOOMd—100

即有

"100（Mr—M"）

-100

所以有

厂100—

Bd_100_胚

显然

y100—

…沁-100-.vnr

（2）同理可知.在同一煤种的收到基和干燥无灰基中，除水分和灰分之外的其他成分（如碳等）的质量也是不变的，由此可得

Cdttf（100一如—A/Q=C“X100

可见

100

100—乙”一

本例所导出的两个换算系数正好与表2-1所列出的相符。

例2-2某煤样的空干基工业分析成分为M.d=2・00%,入=25・03%=17%,

人＜j=14.80%c

（1）求干燥无灰基挥发分含量；

（2）若已知「=11.00%,求收到基成分。

解

（1）査表2・1得，屏=100/（100—九一MQ,即有干燥无灰基挥发分含直为

T7100”100八，

U如==[00―应.80—2.00X2,03=30・08（%）

（2）同理得K—=（100—MQ/（100-MQ,

因此收到基工业成分为

Mar=11.00%（已知）

相应地

=K,d“Ad=0.9082X14・80=13.44（%）

Vir=22.73（%）

FCar=52.83（%）

第三节煤的分类

为了合理地开发煤炭资源，便于工业利用途径，冇效地进行科学管理以及商品计价等，应将煤进行分类。

煤的分类是综合考虑了煤的形成、变质、各种特性以及用途等确定的。

根据煤的分类表就可以按照需要选用合适的煤种。

煤的分类方法很多，不同国家或不同的利用途径，有各自的分类要求。

理想的煤分类方法是既有充分的科学依据，又有实际使用价值。

1983年联合国欧洲经济委员会煤炭委员会制定的国际煤分类，将煤分为低煤化度、中等煤化度和高煤化度三类（大体上分别相当于褐煤、烟煤、无烟煤，不包括泥炭、油页岩等）。

一、中国煤炭分类法（见表1・6,P9）

类别

符号

包括数码

分类指标

V^（%）

粘结1K数

G

胶质层最大厚度Y（mm）

臭亚序胀度b（%）

透光率

"（%〉

刿HC①

（MJ/kg）

无烟煤

WY

01,02,03

S・o

贫煤

PM

11

>10.0〜20・0

<5

■

贫瘦煤

PS

12

>10>0—20,0

>5〜20

瘦煤

SM

13,】4

>10.0〜20.0

>20—65

滋煤

JM

24

15,Z5

>20.0〜28.0

>讥0~28.0

>50〜65

>65

C25.0

050）

肥煤

FM

16,26,36

>10・0~37.0

085）

>25,0

1/3焦煤

1/3JM

35

>28・0~37・0

>65

W25.0

（忑220）

气肥煤

QF

46

>37.0

085）

>25.0

0220）

%煤

QM

34

1

43.44,45

>28.0〜37・0

>37.0

>50~65

>35

C25.0

〈W220）

1/2中粘煤

1/-2ZN

23.33

>20.0—37<0

>30—50

•

霸粘煤

RN

22,32

>20.0—37.0

>5〜30

不粘煤

BN

21,31

>20」~37.0

<5

T

长赔煤

CY

41,42

>87.0

WS5

>50

•

褐«

HM

51

52

>37.0

>37.0

W3G

>30〜50

M24

®Qfr^.^C为含艰高内衽水分的无灰基离位发热斤。

经过多年研究，1986年国家标准局批准了新的分类方案并以“GB5751-86小国煤炭分类”，向全国发布试行。

该标准以反映煤变质程度的挥发分产率和表征煤粘结性的粘结指数G值为主耍分类指标，以胶质层最人厚度Y值和奥亚膨胀度b值为区分强粘结煤的辅助指标，以透光率Pm和煤的高位发热量为区分长焰煤和褐煤的辅助指标。

将煤分为十四大类，褐煤、无烟煤各为一类。

烟煤分为十二类，包括：

长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤等。

此外，褐煤还分为二小类，无烟煤分为三小类。

在分类表中还采用数码编号來表示煤的性质，便于利用计算机对煤质实行现代化管理和指导煤的利用。

1.分类参数

1）本标准按煤的煤化程度及工艺性能进行分类；

2）采用煤的煤化程度参数来区分无烟煤、烟煤和褐煤。

即丁燥无灰基挥发分Vm作为分类指标将煤划分为三大类：

褐煤、烟煤和无烟煤。

凡VdafGO%的煤为无烟煤，VdQlO%的煤为烟煤，Vdaf>37%的煤为褐煤；

3）无烟煤煤化程度的参数采用干燥无灰基挥发分和丁燥无灰基氧含量作为指标，以此來

区分无烟煤的小类，将烟煤分为三小类：

无烟煤2号、无烟煤2号和无烟煤3号；

4）采用两个参数来确定烟煤的类别，一个是表征烟煤煤化程度的参数，另一个是表征烟煤粘结性的参数。

烟煤煤化程度的参数采用干燥无灰基挥发分作为指标。

烟煤粘结性的参数,根据粘结性的大小不同选用粘结指数、最大胶质层厚度（或奥亚膨胀度）作为指标，以此來区分烟煤小的类别，将烟煤分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2屮粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤等12种；

5）褐煤煤化程度的参数，采用透光率作为指标，用以区分褐煤和烟煤，以及褐煤屮划分小类。

并采用恒湿无灰基高位发热量为辅来区分烟煤和褐煤，将褐煤划分为两类：

褐煤1号和褐煤2号。

2.煤类的划分和编码

为了便于现代化管理，分类中采取了煤类名称、代号与数字编码和结合的方式。

种类煤用两位阿拉伯数码表示。

I•位数系按煤的挥发分分组，无烟煤为0,烟煤为1〜4,褐煤为5。

个位数，无烟煤类为1〜3,表示煤化程度；烟煤类为1〜6,表示粘结性；褐煤类为1〜2,表示煤化程度。

二、发电用煤的分类

为适应火电厂动力用煤的特点，捉高煤的使用效率，发电用煤的分类是根据对锅炉设计、煤种选配、燃烧运行等方面影响较犬的煤质项目制定的。

这些项目为干燥无灰基挥发分Vdaf、干燥基灰分Ad、全水分Ml、干燥基全硫Sa和煤灰的软化温度ST等五项。

因发热量Qnew与煤的挥发分密切相关，并能影响锅炉燃烧的温度水平，所以用它作为Vdaf和T2的一项辅助指标,两者相互配合使用。

这种分类如表1-11（P12）所列，表中各项目均划分成不同级别，其中Vdaf（Qnet.ar）分为5级,Ad分为3级,Mf（Vdaf）.Mt（Vdaf）.S“、ST（Qnet,ar）各分为2级。

各项目的分级界限值是根据试验室和现场的大量数，经数理统计最优分割法得出的，它对锅炉设计、选用煤种及安全经济燃烧都有指导意义。

Vdaf分为5级，各级间两个参数的界限值是相互适应的，按此分级选用煤种吋，可以保证燃烧的稳定性和最小的不完全燃烧热损失。

若煤的vd<6.5%,则煤粉的着火特性很差，燃烧不稳定，运行经济性差。

Ad分为3级，它可用以判断煤燃烧的经济性。

Ad值超过第三级的煤，不仅经济性差，而且还会造成燃烧辅助系统和对流受热面的严重磨损以及维修费用的增加。

分类指标

煤种名称

代号

分级界限

辅助指标界限

1

挥发分

低挥发分无烟煤

V.

:

>6.5%〜10%

Q……>20・91MJ/kg

V①

低中挥发分贫變煤

V,

>10%〜19%

Qw>18・40MJ/k倉

V¥

中挥发分烟煤

>19%〜20%

g,“>16・31MJ/kg

中高挥发分烟煤

X

>27%〜40%

Q—>15・47MJ/kg

高挥发分烟褐煤

V.

>40%

S…A!

l・70M〕/畑

1

灰分

低灰仑煤

A、

<24%

常