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煤和燃料_图文_百度文库

时间:2020-03-17来源:未知 作者:admin点击:
煤和燃料_理化生_高中教育_教育专区。煤的燃烧 1. 绪 论 煤是世界上最重要的燃料,地球上燃料的 储量至今尚未完全探明、但无可置疑,固体 燃料占了大部分。地球上的矿物能源中6

  煤和燃料_理化生_高中教育_教育专区。煤的燃烧 1. 绪 论 煤是世界上最重要的燃料,地球上燃料的 储量至今尚未完全探明、但无可置疑,固体 燃料占了大部分。地球上的矿物能源中60% 的可采储量和82%的估计储量是煤。 不断增长的能源需

  煤的燃烧 1. 绪 论 煤是世界上最重要的燃料,地球上燃料的 储量至今尚未完全探明、但无可置疑,固体 燃料占了大部分。地球上的矿物能源中60% 的可采储量和82%的估计储量是煤。 不断增长的能源需求意味着,所有的现有 常规能源终究会被耗尽,煤也不能例外。不 过在很长时间内,它仍然是发电的主要燃料 和生产焦炭与煤气的原料。 2.1 煤的燃烧过程 通常煤粒被加热时,总有一部分气态物质分解析出,一 般这部分气态物质称为挥发分,而剩余部分称为焦炭。析出 的挥发分如果遇到一定量的空气并且具有足够的温度,就会 着火燃烧起来。由于焦炭比挥发分难于着火,所以焦炭一般 是在部分挥发分或全部挥发分烧掉后才开始着火燃烧的。 煤的燃烧过程可以分成如下几步:首先,煤被加热和干 燥,挥发分开始分解析出。这时如果炉内有足够高的温度, 且有氧气存在,则挥发分着火燃烧,形成光亮的火焰。由于 氧气消耗于挥发分的燃烧,达不到焦炭表面,因此焦炭还是 阴暗的,焦炭中心的温度也不过600—700℃。这样,挥发分 燃烧起了阻碍焦炭燃烧的作用。但另一方面,挥发分在煤粒 附近燃烧,焦炭被加热,这样在挥发分燃尽后,焦炭能剧烈 燃烧,所以挥发分能促进焦炭后期的燃烧。煤的炭化程度愈 浅,挥发分开始析出的温度愈低,愈易着火。但含挥发分少 的煤如贫煤.虽然水分不大,却很难着火。 图中的曲线示出了褐煤燃烧时质量和温度随时间的变化情况。由图可 以看出,从挥发分燃烧到挥发分基本燃烧完毕为止,所需的时间只占燃 料燃烧所需时间的1/10,此后是焦炭的燃烧阶段。当挥发分基本分解燃 烧完毕后.焦炭表面局部开始燃烧、发亮,然后逐渐扩展到整个表面, 焦炭的温度逐渐上升,此后基本保持不变。在焦炭燃烧阶段,仍可能有 部分挥发物析出,但是对燃烧过程起主要作用的是碳。焦炭的燃烧阶段 大约占煤全部燃烧时间的9/10。可见,煤粒的燃烧过程是一个以煤热解、 焦炭燃烧为主体复合而成的复杂过程。 2.2 煤粒的热分解 煤是高分子化合物的复杂混合体,其大分子是由在结构 上类似但又不完全相同的单体基本结构单元聚合而成。这些 基本结构单元是一些聚合的环状结构,如芳香环、脂肪环、 含氧、氮、硫的环状结构等。 由于煤的结构非常复杂又极不稳定,所以在其热分解过 程下的分解方式、热解产品的数量和性质都极易受外界因素 的影响。 按煤热分解的性质,可以将煤的热解过程归为两大类, 即分解反应和缩合缔合反应。当煤粒被加热超过一定温度后, 就进入了热分解阶段。这时煤粒释出焦油和气体,并形成剩 余焦炭。这些焦油和气体称为挥发分。挥发分是由可燃气体 混合物、二氧化碳和水蒸汽所组成。其中可燃气体主要包括 一氧化碳、氢气、气态烃类和少量酚醛。热分解的趋势是使 煤中的热不稳定部分不断地热解、挥发而去.残留部分不断 地缔合增碳,形成热稳定的产物。 一般情况下,煤在热解过程中随着温度的上升,在 105℃以前主要析出吸附气体和水分,但水分要到约300 ℃ 时才能完全析出。在200—300℃时析出的水分称为热解水, 此时也开始析出气态产物,如CO和CO2等,同时有微量的焦 油析出,而且随着温度的上升,煤粒会变软并成为塑性状态。 在300—500℃时,开始大量析出焦油和气体.主要为CH4及 其同系物,以及不饱和烃及CO 、 CO2等,这些称为初次挥 发物。 在初次挥发物扩散出来通过煤粒孔隙或燃料层时,它们 有可能再次分解或热解形成二次挥发物。 另外.在500—750 ℃时,半焦开始热解,此时开始大 量析出含氢较多的气体。在760—1000 ℃时,半焦继续热解, 析出少量以含氢为主的气体,半焦变成高温焦炭。 煤在热分解时其析出产物的产量取决于对煤的加热速率、加 热时的温度范围、加热的持续时间以及煤颗粒尺寸等因素。 图是根据试验结果绘出的煤热分解产 物中成分的变化和挥发物百分数 的关系。可以看出,在热解时析 出的挥发物百分数越大,挥发物 中含有烃类和焦油的百分数越 多。另外,氢在挥发物中的含量 几乎不随所析出挥发物百分数的 增加而变化,但其他的挥发分成 分却随着所析出挥发物百分数的 增加而变化。 虽然上述试验的加热速率比 在煤粉炉火焰中煤粉的实际加热 速率低。 但是他们的试验结果仍可以看成是在煤粉火焰中的一个近似指 标。 2.3 碳粒的燃烧反应机理 碳粒的燃烧是一个气固间的异相反应过程,此时碳和氧之间的反应是 在碳粒的吸附表面上进行的。在氧化气氛下的燃烧反应: 另外,如果产物CO在靠近碳粒表面的气体边界层中与氧相遇,还会 发生下面的燃烧反应: 在一定的温度条件下或当碳粒表面处有水蒸汽存在时,碳还会发生气 化反应: 碳的燃烧机理十分复杂,至今未能完全清楚,在碳粒燃烧过程中, 一些化学动力学参数,如反应速率常数k,活化能E和反应级数n等都不是 固定的常数,它们随碳粒表面性质与状态的不同而有所变化。 CO和CO2谁是最初产物这两种观点曾经争论相持了一个时期,后来 趋于一个比较统一的观点:在碳粒表面上进行的化学反应, CO和CO2这 两种产物是同时出现的,但随着反应温度约变化,产物中CO2与CO的比 例不同。这个观点被迈耶等人的实验所证实。 一般情况下煤和焦炭都是在常压或负压(非高度真空)下进行燃烧的, 着火以后碳粒表面的温度一般为1300—1600℃ 2.4 碳粒燃烧的异相化学反应速度 煤在拆出挥发分以后剩下焦炭,固定碳是焦炭中的可燃 成分。在煤的可燃成分中,固定碳所占比例很大。虽然碳粒 着火晚,但燃烧时间很长,故碳的燃烧是煤燃烧过程中最有 决定性的部分。 根据异相反应理论,观在比较一致的看法是,碳和 氧的反应是氧分子溶人碳品格结构的表面部分,由于化学吸 附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上的吸附层只有单个分 子的厚度,该吸附层首先形成碳氧络合物,然后由于热分解 或其它分子的碰撞刚解吸。解吸形成的反应产物扩散到空间, 剩下的碳表面再度吸附氧气。因此,整个碳表面上的气固异 相反应包括以下的步骤: (1)氧扩散到碳表面。 (2)扩散到碳表面的氧被表面吸附。 (3)吸附在碳表面上的氧在表面进行反应 (4)反应产物从表面解吸。 (5)解吸的产物从碳表面扩散出去。 整个碳表面上的反应速度取决于以上步骤中最慢的一个。 2.5 焦炭的燃烧 焦炭是由固定碳和灰分所组成的,煤粒在热解析出挥发 分后就变成焦炭,煤粒燃烧的后期实际上是焦炭的燃烧。在 焦炭内部,灰分均匀地分布在可燃质中。在焦炭颗粒从外表 面到中心一层一层地燃烧的过程中,外层的灰分就裹在内层 的焦炭外,形成了一层灰壳,这种现象称为裹灰。同时,焦 炭颗粒的表面和内部都有一定的孔隙,这样燃烧反应不仅会 枉然炭的表面进行,也会发生在内部的孔隙中。 ? 可见,焦炭与碳的主要差别在于焦炭中存在着均匀分 布的灰分且内部存在孔隙,因此,讨论焦炭的燃烧规律就变 成了讨论孔隙和裹灰对于碳燃烧的影响规律。 灰分的存在对 焦炭球的燃烧有时有一些触媒的作用、但是裹灰却影响了氧 气向炭质表面的扩散,因而影响了碳的燃烧。 2.6 煤的燃烧方式 根据煤在燃烧过程中的运动形态,可将其 燃烧方式分为三种: 层状燃烧,特点是煤被放置在炉排上。形 成一定厚度的燃料层 悬浮燃烧,特点是煤被磨成很细的煤粉, 在飞越炉膛有限时间(1—2s)内在悬浮状态下完 成全部燃烧。 流化床燃烧,在流化床中,颗粒和气流混 在一起,在一定高度内自由运动,具有流体 一样的流动性。在该状态下进行的燃烧。 2.7 煤炭的利用问题 经济发展中我国幅员辽阔,煤炭储存量大, 煤种众多会遇到各种不同的品种煤炭的利用 问题,其中会包括难燃烧的无烟煤,贫煤和 含水分高,灰份高的低质褐煤等等。 总的说来.必须解块以下的问题: (1)燃烧难于燃烧的无烟煤、贫煤问题; (2)燃烧高灰份的低质煤问题; (3)燃烧高硫煤的问题; (4)燃烧灰熔点低的煤种问题。 2.8 煤的洁净燃烧技术 我国以煤为主的能源消费结构将难以改 变。但是,煤炭的利用效率不高和由燃烧造 成的环境污染一直是制约我国可持续发展的 最重要的因素之一。 为了减少燃煤污染物排放和提高效率。 目前发展迅猛的洁净煤技术有超临界压 力锅炉加烟气脱硫技术(PC—FGD)、循环流化床 锅炉技术(CFBC)和增压流化床锅炉联合循环技 术(PFBC)、整体式煤气化联合循环发电技术 (IGCC) 2.9 循环流化床技术 循环流化床技术是公认的清洁燃烧技术,与煤粉炉相比, 具有热效率高、低NOx、SO2排放、燃料适应性广、灰渣活 性好、脱硫脱硝成本低、负荷调节范围宽、投资少、适用热 电和调峰机组等优势。 煤粉燃烧锅炉与CFBC锅炉适应煤种比较表 3 结论 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,煤炭 的利用效率不高以及燃烧造成的环境污染,一直是 制约我国可持续发展的最重要的因素之一。 面对燃煤利用过程中效率低、污染严重两大难 题,我国应积极开展煤的清洁燃烧、环境友好的多 联产资源化利用、燃煤的近零排放技术、能源利用 过程中的污染物生成、迁移及控制、新能源及低品 位能源的高效清洁利用、热能转换系统监测、诊 断和控制等方面的研究。 这对于我国提高煤炭资源的利用效率、减轻环 境污染、提高人民生活的环境质量、促进社会可持 续发展,均有十分重要的战略意义。 谢谢

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