燃烧器设计

2.4 煤的发热量 (1) 定义 单位物量煤完全燃烧时放出的热量称为发热量。煤的发热 量有高位发热量Qgr,v和低位发热量Qnet,v两种。 高位发热量——1kg煤完全燃烧时放出的全部热量，包含烟 气中水蒸汽凝结时放出的热量。低位发热量——1kg煤完 全燃烧时放出的全部热量中扣除水蒸汽气化潜热后的热量。 煤在锅炉中燃烧后排烟温度一般较高，烟气中的水蒸不能 凝结，所以我国锅炉设计中采用煤的低位发热量作为燃料 带进锅炉的热量的计算依据。 高位发热量与低位发热量之差，按收到基计算为 Qgr,v,ar - Qnet,v,ar=2500(9Har/100+Mar/100)=25(9Har+Mar) (kJ/kg) 式中 2500——水在0℃时的汽化潜热近似值（kJ/kg） Har/100，Mar/100――煤中收到基氢和水分的质量百分数 （％）
1.5 灰分（A） 灰分不仅降低燃料的发热量，影响燃料的着火与稳 燃，而且容易导致锅炉受热面的结渣、沾污、积灰、磨 损、腐蚀等一系列问题，直接影响锅炉的安全经济运行。 因此灰分含量的多少也是评价燃料质量优劣的指标之一。 另外灰中还含有一些重金属，如砷As、镉Cd、铬Cr、 汞Hg、铅Pb、硒Se等，如果排入大气，会对环境产生 污染。 灰份的含量在各种煤中变化很大，少的只有4～5％， 多的可达60～70％。
(2) 发热量的测定 煤的发热量按GB/T213进行。标准规定了煤的高位发热量 的测定方法和低位发热量的计算方法，适用于泥煤、褐煤、 烟煤、无烟煤和炭质页岩，以及焦炭的发热量测定。
(3) 发热量的近似计算方法 发热量除直接测定外，可根据元素分析结果进行近似计算。 锅炉设计中常用的发热量计算公式门捷烈也夫算式如下： Qnet,v,ar=339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar (kJ/kg)
1.4 硫（S） 煤中的硫以三种形态存在，即有机硫、铁矿硫和硫 酸盐硫。前两种参与燃烧，放出少量的热，每千克可燃 硫的发热量仅为9100KJ，第三种不参与燃烧，只转化 成灰份。我国大部分动力用煤含硫量一般在0.3～2％， 有的高达3～5％。 硫也是有害元素，燃烧后生成的SO2和少量SO3， 排入大气后也会造成环境污染。不仅如此，SO3还会使 露点大大升高，同时SO2和SO3能溶解于水中变成H2SO3 （亚硫酸）和H2SO4（硫酸）,会造成锅炉低温受热面 （如空气预热器）堵灰和金属腐蚀（即低温腐蚀）。另 外硫的燃烧产物H2S（硫化氢）会对锅炉水冷壁产生高 温腐蚀（生成硫化铁和氧化铁），存在于过热器和再热 器结灰层中的复合硫酸盐（Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3） 会对过热器和再热器产生高温腐蚀。
（2）空气干燥基 表示在实验室经过自然干燥，去掉外在水分后煤的 成份。它是将去掉外在水分后其余成份之和当作100％， 用下标“ad” (air dry 的简写)表示，其表达式为： Cad + Had + Oad + Nad+ Sad + Aad + Mad = 100% 空气干燥基常在实验室内作煤的分析时采用。
100 100 Ad
100 Mar Aar 100
1
注：表中M、A为水分和灰分，其下角标表示在不同的基准下
2.3 煤的元素分析和工业分析 (1) 煤的元素分析 煤的元素分析是指煤中所含有机质C、H、O、N、S的测定。 元素中碳、氢、氧、氮的测定按GB476进行。 (2) 煤中全水分的测定方法 煤中全水分的测定按GB/T211进行。 (3) 煤的工业分析 煤的工业分析是一种实用性的技术分析，方法比较简便， 不一定需要专门的实验室，适用于发电厂等运行单位对煤 质的日常监督，包括测定煤中所含水分（Mad）、灰份 （Aad）、挥发份（Vdaf）和固定碳含量（FCad）的计算 四项。煤的工业分析按GB/T212进行。
1、煤的成分及其特性 煤的主要成分是碳（C）、氢（H）、氧（O）、 氮（N）、硫（S），以及灰分（A）和水分 （M）。其中碳、氢、可燃硫为可燃成分，水 分和灰分为不可燃成分。灰的主要成份为各种 矿物质，如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、 MgO、K2O、Na2O、P2O5、TiO2等。
1.1 碳（C） 碳是煤中的主要可燃元素，以各种碳氢化合物和 碳氧化合物的状态存在，含量一般占煤成分的15～90 ％。碳元素包括固定碳和挥发分中的碳。埋藏年代越 久的煤，其碳化程度越深，含碳量也越高，而氢、氧、 氮等的含量由于挥发则减少。 通常，含碳量愈多，发热量愈高。碳在完全燃烧时 生成二氧化碳（CO2），每千克纯碳可放出33727KJ的 热量；碳在不完全燃烧时生成一氧化碳（CO），每千 克纯碳仅放出9270KJ的热量。由于纯碳的着火与燃尽 都较困难，因此，含碳量愈高的煤，着火与燃尽愈难。
（1）着火稳定性指数Rw RW＝3.59 + 0.054 Vdaf ——RW＜4.02 为极难着火煤种 ——4.02≤RW＜4.67 为难着火煤种 ——4.67≤RW＜5.00 为中等着火煤种 ——5.00≤RW＜5.59 为易着火煤种 ——RW≥5.59 为极易着火煤种
（2）燃烬特性指数RJ RJ＝1.22 + 0.11 Vdaf ——RJ＜2.5 为极难燃烬煤种 ——2.5≤RJ＜3.0 为难燃烬煤种 ——3.0≤RJ＜4.4 为中等燃烬煤种 ——4.4≤RJ＜5.29 为易燃烬煤种 ——RJ≥5.29 为极易燃烬煤种
（1）变形温度（DT）： 尖锥尖端或棱开始变圆或弯曲时的温度 （2）软化温度（ST）： 灰锥弯曲至锥尖触及托板或灰锥变成球形的温度 （3）半球温度（HT）： 灰锥形变至近似半球形，即高约等于底长的一半 时的温度 （4）流动温度（FT）： 灰锥熔化展开成高度在1.5mm以下的薄层时的温度
4、煤质特性分析方法 在进行锅炉和燃烧器设计之前，我们首先要了解燃用煤质 的特性。专门对燃煤进行非常规的试验，如煤粉—空气混 合物射流着火温度IT；煤的热重分析即热天平；结渣特性 和燃尽特性测试（一维火焰炉法），可以比较准确地了解 燃用煤质的特性。 如果没有上述试验资料时，一般采用指数法的经验公式进 行判断。
干燥无灰基daf
100 100 Mar Aar
收到基 ar
空气干 燥基ad
1
100 Mar 100 Mad
100 Mar 100
1
100 Mad 100
100 Mad Aad 100
100 100 Mad Aad
干燥基 d
干燥无 灰基daf
1
100 Ad 100
3.2 煤灰熔融性的测定 煤灰熔融性是煤灰在高温下达到熔融状态时的温度，过 去习惯上称为灰熔点，严格上讲是不太确切的。因为煤灰 是一种多组分的混合物，没有一个固定的熔点，仅有一个 熔融的温度范围。 我国过去用t1，t2，t3三个特征温度来表示灰的熔融特 性，其中t1为灰的变形温度，t2为灰的软化温度，t3为灰的 流动温度。新的煤灰熔融性测试方法GB/T219-1996采用 DT、ST、HT、FT四个特征温度来表示灰的熔融特性。
3 煤灰渣的成分及其特性 3.1 灰的成分及其对熔融性的影响 我国火电厂煤灰的成分主要以氧化物来表示，如SiO2、 Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、 MnO2、P2O5等。灰中主要成分是SiO2和Al2O3，两者合 占煤灰的60％～70％，其余30％～40％为各种氧化铁 （FeO，Fe2O3，Fe3O4）、CaO、MgO、TiO2、SO3、 P2O5、Na2O、K2O 、MnO2、P2O5等。在煤灰的各种氧 化物中，SiO2、Al2O3和TiO2为酸性氧化物，而Fe2O3、 CaO、MgO、K2O和Na2O为碱性氧化物。对于大多数煤灰， 其SiO2含量最多，因而呈弱酸性。 一般，酸性氧化物具有提高煤灰熔融温度的作用，其 含量越多，熔融温度就越高；相反，碱性氧化物却有降低 煤灰熔融温度的作用，其含量越多，熔融温度就越低。
（3）干燥基 表示去掉全部水分的煤的成份。它是将除去水分外的煤 的各种成份之和当作100％，用下标“d” （dry的简写） 表示，其表达式为： Cd + Hd + Od + Nd+ Sd + Ad = 100% 干燥基成份不受水分的影响，常用以表示灰份的含量。
（4）干燥无灰基 表示去掉全部水分和灰份的煤的成份。它是将全部 水分和灰份两种含量不稳定的成份去掉，其余的组成 成份之和当作100％，用下标“daf” （dry ash free 的 简写）表示，其表达式为： Cdaf + Hdaf + Odaf + Ndaf+ Sdaf = 100% 干燥无灰基组成不受水分、灰分变化的影响，可以 比较准确地表示出煤的实质。常用它来表示挥发份的 含量。煤的挥发份是煤在加热过程中分解出来的气态 物质，其主要组成元素为碳、氢、氧，主要组成气体 为氢气、各类碳氢化合物、一氧化碳，以及少量的二 氧化碳、水蒸汽、氮气等惰性气体。挥发份受热很容 易达到着火温度而燃烧，因此挥发份的干燥无灰基含 量常常用来判别煤种及其属性。
1.6 水分（M） 水分也是煤中的不可燃成分。煤中水分以三种不同 的形态存在，即外在水分、内在水分（吸附和凝聚在煤 块内部毛细孔中的水分）和结晶水分（存在于煤的矿物 质中的结晶水）。外在水分易于蒸发，变化很大；内在 水分不易蒸发，在一定温度下（105～110℃）可以风干； 结晶水分需在200℃以上才能析出，通常工业分析时不 予测定。煤中水分含量变化极大，少则百分之几，如无 烟煤约2％～9％；多则可达40％～60％，如高水分褐煤。
1.3 氧（O）和氮（N） 氧和氮都是煤中的不可燃元素，因此氧氮元素的存 在会使燃料中可燃元素相对减少，发热量有所下降。燃 料中含氧量变化很大，煤中的含氧量随碳化程度加深而 减少。煤种不同含量变化很大，含量少的只有1～2％ (如无烟煤),多的可达40％左右（如泥煤）。煤中氮的含 量一般很少，约为0.5～2.5％。 在煤的燃烧过程中，氮的一部分会与氧化合生成 NOx，排入大气后会造成环境污染，因此在进行锅炉及 其燃烧设备设计时，应重视NOx的排放指标。