第三章燃料组成分析 煤的化学组成和结构十分复杂,但作为能源使用,只要了解它与燃烧有关的组成,例如 工业分析组成和元素分析组成,就能满足电厂燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。 第一节煤的工业分析 煤的工业分析组成包括水分、灰分、挥发分和固定碳四项成分。根据工业分析,可初步 判断煤的种类、性质和工业用途。在火电厂中,工业分析数据是锅炉运行人员调节燃烧工况、 计算热效率和提高锅炉运行的安全性和经济性不可缺少的依据。 煤中水分的测定 (一)煤中水分对燃烧的影响 煤的水分,是煤炭计价中的一个辅助指标。它的水分直接影响煤的使用、运输和储存。 煤的水分增加,煤中有用成分相对减少,且水分在燃烧时变成蒸汽要吸热,因而降低了 煤的低位发热量。水分含量过髙,会使煤着火困难,影响燃烧速度,降低炉膛温度,增加化 学和机械不完全燃烧热损失。同时使炉烟体积增加,从而增加炉烟排走的热量和引风机的耗 能量。 煤的水分增加,还增加了无效运输,并给卸车带来了困难。特别是冬季寒冷地区,经常 发生冻车,影响卸车。同时,由于流动性变坏,在输煤过程中容易造成煤仓、输煤管路堵塞 但是,当煤中含有适量水分时,可以防止储运、装卸过程中煤粉损失,减少对环境的污 染。在燃烧时,火焰中有一定量水蒸气,则有利于残碳气化,有利于燃烧。同时还可以加强 传热。所以煤中有适量水分能改善燃烧工况和提髙炉膛辐射效果。 (二)煤中水分的在形态 1.煤中游离水和化合水 煤中水分按存在形态的不同分为两类,既游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在 煤颗粒内部毛细管中和附着在煤颗粒表面的水分;化合水也叫结晶水,是以化合的方式同煤 中矿物质结合的水。如硫酸钙(CaSO42H2O)和高龄土(ALO32SiOz:2HoO)中的结晶水。游 离水在105~110℃的温度下经过1~2小时可蒸发掉,而结晶水通常要在200℃以上才能分解 析出。 煤的工业分析中只测试游离水,不测结晶水。 2.煤的外在水分和内在水分 煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。 外在水分(M),是附着在煤颗粒表面和大毛细管孔(直径>10-5cm)中的水分。外在水 分很容易在常温下的干燥空气中蒸发,蒸发到煤颗粒表面的水蒸气压与空气的湿度平衡时就 不再蒸发了。它的含量多少与煤的性质无关,而主要取决于外界条件,如大气温度、湿度等
1 第三章 燃料组成分析 煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如 工业分析组成和元素分析组成，就能满足电厂燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。 第一节 煤的工业分析 煤的工业分析组成包括水分、灰分、挥发分和固定碳四项成分。根据工业分析，可初步 判断煤的种类、性质和工业用途。在火电厂中，工业分析数据是锅炉运行人员调节燃烧工况、 计算热效率和提高锅炉运行的安全性和经济性不可缺少的依据。 一、煤中水分的测定 （一）煤中水分对燃烧的影响 煤的水分，是煤炭计价中的一个辅助指标。它的水分直接影响煤的使用、运输和储存。 煤的水分增加，煤中有用成分相对减少，且水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了 煤的低位发热量。水分含量过高，会使煤着火困难，影响燃烧速度，降低炉膛温度，增加化 学和机械不完全燃烧热损失。同时使炉烟体积增加，从而增加炉烟排走的热量和引风机的耗 能量。 煤的水分增加，还增加了无效运输，并给卸车带来了困难。特别是冬季寒冷地区，经常 发生冻车，影响卸车。同时，由于流动性变坏，在输煤过程中容易造成煤仓、输煤管路堵塞。 但是，当煤中含有适量水分时，可以防止储运、装卸过程中煤粉损失，减少对环境的污 染。在燃烧时，火焰中有一定量水蒸气，则有利于残碳气化，有利于燃烧。同时还可以加强 传热。所以煤中有适量水分能改善燃烧工况和提高炉膛辐射效果。 （二）煤中水分的在形态 1．煤中游离水和化合水 煤中水分按存在形态的不同分为两类，既游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在 煤颗粒内部毛细管中和附着在煤颗粒表面的水分；化合水也叫结晶水，是以化合的方式同煤 中矿物质结合的水。如硫酸钙（CaSO4·2H2O）和高龄土（Al2O3·2SiO2·2H2O)中的结晶水。游 离水在 105～110℃的温度下经过 1～2 小时可蒸发掉，而结晶水通常要在 200℃以上才能分解 析出。 煤的工业分析中只测试游离水，不测结晶水。 2．煤的外在水分和内在水分 煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。 外在水分（Mf），是附着在煤颗粒表面和大毛细管孔（直径>10-5cm）中的水分。外在水 分很容易在常温下的干燥空气中蒸发，蒸发到煤颗粒表面的水蒸气压与空气的湿度平衡时就 不再蒸发了。它的含量多少与煤的性质无关，而主要取决于外界条件，如大气温度、湿度等
因而它不是一个固定值,工业分析中不测外在水分 内在水分(Mm),是吸附在煤颗粒内部小毛细孔(直径<10°cm)中的水分。内在水分 在室温下不会失去,需在100℃以上的温度经过一定时间才能蒸发。工业分析中空气干燥煤 样在105~110℃的温度条件下失去的水分,称内在水分。由于空气干燥煤样失去的水分不是 确定值,因而内在水分也不是一个确定值,它随煤样空气干燥的条件而变,煤样可比性。但 它可作为基准换算的必需参数,因为所有煤质分析的数据都是由空气干燥煤样测定的。 最高内在水分,当煤颗粒内部毛细孔内吸附的水分达到饱和状态时,这时煤的内在水分 达到最高值,称为最髙内在水分。理论上是100%的湿度条件下煤所能容纳的水分为内在水 分,但由于实际测定困难,只能以相对湿度为96%,温度为30℃下测得的水分来表示,符号 为Mc。最高内在水分与煤的孔隙度有关,而煤的孔隙度又于煤的煤化程度有关,所以,最 髙内在水分含量在相当程度上能表征煤的煤化程度,尤其能更好地区分低煤化度煤。如年轻 褐煤的最高内在水分多在25%以上,少数的如云南弥勒褐煤最高内在水分达31%。最高内在 水分小于2%的烟煤,几乎都是强粘性和髙发热量的肥煤和主焦煤。无烟煤的最髙内在水分比 烟煤有所下降,因为无烟煤的孔隙度比烟煤增加了。 3.煤的全水分 全水分,是煤炭按灰分计价中的一个辅助指标。煤中全水分,是指煤中全部的游离水分, 即煤中外在水分和内在水分之和。必须指出的是,化验室里测试煤的全水分时所测的煤的外 在水分和内在水分,与上面讲的煤中不同结构状态下的外在水分和内在水分是完全不同的 化验室里所测的外在水分是指煤样在空气中并同空气湿度达到平衡时失去的水分(这时吸附 在煤毛细孔中的内在水分也会相应失去一部分,其数量随当时空气湿度的降低和温度的升高 而增大),这时残留在煤中的水分为内在水分。显然,化验室测试的外在水分和内在水分,除 与煤中不同结构状态下的外在水分和内在水分有关外,还与测试是空气的湿度和温度有关 (三)煤中水分测定方法 动力用煤水分的常规分析有收到基煤样的全水分和空气干燥基煤样的内在水分两项。煤 中水分的测定方法有直接法和间接法两种。直接法是直接测定煤的含水量。间接法是使煤在 一定温度下干燥,根据煤样的减重计算储水分的含量。直接法手续繁琐,但其测定结果准确。 间接法简便,其测定结果的重现性也较好,缺点是在干燥过程中,可能使煤中的有机质发生 氧化、分解,测定髙挥发分的煤种更是如此。因此,测定结果只能是近似值,但能符合工业 要求。我国国家标准方法多是采用间接法 1.全水分的测定 根据《煤中全水分的测定方法》GB211-1996的规定,全水分的测定有A、B、C、D四 种方法。其方法要点分述如下 1)方法A(通氮干燥法) 本法适用于各种煤,所用煤样的粒度为小于6mm的煤样。 ①用预先干燥和称量过(称准至0.01g)的称量瓶迅速称取粒度小于6mm的煤样10-12g
2 因而它不是一个固定值，工业分析中不测外在水分。 内在水分（Minh），是吸附在煤颗粒内部小毛细孔（直径<10-5cm）中的水分。内在水分 在室温下不会失去，需在 100℃以上的温度经过一定时间才能蒸发。工业分析中空气干燥煤 样在 105~110℃的温度条件下失去的水分，称内在水分。由于空气干燥煤样失去的水分不是 确定值，因而内在水分也不是一个确定值，它随煤样空气干燥的条件而变，煤样可比性。但 它可作为基准换算的必需参数，因为所有煤质分析的数据都是由空气干燥煤样测定的。 最高内在水分，当煤颗粒内部毛细孔内吸附的水分达到饱和状态时，这时煤的内在水分 达到最高值，称为最高内在水分。理论上是 100％的湿度条件下煤所能容纳的水分为内在水 分，但由于实际测定困难，只能以相对湿度为 96％，温度为 30℃下测得的水分来表示，符号 为 MHC。最高内在水分与煤的孔隙度有关，而煤的孔隙度又于煤的煤化程度有关，所以，最 高内在水分含量在相当程度上能表征煤的煤化程度，尤其能更好地区分低煤化度煤。如年轻 褐煤的最高内在水分多在 25%以上，少数的如云南弥勒褐煤最高内在水分达 31%。最高内在 水分小于 2%的烟煤，几乎都是强粘性和高发热量的肥煤和主焦煤。无烟煤的最高内在水分比 烟煤有所下降，因为无烟煤的孔隙度比烟煤增加了。 3．煤的全水分 全水分，是煤炭按灰分计价中的一个辅助指标。煤中全水分，是指煤中全部的游离水分， 即煤中外在水分和内在水分之和。必须指出的是，化验室里测试煤的全水分时所测的煤的外 在水分和内在水分，与上面讲的煤中不同结构状态下的外在水分和内在水分是完全不同的。 化验室里所测的外在水分是指煤样在空气中并同空气湿度达到平衡时失去的水分（这时吸附 在煤毛细孔中的内在水分也会相应失去一部分，其数量随当时空气湿度的降低和温度的升高 而增大），这时残留在煤中的水分为内在水分。显然，化验室测试的外在水分和内在水分，除 与煤中不同结构状态下的外在水分和内在水分有关外，还与测试是空气的湿度和温度有关。 （三）煤中水分测定方法 动力用煤水分的常规分析有收到基煤样的全水分和空气干燥基煤样的内在水分两项。煤 中水分的测定方法有直接法和间接法两种。直接法是直接测定煤的含水量。间接法是使煤在 一定温度下干燥，根据煤样的减重计算储水分的含量。直接法手续繁琐，但其测定结果准确。 间接法简便，其测定结果的重现性也较好，缺点是在干燥过程中，可能使煤中的有机质发生 氧化、分解，测定高挥发分的煤种更是如此。因此，测定结果只能是近似值，但能符合工业 要求。我国国家标准方法多是采用间接法。 1．全水分的测定 根据《煤中全水分的测定方法》GB211－1996 的规定，全水分的测定有 A、B、C、D 四 种方法。其方法要点分述如下： 1）方法 A（通氮干燥法） 本法适用于各种煤，所用煤样的粒度为小于 6mm 的煤样。 ○1 用预先干燥和称量过（称准至 0.01g）的称量瓶迅速称取粒度小于 6mm 的煤样 10~12g
(称准至001g),平摊在称量瓶中。 ②打开称量瓶盖,放入预先通入干燥氮气并已加热到105~110℃的干燥箱中。烟煤干燥 15h,褐煤和无烟煤干燥2h。 ③从干燥箱中取出称量瓶,立即盖上盖,在空气中放置约5min,然后放入干燥器中冷却 至室温(约20min)后,称量(称准至0.0lg) ⊕进行检査性干燥,每次30min,直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过001g或质量 增加时为止。在后一种情况下,要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在2%以下时 不必进行检査性干燥。 2)方法B(空气干燥法) 本法适用于烟煤和无烟煤,所用煤样的粒度为小于6πm的煤样。 ①用预先干燥和称量过(称准至0.01g)的称量瓶迅速称取粒度小于6mm的煤样10-12g (称准至001g),平摊在称量瓶中。 ②打开称量瓶盖,放入预先鼓风并已加热到105~110℃的干燥箱中。在鼓风条件下、烟 煤干燥2h,无烟煤干燥3h。 ③从干燥箱中取出称量瓶,立即盖上盖,在空气中放置约5min,然后放入干燥器中冷却 至室温(约20min)后,称量(称准至00lg)。 ⊕进行检査性干燥,每次3min,直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过0.0lg或质量 增加时为止。在后一种情况下,要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在2%以下时, 不必进行检查性干燥。 3)方法C(微波干燥法) 本法适用于烟煤和褐煤,所用煤样的粒度为小于6πm的煤样。 4)方法D 本法适用于外在水分高的烟煤和无烟煤,所用煤样的粒度为小于13mm的煤样。根据不 同情况,可选用一步法和两步法 ①一步法 称取一定量的粒度小于13mm的煤样,在空气流中、于105~110℃下千燥到质量恒定。 然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量 Q两步法 将粒度小于13mm的煤样,在温度不高于50℃的环境下干燥,测定外在水分;再将煤样 破碎到粒度小于6mm,在105~110℃下测定内在水分,然后计算出全水分含量
3 （称准至 0.01g），平摊在称量瓶中。 ○2 打开称量瓶盖，放入预先通入干燥氮气并已加热到 105～110℃的干燥箱中。烟煤干燥 1.5h，褐煤和无烟煤干燥 2h。 ○3 从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，在空气中放置约 5min，然后放入干燥器中冷却 至室温（约 20min）后，称量（称准至 0.01g）。 ○4 进行检查性干燥，每次 30min，直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过 0.01g 或质量 增加时为止。在后一种情况下，要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在 2%以下时， 不必进行检查性干燥。 2）方法 B（空气干燥法） 本法适用于烟煤和无烟煤，所用煤样的粒度为小于 6mm 的煤样。 ○1 用预先干燥和称量过（称准至 0.01g）的称量瓶迅速称取粒度小于 6mm 的煤样 10~12g （称准至 0.01g），平摊在称量瓶中。 ○2 打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到 105～110℃的干燥箱中。在鼓风条件下、烟 煤干燥 2h，无烟煤干燥 3h。 ○3 从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，在空气中放置约 5min，然后放入干燥器中冷却 至室温（约 20min）后，称量（称准至 0.01g）。 ○4 进行检查性干燥，每次 30min，直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过 0.01g 或质量 增加时为止。在后一种情况下，要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在 2%以下时， 不必进行检查性干燥。 3）方法 C（微波干燥法） 本法适用于烟煤和褐煤，所用煤样的粒度为小于 6mm 的煤样。 4）方法 D 本法适用于外在水分高的烟煤和无烟煤，所用煤样的粒度为小于 13mm 的煤样。根据不 同情况，可选用一步法和两步法； ○1 一步法 称取一定量的粒度小于 13mm 的煤样，在空气流中、于 105～110℃下干燥到质量恒定。 然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量。 ○2 两步法 将粒度小于 13mm 的煤样，在温度不高于 50℃的环境下干燥，测定外在水分；再将煤样 破碎到粒度小于 6mm，在 105～110℃下测定内在水分，然后计算出全水分含量
5)精密度 两次重复测定结果的差值不得超过下表规定: 全水分,% 重复性,% <10 0.4 5 2.内在水分的测定(空气干燥基水分的测定) 《煤的工业分析方法》GB212-2001规定,使用粒度小于0.2mm的空气干燥基煤样测定 煤的内在水分。《煤的工业分析方法》GB212-2001将甲苯蒸馏法删去了。此标准规定了煤的 2种内在水分测定方法。其方法要点分述如下: 1)方法A(通氮干燥法) 此方法适用于所有煤种。在仲裁分析中遇到有用空气干燥煤样水分进行校正及基的换算 时,应用此法测定空气干燥煤样水分。 ①用预先干燥和称量过(精确至0.0002g)的称量瓶称取粒度为0.2mm以下的空气干燥 煤样1±0.lg,精确至00002g,平摊在称量瓶中。 ②打开称量瓶盖,放入预先通入干燥氮气1并已加热到105~110℃的干燥箱中。烟煤干 燥1.5h,褐煤和无烟煤干燥2h 注:1)在称量瓶放入干燥箱前 10min开始通气,氮气流量以每小时换气15次计算。 ③从干燥箱中取出称量瓶,立即盖上盖,放入干燥器中冷却至室温(约20mi)后,称 量 ⊕进行检査性干燥,每次30mi,直到,连续两次干燥煤样质量的减少不超过000lg或 质量増加时为止。在后一种情况下,要采用质量増加前一次的质量为计算依据。水分在2% 以下时,不必进行检查性干燥。 ◆40 图1玻璃称量瓶
4 5）精密度 两次重复测定结果的差值不得超过下表规定： 全水分，％ 重复性，％ <10 0.4 ≥10 0.5 2．内在水分的测定（空气干燥基水分的测定） 《煤的工业分析方法》GB212-2001 规定，使用粒度小于 0.2mm 的空气干燥基煤样测定 煤的内在水分。《煤的工业分析方法》GB212-2001 将甲苯蒸馏法删去了。此标准规定了煤的 2 种内在水分测定方法。其方法要点分述如下： 1）方法 A（通氮干燥法） 此方法适用于所有煤种。在仲裁分析中遇到有用空气干燥煤样水分进行校正及基的换算 时，应用此法测定空气干燥煤样水分。 ○1 用预先干燥和称量过（精确至 0.0002g）的称量瓶称取粒度为 0.2mm 以下的空气干燥 煤样 1±0.1g，精确至 0.0002g，平摊在称量瓶中。 ○2 打开称量瓶盖，放入预先通入干燥氮气 1)并已加热到 105～110℃的干燥箱中。烟煤干 燥 1.5h，褐煤和无烟煤干燥 2h。 注：1）在称量瓶放入干燥箱前 10min 开始通气，氮气流量以每小时换气 15 次计算。 ○3 从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温（约 20min）后，称 量。 ○4 进行检查性干燥，每次 30min，直到，连续两次干燥煤样质量的减少不超过 0.001g 或 质量增加时为止。在后一种情况下，要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在 2% 以下时，不必进行检查性干燥。 图 1 玻璃称量瓶
2)方法B(空气干燥法) 此方法仅适用于用煤和无烟煤。 ①用预先干燥并称量过(精确至0.0002g)的称量瓶称取粒度为0.2mm以下的空气干燥 煤样1±0.lg,精确至00002g,平摊在称量瓶中。 ②打开称量瓶盖,放入预先鼓风并已加热到105~110℃的干燥箱中,在一直鼓风的条 件下,烟煤干燥Ih,无烟煤干燥1~1.5h。 注:1)预先鼓风是为了使温度均匀。将称好装有煤样的称量瓶放入干燥箱前3~5πin就开始通风 ③从干燥箱中取出称量瓶,立即盖上盖,放入干燥器中冷却至室温(约20mi)后,称 量 ⊕进行检査性干燥,每次30min,直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.00lg或质 量增加时为止。在后一种情况下,要采用质量増加前一次的质量为计算依据。水分在2%以下 时,不必进行检查干燥 3)结果计算 M 式中:Mad—空气干燥煤样的水分含量,% m——煤样干燥后失去的质量,g: m煤样的质量,g。 4)水分测定的精密度 水分测定的重复性如下表规定 水分(M),% 重复性限,% <5.00 5.00~10.00 >10.00 0.40 、煤中灰分的测定 煤的灰分,是指煤中所有可燃物在815±10℃条件下完全燃烧,其中矿物质在空气中发生 系列分解、化合等复杂反应后所剩余的残渣。煤中灰分来自矿物质,但它的组成和重量与 煤中矿物质完全不同,因为这个残渣是煤中可燃物完全燃烧,煤中矿物质(除水分外所有的 无机质)在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物,所以确切地说,灰分应 称为灰分产率。一般简称为灰分 (一)煤中矿物质 煤中矿物质分为内在矿物质和外在矿物质
5 2）方法 B（空气干燥法） 此方法仅适用于用煤和无烟煤。 ○1 用预先干燥并称量过（精确至 0.0002g）的称量瓶称取粒度为 0.2mm 以下的空气干燥 煤样 1±0.1g，精确至 0.0002g，平摊在称量瓶中。 ○2 打开称量瓶盖，放入预先鼓风 1)并已加热到 105～110℃的干燥箱中，在一直鼓风的条 件下，烟煤干燥 1h，无烟煤干燥 1～1.5h。 注：1）预先鼓风是为了使温度均匀。将称好装有煤样的称量瓶放入干燥箱前 3~5min 就开始通风。 ○3 从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温（约 20min）后，称 量。 ○4 进行检查性干燥，每次 30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过 0.001g 或质 量增加时为止。在后一种情况下，要采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在 2%以下 时，不必进行检查干燥。 3）结果计算 式中：Mad——空气干燥煤样的水分含量，%； m1——煤样干燥后失去的质量，g； m——煤样的质量，g。 4）水分测定的精密度 水分测定的重复性如下表规定： 水分（Mad），％ 重复性限，％ <5.00 0.20 5.00～10.00 0.30 >10.00 0.40 二、煤中灰分的测定 煤的灰分，是指煤中所有可燃物在 815±10℃条件下完全燃烧，其中矿物质在空气中发生 一系列分解、化合等复杂反应后所剩余的残渣。煤中灰分来自矿物质，但它的组成和重量与 煤中矿物质完全不同，因为这个残渣是煤中可燃物完全燃烧，煤中矿物质（除水分外所有的 无机质）在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物，所以确切地说，灰分应 称为灰分产率。一般简称为灰分。 （一）煤中矿物质 煤中矿物质分为内在矿物质和外在矿物质