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        煤炭化驗知識 - 煤炭燃燒

        時間:2013-06-17 11:47來源:鶴壁市創新儀器儀表有限公司 作者:煤質化驗專家 點擊:

              煤炭質量,是指煤炭產品在自身的形成和開采、加工過程中所具有的、能夠滿足不同用戶需求的特征或特性的總和。根據煤炭產品質量特性和用途,可用一定的質量指標(或標準)來表示。如按煤的工業分析,可用煤的固定碳、揮發分、灰分和水分等指標來表示;按煤的元素分析,可用煤中碳(C)、氫(H)、氧(n)、氮(N)、硫(S)、磷(P)及微量元素含量的多少來表示;按煤的工藝性質,煤炭質量又可用煤的發熱量(0)、煤的粘結性(R·I)和結焦性(y)、煤的熱穩定性(TS)、煤灰的熔融性(DT、ST或FT)、煤的反應性、煤的燃點(T)以及煤的可選性等指標來表示。

          一、水分

          1、外在水分(Wwz):外在水分是指在煤開采、運輸和洗選過程中潤濕在煤的外表以及大毛細孔(直徑>10-5厘米)中的水。它以機械方式與煤相連結著,較易蒸發,其蒸汽壓與純水的蒸汽相等。在空氣中放置時,外在不分不斷蒸發,直至煤中水分的蒸汽壓與空氣的相對濕度達到平衡時為止,此時失去的水分就是外在水分。含有外在水分的煤稱為應用煤,失去外在水分的煤稱為風干煤。外在水分的多少與煤粒度等有關,而與煤質無直接關系。

          2、內在水分(Wnz):吸附或凝聚在煤粒內部毛細孔(直徑〈10-5厘米〉中的水,稱為內在水分。內在水分指將風干煤加熱到105~110時所失去的水分,它主要以物理化學方式(吸附等)與煤相連結著,較難蒸發,故其蒸汽壓小于純水的蒸汽壓。失去內在水分的煤稱為絕對干燥或干煤。

          二、灰分

          1、灰分的來源和種類:煤灰幾呼全部來源于煤中的礦物質,但煤在燃燒時,礦物質大部分被氧化,分解,并失去結晶水,因此,煤灰的組成和含量與煤中礦物質的組成和含量差別很大。我們一般說的煤的灰分實際上就是煤灰產率,煤中礦物質和灰分的來源,一般可分三種。

          (1)原生礦物質:它是原來存在于成煤植物中的礦物質,物質緊密地結合在一起,極難用機械的方法將其分開。它燃燒后形成母體灰分,這部分數量很小。

          (2)次生礦物質:當死亡植質堆積和菌解時,由風和水帶來的細粘土,砂?;蛴伤锈}、鎂、鐵等離子生成的腐植酸鹽及FeS2等混入而成,在煤中成包裹體存在。用顯微鏡觀察煤的光片或薄片時,如它們均勻分布在煤中,并且顆粒很細,則很難與煤分離;如它們顆粒較大,比重與差很大,并在煤中分布不均, 則把煤破啐后尚可能將它們洗選掉。

          煤中的原生礦物質和次生礦物質合稱為內在礦物質。來自于內在礦物質的灰分,稱為內在灰分。一般次生礦物質在煤中的含量也不多,僅有少數煤層中次生礦物質較多,如遷移堆積抽形成的煤層即如此。

          (3)外來礦物質:這種礦物質原來不含于煤層中,它是由在采煤過程中混入煤中的頂、底板和夾矸層中的矸石所形成的。

          其數量多少,根據開采條件不同而有很大波動。它的主要成分為SiO2和A12O3,也有一些CaSO3、CaSO4、FeS2等。這類礦物質應通過加強質量管理,靈活地使用炸藥,鞏固坑道,合理采煤并通過轉筒篩選機篩選和手選的方法予以減少。外來礦物質的塊度,比重越大時,越易分離,可用一般選煤方式將它除掉。外來礦物質在煤燃燒時形成的灰分稱為外在灰分。

          2、煤灰熔融性

          煤灰熔融性和煤灰粘度是動力用煤的重要指標。煤灰熔融性習慣上稱作煤灰熔點,但嚴格來講這是不確切的。因為煤灰是多種礦物質組成的混合物,這種混合物并沒有一個固定的熔點,而僅有一個熔化溫度的范圍。開始熔化的溫度遠比其中任一組分純凈礦物質熔點為低。這些組分在一定溫度下還會形成一種共熔體,這種共熔體在熔化狀態時,有熔解煤灰中其他高熔點物質的性能,從而改變了熔體的成分及其熔化溫度。

          煤灰成分及其含量與層聚積環境有關。我國很多煤層的礦物質以粘土為主,煤灰成分則以SiO2、A12O3為主,兩者總和一般可達50~80%。在濱海沼澤中形成的煤層,如華北晚石炭紀煤層黃鐵礦含量高,煤灰中Fe2O3及SO3含量亦較高;在內陸湖盆地中形成的某些第三紀褐煤的煤灰中CaO含量較高。

          大量試驗資料表明,SiO2含量在45~60%時,灰熔點隨SiO2含量增加而降低;SiO2在其含量〈45%或〉60%時,與灰熔點的關系不夠明顯。A12O3在煤灰中始終起增高灰熔點的作用。煤灰中A12O3的含量超過30%時,灰熔點在1500?;页煞种蠪e2O3、CaO、MgO均為較易熔組分,這些組分含量越高,灰熔點就越低?;胰埸c也可根據其組成用經驗公式進行計算。

          三、揮發分和固定碳

          揮發分主要是煤中有機質熱分解的產物,評價煤質時為了排除水分、灰分變化的影響,須將分析煤樣揮發分換算為以可燃物為基準的揮發分,以符號VR表示。換算公式為:

          Vr=Vf 100 100-WF-AF

          式中:Vr——可燃基(無水無灰基)揮發分,%;

          Vf——分析基揮發分,%;

          Wf——分析煤樣水分,%;

          Af——分析煤樣灰分,%。

          揮發分隨煤化程度升高而降低的規律性十分明顯,可以初步估計煤的種類和化學工藝性質,而且揮發分的測定簡單、快速,幾乎世界各國都采用可燃基揮發分(Vr)作為煤炭工業分類的第一分等指標。

          揮發分的分析結果常受煤中礦物質的影響。所以當煤中碳酸鹽含量較高時,礦物質在高溫下分解出來的CO2等也包括在揮發分內。所以當煤中碳酸鹽含量較高,分解出來的CO2產率大于2%時,需要對煤的揮發進行校正。也可在測定揮發分之前,用鹽酸處理分析煤樣,使煤中碳中碳酸鹽事先分解。在我國大多數煤中,粘土礦物,高嶺土在560析出的結果水也算入揮發分,因此粘土礦物含量高的煤所測出的揮發分通常偏高。

          固定碳就是測定揮發分后殘留下來的有機物質的產率,可按下式算出:

          Cgd=1000-(Wf+Af+Vf)

          焦渣按其形狀,特征的不同可分為八種類型,用來初步表示不同煤種的粘性、熔融性及膨脹性。根據揮發分測定后的焦渣可知,泥炭、褐煤、煙煤中長焰煤、貧煤及無煙煤沒有粘結性;煙煤中氣、肥、焦、瘦煤都有粘結性,可作為煉焦煤,而其中肥煤和焦煤沒有粘結性最好,其坩堝焦熔融,粘結良好且具有膨脹性。

          四、煤的發熱量(卡/克或千卡/千克)

          把一克煤樣放在高壓充氧的彈筒中燃燒,由量熱計測得的發熱量稱為彈筒發熱量(QDT)。當煤在彈筒中燃燒時,在高溫高壓下,氮生成硝酸,硫生成硫酸都釋放出熱量,這部分熱量也包括在彈筒發熱量內。另外,水分在彈筒的高壓下保持液態,也放出冷凝熱。而煤在空氣中燃燒時,硫成為二氧化硫放出,而水分仍保持水蒸汽狀態,故彈筒發熱量減去硫和氧的校正值后的發熱量稱為高位發熱量(QGW)

          工業上多采用應用煤的低位發熱量(QDW)作為計算和設計的依據。低位發熱量可按下式計算:

          QDW=QGW-6(W+9H)

          式中:QGW,QDW----應用煤的高,低位熱量,卡/克;

          WY----應用煤的全水分,%;

          HY----應用煤的氫含量,%

          煤的發熱量除直接設定外,還可以根據元素分析或工業分析的數據進行估算。煤科院煤化學研究所(北京煤化所)根據我國煤質資料推導出許多發熱量計算式,例如:

          利用元素分析數據,估算可燃基高位發熱量的半經驗公式

          低煤化程度的煤:

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

          式中,HR前面的系數對褐煤為305,對長焰煤、不粘煤和弱粘煤為310;對AG≤10%的煤,不計算最后一項灰分的校正值。

          由上式可知,OR、AG越高,QJW越低。

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

          無煙煤(低灰和高灰適用):QGW=80(78.1)CR+320HR+22SR+(SR-OR)-8(AG-10)

          式中,對FR﹥1.5%的一般無煙煤,CR前面的系數用80;對HR≤1.5%的年老無煙煤,CR前面的系數采用78.1;對AG≤10%的所有無煙煤,公式中最后一項應予刪去。

          利用工業分析數據,估算低熱值煤高位發熱量的半經驗公式

          高灰(AF>45~90%)煙煤:QGW=81CGD+55VF-3AF

          高灰無煙煤:QGW=80CGD+50VF-3AF

          石煤:QGW=80CGD+40VF-3AF

          

          五、煤中的硫

          煤中硫分的賦存形態通??煞譃橛袡C硫和無機硫兩大類,煤中各種形態的硫分的總和稱為全硫(SQ)

          1)有機硫:煤的機質中所含的硫稱為有機硫 (SYJ)。有機硫主要來自成煤植物中的蛋白質和微生物的蛋白質。蛋白質中含硫0.3~2.4%,而植物整體的含硫量一般都小于0.5%(紅樹等濱海鹽生植物的硫分較高)。一般煤中有機硫的含量較低,但組成很復雜,主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇、噻吩類雜環硫公物及硫醌分合物等組成或官能團所構成。有機硫與煤的有機質結為一體,分布均勻,很難清除,用一般物理洗選方法不能脫除。一般低硫煤中以有機硫為主,經過洗選,精煤全硫因灰分減少而增高。

          2)無機硫:無機硫又分為硫鐵礦硫(STL)和硫酸鹽硫(STY)兩種,有時也有微量的元素硫。硫化物硫與有機硫合稱為可燃硫,硫酸鹽硫則為不可燃硫。硫化物硫中絕大部分以黃鐵礦硫形態存在,有時也有少量的白鐵礦硫。它們的分子式都是FeS2,但黃鐵礦是正方晶系晶體,多呈結梳狀、透鏡狀、團塊狀和浸染狀等形態存在于煤中;白鐵礦則是斜方晶系體,多呈放射狀存在,它在顯微鏡下的反射率比黃鐵礦低。硫化物硫清除的難易程度與礦物顆粒大小及分布狀態有關,顆粒大的可利用黃鐵礦與有機質比重不同洗選除去。但以極細顆粒均勻分布在煤中的黃鐵礦則即使將煤細碎也難以除掉。

          硫化物硫在高硫煤的全硫中所占比重較大,它們一部分來源于適煤植物及其轉化產物中的硫化物,另一部分則是由停滯缺氧水中的硫酸鐵等鹽類還原生成的。

          硫酸鹽硫主要存在形態是石膏(CaSO4.2H2O),也有少量綠礬(FeSO4.7H2O)等。我國在部分煤中硫酸鹽含量小于0.1%,部分煤為0.1~0.3%。一般硫酸鹽硫含量較高的煤,可能曾受過氧化。

          六、煤中的磷

          煤中的磷主要是無機磷,也有微量有機磷。煉焦時,煤中磷全部進入焦炭,焦中磷又全部進入生鐵,使鋼鐵冷脆。因此,磷是煤中有害成分。我國煤中磷含量較低,一般為0.01~0.1%,最高不超過1%。多數情況下不超過煉焦用煤的工業要求Pg<0.01%。

          七、煤的機械強度

          煤的機械強度測試方法有幾種,應用比較普遍的落下試驗法是根據煤塊在運輸、裝卸、入爐過程中落下,互相撞擊而破碎等特點擬定的。測定方法為:選取60~100毫米的塊煤稱重。然后一塊一塊地從2米高處落到厚度大于15毫米的金屬板上,這樣自由跌落三次之后,用25毫米的方孔篩篩分,以大于25毫米的塊煤重量占總重量的百分數來表示煤的機械強度,其分級標準如下:

          煤的機械強度分級

          級 別 落下試驗法(>25毫米),%

          高強度煤 >65

          中強度煤 >50~65

          低強度煤 >30~50

          特低強度煤 ≤30

          我國大多數無煙煤的機械強度好,一般為60~92%。但也有一些煤成片狀、粒狀,煤質松軟,機械強度差,一般為20~40%,部分甚至在20%以下。

          八、粘結指數

          煙煤的粘結指數測定是將一定質量的試驗煤樣和專用無煙煤樣(我國以寧夏汝萁溝礦生產的專用無煙煤為標準煤樣),在規定的條件下混合,快速加熱成焦,所得焦塊在一定規格的轉鼓內進行強度檢驗,以焦塊的耐磨強度,即抗破壞力的大小來表示煤樣的粘結能力。粘結指數是判別煤的粘結性、結焦性的一個關鍵指標。

          粘結指數是我國北京煤化所參考羅加指數測定原理提出的表征煙煤粘結性的一種指標。該指標的測定方法是按1:5或3:3的配比使煙煤和標準無煙煤混合后灼燒,測定其所得焦塊的強度。

          煙煤的粘結指數(GR.I)與R.I不同之點在于:

          1.專用無煙煤的統一加工及選定

          2.標準無煙煤的粒度由R.I法的0.3--0.4毫米,改為GR.I法的0.1--0.2毫米,擴大強粘煤的測值范圍,同時由于無煙煤粒度與試驗用煙煤粒度相近,容易混勻,減少指標誤差,提高測定的重現性與穩定性;

          3.在測定弱粘結性煤的粘結指數時,將無煙煤與煙煤的配比改為3:3,解決羅加法中對弱粘煤的測定不準的問題;

          4.實現了機械攪拌,改善了試驗條件,減少了人為誤差;

          5.將三次轉鼓試驗改為二次,并改變計算分式,簡化了操作。這些改進受到國內有關煤炭、冶金化驗單位的歡迎。GR.I法已被國內用于煤的分類,在擴大煉焦用煤范圍及煉焦配煤、焦炭質量預測等方面,并取得可喜成果。

          九、煤的反應性

          煤的反應性,又稱活性。指在一定溫度條件下煤與不同氣化介質的反應程度。反應性強的煤,在氣化和燃燒過程中,反應速度快,效率高。尤其當采用一些高效能的新型氣化技術時,反應性的強弱直接影響到煤在爐中反應的情況、耗氧量、耗煤量及煤氣中的有效成分等。在流化燃燒新技術中,煤的反應性強弱與其燃燒速度也有密切關系。因此,反應性是氣化和燃燒的重要特性指標。

          將CO2還原率(a,%)與相應的測定溫度繪成曲線,可以看出,煤的反應性隨反應溫度的升高而加強;各種煤的反應性隨變質程度的加深而減弱,這是由于碳和CO2的反應不僅在燃料的外表面進行,而且也在燃樣的內部微細孔隙的毛細管壁上進行,孔隙率越高,反應表面積越大。不同煤化程度的煤及其干餾所得的殘炭或焦炭的氣孔率,化學結構是不同的,因此其反應性顯著不同。褐煤的反應性最強,但在較高溫度時,隨溫度升高其反應性顯著增強。煤的灰分組成與數量對反應性也有明顯的影響。堿金屬和堿土金屬的化合物能提高煤、焦的反應性,降低焦炭反應后的強度。

          十、煤的結渣性

          煤的結渣性是反映煤灰在氣化或燃燒過程中成渣的特性,它對評價煤的加工利用特性有很重要的實際意義。

          在氣化中,煤灰的結渣會給操作帶來不同程度的影響,結渣嚴重時將會導致停產。因此,必須選擇不易結渣或只輕度結渣的煤炭用作氣化原料。由于煤灰熔點并不能完全反映煤在氣化爐中的結渣情況,因此,須用煤的結渣性來判斷煤在氣化中的結渣難易程度。

          煤的結渣性測定要點,是用空氣為氣化介質,來氣化預先加熱到800~850℃的赤熱煤樣;氣化過程的后期溫度降到100℃時即停止氣化,等冷卻到室溫后取出灰渣,測定〉6毫米的灰渣占灰渣總重的百分數及其相應的最高溫度用為煤樣的結渣性指標。

          十一、煤的熱穩定性

          煤的熱穩定性是指煤在高溫燃燒或氣化過程中對熱的穩定程度,也就是煤塊在高溫作用下保持其原來粒度的性質。熱穩定性好的煤,在燃燒或氣化過程中能以其原來的粒度燃燒或氣化掉而不碎成小塊,或破碎較少;熱穩定性差的煤在燃燒或氣化過程中則迅速裂成小塊或煤粉。這樣,輕則爐內結渣,增加爐內阻力和帶出物,降低燃燒或氣化效率,重則破壞整個氣化過程,甚至造成停爐事故。因此,要求煤有足夠的熱穩定性。

          各種工業鍋爐和氣化爐對煤的粒度有不同的要求,因此測定煤的熱穩定性的方法也有所不同。常用的有下列兩種:

         ?。?)13~25毫米級塊煤測定法。該法是把煤樣放在預熱到850℃的馬弗爐熱處理15分鐘,求出各篩級占總殘焦的百分數;以各級累計百分數與篩級(1、3、6、13毫米)作出曲線。以大于13毫米級殘焦的百分數S+13 作為熱穩定性指標,以小于1毫米級殘焦的百分數S-1及熱穩定性曲線作為輔助指標。

         ?。?)6~13毫米級塊煤測定法。 取6~13毫米級塊煤500立方厘米,稱出其重量,放入預熱致到850℃的馬弗爐中加熱90分鐘,然后取出稱重,篩分。將所得〈6毫米,〈3毫米,及〈1毫米的殘焦總重量的百分數作為穩定性指標KP6、KP3及KP1指標數值越大,表明熱穩定性越差。

          煤的熱穩定性分級

          級 別 熱穩定性碇KP6,%

          熱穩定性好 ≤30

          熱穩定性中等 ﹥30~45

          熱穩定性差 ﹥45

          我國大多數無煙煤的熱穩定性較好,KP6均在35%以下,但在高變質無煙煤中也有少數煤熱穩定性不好。無煙煤的熱穩定性差,是由于其結構致密,加熱時內外溫度差很大,引起膨脹不同而破裂。熱穩定性不好的無煙煤預熱處理后,其熱穩定性可顯著改善。

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