2.1　固體燃料的種類和性質(zhì)

2.1.1　固體燃料的種類

天然的固體燃料有各種煤、可燃頁(yè)巖、木材、秸稈、谷殼以及各種植物的莖、葉等。人造固體燃料主要是煤和木柴加工后制得的焦炭、半焦與木炭。這些固態(tài)可燃物中，廣泛用作工業(yè)燃料的只有煤和焦炭（包括半焦），近年來(lái)由于環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，生物質(zhì)固體燃料正在大力推廣。

（1）煤

固體燃料主要指煤。煤是埋藏于地層內(nèi)已炭化的可燃物。它作為燃料比較便宜，而且我國(guó)的儲(chǔ)藏量巨大，因此在煤源豐富及運(yùn)輸方便的地區(qū)均以煤作為主要燃料，是使用最廣泛的一種固體燃料。

煤是棕色至黑色的可燃燒的類似巖石的固體，它由植物經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)的演變和沉積而成。最初這些植物的沉積常常是在沼澤地或潮濕的環(huán)境中進(jìn)行，并逐漸腐爛風(fēng)化形成泥漿或泥煤。泥煤就是煤的前身，泥煤經(jīng)過(guò)埋藏沉積以及隨后的地質(zhì)過(guò)程，包括壓力及溫度增高，演變成煤。在煤化過(guò)程的不同階段，除泥煤外，煤可分為褐煤、煙煤（包括高、中、低揮發(fā)分）以及無(wú)煙煤（包括半無(wú)煙煤、無(wú)煙煤、高碳化無(wú)煙煤或石墨煤）。

①泥煤是最年輕的煤，也是由植物剛剛變過(guò)來(lái)的煤，其炭化程度最低，在結(jié)構(gòu)上它還保留有植物遺體的痕跡。泥煤多是由沼澤地帶的植物沉積在空氣量不足和存在大量水分的條件下生成的，其含水率高達(dá)80%～90%，因而泥煤質(zhì)地疏松，吸水性強(qiáng)，需進(jìn)行露天干燥以后才可用于燃燒。

風(fēng)干后的泥煤仍含有30%～40%的水分，灰分在干燥基中約占10%，體積密度為300～400kg/m³，低位發(fā)熱量為8000～10000kJ/kg，可燃基中碳元素占55%～60%，氫占6%左右，硫通常不超過(guò)0.5%，其余為氧和氮。在化學(xué)組成上與其他煤種相比，泥煤含氧量最高，達(dá)28%～30%，含碳量較低。

使用上泥煤揮發(fā)分高，可燃性好，反應(yīng)性高。它含硫低，機(jī)械性差，灰分熔點(diǎn)很低。工業(yè)上泥煤用于燒鍋爐和作氣化原料，但其工業(yè)價(jià)值不大，不能遠(yuǎn)途運(yùn)輸，只能作地方性燃料使用。

②褐煤是泥煤經(jīng)過(guò)進(jìn)一步炭化后生成的，是植物炭化的第二期產(chǎn)物，但煤化程度仍較低，其顏色一般為褐色或暗褐色，無(wú)光澤，含木質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于能將熱堿水染成褐色，因而得名“褐煤”。

褐煤在性質(zhì)上與泥煤有很大的不同。它的密度較泥煤的大，體積密度為750～800kg/m³。新開(kāi)采的褐煤含水率在35%～50%，可燃基中含碳65%～78%，氫4.5%～6.5%，氧15%～25%，其余為氮和硫，揮發(fā)分在40%以上。灰分在干燥基中的含量為11%～33%。應(yīng)用基低位發(fā)熱量通常只有12545～16726kJ/kg。

褐煤揮發(fā)物析出溫度較低，因此易于著火燃燒，在空氣中自燃著火溫度為250～450℃。褐煤由于灰分熔點(diǎn)低，燃燒時(shí)易結(jié)渣，因此需采用低溫燃燒等技術(shù)措施。褐煤可用作工業(yè)或生活燃料，也可作用汽化與低溫干餾用原料，但由于其在空氣中易生化和破碎，只能作地方性燃料，多被就近利用。

③煙煤是一種煤化程度較高的煤種，其中已完全看不見(jiàn)木質(zhì)構(gòu)造。其外觀為黑色或灰黑色，有瀝青似的光澤。煙煤質(zhì)地較硬，有較高的硬度，燃燒時(shí)出現(xiàn)紅黃色火焰和棕青色濃煙，帶有瀝青氣味。

與褐煤相比，煙煤的含水率進(jìn)一步減少（內(nèi)在水分在10%以下），氧和揮發(fā)分也減少，碳分與發(fā)熱量則增加。其可燃性碳含量為80%～90%，氫4%～4.6%，含氧率一般在3%～15%之間，氮與硫含量同褐煤的相近，揮發(fā)分為10%～40%，應(yīng)用基煙煤低位發(fā)熱量在20908～33453kJ/kg之間。供應(yīng)狀態(tài)的煙煤原料一般含內(nèi)在水分2%～5%，灰分在20%～30%。

煙煤較易著火，自燃著火溫度為400～500℃。煙煤的最大特點(diǎn)是具有黏結(jié)性，這是其他固體燃料所沒(méi)有的，因此是煉焦的主要原料。當(dāng)然對(duì)煉焦的煤要有一定的選擇，并非所有的煙煤都具有黏結(jié)性，也不是所有有黏結(jié)性的煤都適合于煉焦。我國(guó)根據(jù)煤的黏結(jié)性及揮發(fā)性大小等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步把煤分為長(zhǎng)煙煤、氣煤、肥煤、結(jié)焦煤、瘦煤等不同的品種。其中長(zhǎng)煙煤和氣煤揮發(fā)分含量高，容易燃燒和適合于制造煤氣。結(jié)焦煤具有良好的結(jié)焦性，適合于生產(chǎn)冶金焦炭。

④無(wú)煙煤也稱“白煤”，是煤化程度最高的煤，也是年齡最老的煤，其特點(diǎn)是色黑質(zhì)堅(jiān)，有半金屬似的光澤。它是由煙煤在炭化過(guò)程中進(jìn)一步逸出揮發(fā)分與水分，相應(yīng)增高碳分而形成的。可燃基中碳分一般高達(dá)90%以上（90%～97%），氫與氧均占1%～4%，揮發(fā)分在10%以下。無(wú)煙煤的內(nèi)在水分多在3%以下，灰分同煙煤的相近，低位發(fā)熱量在33453kJ/kg左右（可燃基）。

無(wú)煙煤揮發(fā)分不僅析出溫度高，而且量少，因此著火困難并較難燃盡。無(wú)煙煤無(wú)結(jié)焦性，焦炭呈粉狀，灰分量少但熔點(diǎn)低。無(wú)煙煤燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生煤煙，火焰很弱或無(wú)火焰，不黏結(jié)，自燃著火溫度在700℃左右。同時(shí)，由于無(wú)煙煤組織密實(shí)、堅(jiān)硬、吸水性小，適合于遠(yuǎn)途運(yùn)輸、長(zhǎng)期貯存，因此，無(wú)煙煤通常用作動(dòng)力和生活用燃料，也用于制取化工用氣。

（2）焦炭

一般所說(shuō)的焦炭包括焦炭和半焦，皆為煙煤經(jīng)干餾后的制得物。干餾是將天然固體燃料在隔絕空氣的情況下加熱至一定溫度的一種熱化學(xué)加工方法，有高溫干餾和低溫干餾之分。煙煤經(jīng)高溫干餾（900～1100℃）得到的固態(tài)產(chǎn)物即為焦炭（同時(shí)還制得焦?fàn)t煤氣和高溫煤焦油），經(jīng)低溫干餾（500～550℃）則得到半焦（同時(shí)還得到半焦煤氣與低溫煤焦油）。

焦炭為多孔塊狀，呈銀灰色或無(wú)光澤灰黑色，低位發(fā)熱量為5400～6500kJ/kg。焦炭主要由非揮發(fā)性碳與灰分組成，主要用作冶金工業(yè)的還原劑和燃料，也用于汽化過(guò)程的化工原料，只有次焦及碎焦才用作燃料。半焦強(qiáng)度差，易碎，殘余揮發(fā)分與雜質(zhì)較多，主要用作燃料和汽化原料。

（3）生物型煤

它是在煤粉中添加有機(jī)物、脫硫劑等，將其混合后經(jīng)高壓而制成具有易燃、脫硫效果顯著、高熱效率、未燃損失小等特點(diǎn)的型煤。煤可選擇無(wú)煙煤、褐煤等，有機(jī)物可用麥秸、稻草、玉米秸稈、鋸末等。添加有機(jī)物降低了生物型煤的燃點(diǎn)，而且燃后留下的空隙增加了空氣流通量，起到膨化助燃作用。生物型煤原料配比選擇對(duì)其性能的影響如表2-2所列。

表2-2　生物型煤原料配比選擇對(duì)其性能的影響

（4）生物基有機(jī)固體燃料

秸稈和谷殼等是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品。我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，如何變廢為寶，將其轉(zhuǎn)化為有用的能源，還需要進(jìn)一步的研究。

近年來(lái)，生物質(zhì)材料成形燃料技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，具有一定粒度的生物質(zhì)原料，在一定壓力作用下（加熱或不加熱），可以制成棒狀、粒狀和塊狀等各種成形燃料。原料經(jīng)擠壓成形后，密度可達(dá)1.1～1.4t/m³，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒特性明顯改善，火力持久，黑煙少，爐膛溫度高，而且便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。目前生物質(zhì)致密成型工藝從廣義上可劃分為常溫壓縮成型、熱壓成型和炭化成型三種主要形式。國(guó)內(nèi)外幾種生物質(zhì)致密成型設(shè)備的主要性能技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表2-3與表2-4。

表2-3　國(guó)外部分生物質(zhì)成形機(jī)主要性能指標(biāo)

表2-4　國(guó)內(nèi)幾種生物質(zhì)致密成形設(shè)備主要性能技術(shù)指標(biāo)

2.1.2　固體燃料的成分分析

2.1.2.1　固體燃料的成分

固體燃料可分為可燃成分和不可燃成分兩部分。可燃成分或粗略地分為揮發(fā)分和固定碳兩部分，或精細(xì)地按元素組成。不可燃成分包括水分和灰分。

（1）可燃元素

固體燃料的可燃成分包括揮發(fā)分與固定碳，因此習(xí)慣上以這兩部分的元素構(gòu)成作為可燃元素。可燃元素有碳、氫、氧、氮、硫五種，其中碳和氫是主要的發(fā)熱元素，氧只是助燃，氮不參與燃燒，硫則是有害的雜質(zhì)。

碳元素在煤中的含量隨煤化程度的提高而增加，氫元素含量則隨煤化程度的增加而減少。氧元素同氫相似，主要含于揮發(fā)分中，越“年輕”的煤中氧含量越多。氧不發(fā)熱，這樣就相應(yīng)地降低了發(fā)熱元素的含量，并且還會(huì)使部分發(fā)熱元素氧化，所以氧含量越高，煤的發(fā)熱量就越低。另一方面，氧含量高的煤揮發(fā)分產(chǎn)率也高，因此氧含量高又對(duì)燃燒有利。作為工業(yè)用燃料，只要氧含量不是特別偏高的煤都可以應(yīng)用。

氮在煤中多存在于復(fù)雜的有機(jī)化合物中，燃燒時(shí)呈氣態(tài)析出。氮含量很低（通常為1%～3%），原來(lái)人們并不將它作為有害成分，但隨著對(duì)氮氧化物污染的重視，氮含量的有害影響已引起人們注意，因此氮含量應(yīng)以少為好。

硫在燃料中可分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫兩類，其和為全硫。無(wú)機(jī)硫又分為硫化鐵和硫酸鹽兩種，前者可燃，同有機(jī)硫合稱為可燃硫，后者不燃燒，僅存在于灰分中。可燃硫是主要的硫分，通常所說(shuō)的含硫量即是指可燃硫，并常以全硫數(shù)據(jù)代替，誤差很小。

煤中含硫量一般在3%以下，其含量不多，害處卻很大。硫的燃燒產(chǎn)物二氧化硫是毒性氣體，既污染環(huán)境，危害農(nóng)作物生長(zhǎng)和人類健康，又污染被加熱物料，腐蝕燃燒設(shè)備。含硫多的煤不易保管，容易變質(zhì)和自燃，所以硫是很有害的雜質(zhì)，其含量越少越好。

①揮發(fā)分　將干燥的固體燃料在隔絕空氣的情況下加熱到高溫，逸出的氣態(tài)部分便是揮發(fā)分，亦稱揮發(fā)分產(chǎn)率，符號(hào)為“V”。揮發(fā)分產(chǎn)率一定程度上代表了煤化程度，是煤分類的重要指標(biāo)。

揮發(fā)分主要含CH₄、H₂等可燃?xì)怏w和少量的O₂、N₂、CO₂等不可燃?xì)怏w。一般隨煤的炭化程度加深而減少，但揮發(fā)分的發(fā)熱量卻因其中可燃物質(zhì)改變而有所提高。隨著固體燃料加熱溫度和持續(xù)時(shí)間的增加，揮發(fā)分的產(chǎn)量將增加，成分也發(fā)生變化，所以測(cè)定時(shí)必須說(shuō)明當(dāng)時(shí)的條件。

揮發(fā)分易燃，因此含揮發(fā)分高的煤容易點(diǎn)火，火焰長(zhǎng)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這種煤宜作火焰加熱爐燃料，燃燒效率也較高。

②固定碳　固體燃料干餾時(shí)留下的固態(tài)剩余物中除去灰分就是固定碳，以符號(hào)“C_GD”表示。在煙煤和無(wú)煙煤的可燃成分中，固定碳占有最大的質(zhì)量比和最多部分的發(fā)熱量，是主要的發(fā)熱部分。

（2）不可燃部分

①水分　也稱全水分，用符號(hào)“W”表示。機(jī)械地浸附在燃料顆粒外表面及大毛細(xì)管內(nèi)，可用風(fēng)干方法除去的水分叫外在水分（W_WZ）；通過(guò)細(xì)毛細(xì)管吸附在燃料內(nèi)部，需要加熱才能去除的水分叫內(nèi)在水分（W_NZ）。外在水分與內(nèi)在水分的和便是全水分。

煤的水分因煤種、開(kāi)采方法而異，運(yùn)輸、儲(chǔ)存等條件也影響煤的實(shí)際含水率。水分增多會(huì)使煤的可燃成分降低，從而既造成運(yùn)輸能力的浪費(fèi)，又使煤易于風(fēng)化變質(zhì)，所以水分是煤質(zhì)與煤計(jì)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

②灰分　燃料燃燒后余下的固態(tài)殘留部分即為灰分，符號(hào)為“A”。它們中的一部分是在燃料形成過(guò)程中混雜進(jìn)來(lái)的，另一部分是在燃料開(kāi)采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中帶進(jìn)來(lái)的。灰分使可燃成分比率和燃燒溫度降低，是固體燃料質(zhì)量分級(jí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在燃煤裝置中，灰分的熔點(diǎn)對(duì)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性有較大影響。如果灰分熔點(diǎn)過(guò)低，在燃燒過(guò)程中易產(chǎn)生裹灰，造成煤的不完全燃燒，并在爐排上結(jié)塊，影響通風(fēng)，惡化燃燒，還給清灰除渣帶來(lái)困難。

我國(guó)煤的灰分一般在10%～30%。

2.1.2.2　固體燃料的成分表示方法

根據(jù)各種實(shí)際需要，固體燃料和液體燃料的元素分析采用以下幾種基準(zhǔn)組成來(lái)表示。

（1）應(yīng)用基組成

煤用C、H、O、N、S、灰分（A）、實(shí)際水分（W）七種組分的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)叫“應(yīng)用基成分”，以上角標(biāo)y表示。此時(shí)有：

C^y%+H^y%+O^y%+N^y%+S^y%+A^y%+W^y%=100%　　        

按應(yīng)用基組成表示的燃料組成反映了燃料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的成分，它相當(dāng)于即將送入燃燒設(shè)備進(jìn)行燃燒的燃料。這種狀態(tài)的燃料有時(shí)也稱為工作燃料（對(duì)固體燃料，或稱為原煤）。

燃料的燃燒計(jì)算，應(yīng)按應(yīng)用基組成來(lái)進(jìn)行。

由前述可知，燃料中水分和灰分的含量常受外界條件的影響而波動(dòng)，而燃料的元素組成卻是以其相對(duì)含量百分比來(lái)表示的，因此，當(dāng)其中某一項(xiàng)含量發(fā)生改變時(shí)，則所有各項(xiàng)所占的百分比都要相應(yīng)地改變，這樣在理論分析或?qū)嶒?yàn)研究中引用燃料分析資料時(shí)就顯得不方便，此時(shí)應(yīng)用基組成就不能正確地反映燃料的特性。因此就有所謂分析基、干燥基與可燃基等組成表示法。這些都是實(shí)驗(yàn)室分析、進(jìn)行燃料分類和研究燃料特性時(shí)所采用的。

（2）分析基組成

當(dāng)煤樣在實(shí)驗(yàn)室正常條件（即室溫20℃，相對(duì)濕度60%）下放置，煤樣會(huì)失去一些水分，留下的穩(wěn)定的水分稱為實(shí)驗(yàn)室正常條件下的空氣干燥水分，以該空氣干燥過(guò)的煤樣各組分的百分?jǐn)?shù)表示煤的成分，稱為“分析基成分”，以上角標(biāo)f表示。此時(shí)有：

C^f%+H^f%+O^f%+N^f%+S^f%+A^f%+W^f%=100%　　        

分析基組成之所以被采用是由于燃料的分析都是在試驗(yàn)室進(jìn)行的，但為了避免水分在分析過(guò)程中發(fā)生變動(dòng)，燃料試樣必須先經(jīng)過(guò)空氣風(fēng)干，這樣一部分不很穩(wěn)定的外在水分就先蒸發(fā)消失，余下的是穩(wěn)定不變的內(nèi)在水分。所以一般煤質(zhì)分析資料和礦山所提供的煤質(zhì)資料中的水分往往都是這種分析基水分。

（3）干燥基組成

但正如已提到的，煤中的含水率很容易受到溫度、運(yùn)輸、貯存狀況變化的影響，所以應(yīng)用基成分會(huì)隨水分的變動(dòng)而改變，但此時(shí)煤的燃燒組成其實(shí)并沒(méi)有變化，這樣比較起來(lái)就不方便。為方便計(jì)，可以用不含水分的干燥的煤來(lái)表示各組分的百分?jǐn)?shù)，稱為“干燥基成分”，以上角標(biāo)g表示。此時(shí)有：

C^g%+H^g%+O^g%+N^g%+S^g%+A^g%=100%　　        

因?yàn)槿剂现械幕曳趾咳缤忠粯右资芡饨缫蛩氐挠绊懀儎?dòng)較大，故若把水分和灰分這類不穩(wěn)定性較大的成分去掉，不計(jì)在燃料的組成內(nèi)，則可得到不受外界影響的可燃基組成。

（4）可燃基組成

煤中的灰分也是會(huì)變動(dòng)的。為了更明確地說(shuō)明煤的化學(xué)組成特點(diǎn)，可以只用C、H、O、N、S五種元素在可燃組成中的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示煤的成分，這叫“可燃基成分”，以上角標(biāo)r表示。此時(shí)有：

C^r%+H^r%+O^r%+N^r%+S^r%=100%　　        

可燃基組成不受水分、灰分變化的影響，它能較真實(shí)地反映燃料的特性。一般同一礦井的煤的可燃基組成變化不大，至多隨著煤層的轉(zhuǎn)移有稍許的變化，因此以可燃基組成來(lái)表示燃料的元素組成是較為合理的。所有煤礦中的煤質(zhì)資料都是以可燃基組成表示的，且可用它來(lái)判別煤種（如褐煤、煙煤和無(wú)煙煤）及其屬性。

各種表示方法同成分項(xiàng)目之間的關(guān)系如表2-5所列。

表2-5　燃料成分與計(jì)算基準(zhǔn)的關(guān)系

　　上述各種成分的表示方法可以相互換算，換算系數(shù)如表2-6所列。

表2-6　燃料組成換算系數(shù)

2.1.2.3　固體燃料的工業(yè)分析

工業(yè)分析又稱實(shí)用分析或技術(shù)分析，主要用于測(cè)定固定碳、揮發(fā)分、灰分、水分、硫分和發(fā)熱量。一般將只作前四項(xiàng)分析的稱作半工業(yè)分析，六項(xiàng)全作的叫全工業(yè)分析。水分、灰分與揮發(fā)分等項(xiàng)目的測(cè)定方法由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對(duì)固定碳通常不直接測(cè)定，而以煤樣減水分、灰分和揮發(fā)分計(jì)算得出。

工業(yè)分析時(shí)各基準(zhǔn)的項(xiàng)目成分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之和應(yīng)為100%。

2.1.2.4　固體燃料的元素分析

元素分析即指可燃基的元素含量的測(cè)量。在硫分已知后，通常只測(cè)定碳、氫、氮的含量，氧的含量由差減法求得。元素分析時(shí)各基準(zhǔn)的項(xiàng)目元素含量之和應(yīng)為100%。

各類煤的成分見(jiàn)表2-7。

表2-7　煤類燃料的成分（應(yīng)用基）　　　　　　%

幾種固體有機(jī)燃料的成分見(jiàn)表2-8。

表2-8　幾種固體有機(jī)燃料的成分（應(yīng)用基）　　　　　　%

　　部分農(nóng)業(yè)和木材垃圾的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表2-9。

表2-9　部分農(nóng)業(yè)和木材垃圾的工業(yè)分析和元素分析的主要數(shù)據(jù)

2.1.2.5　煤的化學(xué)組成

固體燃料主要指煤。煤是由極其復(fù)雜的有機(jī)化合物組成的。一般由煤的C、H、O、N、S各元素的分析值及水分、灰分的百分含量來(lái)表達(dá)煤的化學(xué)組成。

（1）碳

碳是煤中的主要可燃元素。隨著煤的形成年代的增長(zhǎng)，由于一些不穩(wěn)定的成分逐漸析出，碳的含量將逐步增高，這一過(guò)程稱為煤的碳化過(guò)程。碳化程度低的泥煤含碳量為60%～70%，碳化程度高的無(wú)煙煤可達(dá)90%～98%。煤的可燃質(zhì)中含碳量大致如下：

煤中的碳是以與氫、氧化合成有機(jī)化合物狀態(tài)存在的。在碳化程度高的煤中也可能存在結(jié)晶狀態(tài)的碳。碳是一種較難燃燒的元素，碳化程度高的煤著火與燃燒均較困難。

（2）氫

氫也是煤的主要可燃元素，煤中含氫量為2%～6%。在可燃質(zhì)中含碳量為85%時(shí)，有效氫含量最高，約為5%。在此之后氫含量又隨碳化程度提高而減少。氫在煤中以兩種形式存在，一種是與碳、硫等化合為各種可燃有機(jī)化合物，稱為有效氫，也稱自由氫，這些可燃有機(jī)化合物在煤受熱時(shí)易裂解析出，且易于著火燃燒，并放出熱量。另一種是和氧結(jié)合在一起的，叫化合氫，它不能放出熱量。在計(jì)算發(fā)熱量和理論空氣需要量時(shí)，以有效氫為準(zhǔn)。

含氫量高的煤種燃燒時(shí)易生成帶黑頭的火焰，即燃燒時(shí)易生成炭黑。此外含氫量高的煤種在儲(chǔ)存時(shí)易風(fēng)化而失去部分可燃物質(zhì)，故在儲(chǔ)存與使用時(shí)都應(yīng)加以注意。

（3）氧和氮

煤中的氧和氮都是不可燃成分。氧在煤中是一種有害物質(zhì)，氧和碳、氫等結(jié)合生成氧化物而使碳、氫失去燃燒的可能性。可燃物質(zhì)中碳含量越高，氧含量越少。

一般情況下氮不能參加燃燒，也不會(huì)氧化，而是以自由狀態(tài)轉(zhuǎn)入燃燒產(chǎn)物。但在高溫下或有催化劑存在時(shí)，部分氮可和氧形成NO_x而污染大氣。煤中含氮0.5%～2%。

（4）硫

硫是燃料中最有害的可燃元素。硫在燃燒后會(huì)生成SO₂和SO₃氣體，這些氣體會(huì)與燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣結(jié)合，形成對(duì)燃燒裝置金屬表面有嚴(yán)重腐蝕作用的亞硫酸和硫酸蒸氣。SO₂與SO₃排入大氣還會(huì)嚴(yán)重污染大氣。發(fā)電廠的排氣中含有硫化物，出于環(huán)境保護(hù)的需要，應(yīng)加設(shè)除硫裝置，但這會(huì)使發(fā)電廠的設(shè)備費(fèi)用增加20%左右。所以煤中的硫是合理干凈地使用煤的大問(wèn)題。我國(guó)煤的硫含量為0.5%～3%，亦有少數(shù)煤超過(guò)3%。

硫在煤中有三種存在形式：①有機(jī)硫，來(lái)自母體植物，與煤呈化合態(tài)均勻分布；②黃鐵礦硫，以FeS₂形式存在；③硫酸鹽硫，以CaSO₄·2H₂O和FeSO₄等形式存在于灰分中。

（5）灰分

灰分是指煤中所含礦物質(zhì)（硫酸鹽、黏土礦物質(zhì)及稀土元素）在燃燒過(guò)程中高溫分解和氧化后生成的固體殘留物。大體上灰分的成分為SiO₂：40%～60%；Al₂O₃：15%～35%；Fe₂O₃：5%～25%；CaO：1%～1.5%；MgO：0.5%～8%；Na₂O+K₂O：1%～4%。煤中灰分是一種有害成分。對(duì)工業(yè)鍋爐來(lái)說(shuō)，灰分高的煤熱值低，不好燒，給設(shè)備維護(hù)帶來(lái)困難。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)用煤，更是要求灰分非常低。灰分給渦輪葉片帶來(lái)腐蝕、沉積、侵蝕。現(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)研究出可將煤中灰分精洗到1%以下供燃?xì)廨啓C(jī)使用，但價(jià)格很貴，難以工業(yè)化。煤中的灰分可分為兩種：一種是煤化過(guò)程中由土壤等外界帶入的礦物質(zhì)，稱為外來(lái)灰分。這種灰分可以用浮選等物理選礦方法來(lái)清除。一般工業(yè)用的洗凈煤含灰量在8%左右。特別仔細(xì)的物理洗煤技術(shù)可將煤中灰分洗到3%左右。再要降低灰分就得用化學(xué)方法了。另一種灰分是原來(lái)成煤植物中固有的，稱之為內(nèi)在灰分。減少內(nèi)在灰分必須將煤磨細(xì)后，用化學(xué)液體（如氫氟酸）去與灰分作用，然后再用堿液洗掉酸，最后用水洗。這一過(guò)程成本昂貴，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。

在工業(yè)上解決灰分的方法大體是：①在入爐前減少煤中灰分，即采取洗煤措施。除了燃?xì)廨啓C(jī)要求非常高外，煉焦用煤規(guī)定入爐前煤中灰分不超過(guò)10%。②在燃燒過(guò)程中排渣（液體排渣）或在燃燒之后的排氣中除灰（固體除塵）。為了達(dá)到液體排渣或固體除塵，都要知道灰分的熔點(diǎn)。要液體排渣的，希望灰分熔化造渣。相反，不是液體排渣的，希望灰分不熔化，這時(shí)灰分熔點(diǎn)不能太低，以免引起熔化結(jié)渣，阻礙流路，破壞爐體。燃燒排氣除塵可以采用旋風(fēng)分離器或布袋除塵器。

灰分在低溫下呈固體狀態(tài)，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，灰分將會(huì)軟化并帶有黏性，再繼續(xù)加熱將達(dá)到灰分熔點(diǎn)，這時(shí)灰分將呈流體狀態(tài)。在燃煤裝置中，灰分的熔點(diǎn)對(duì)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性有很大影響，如灰分熔點(diǎn)過(guò)低，則灰分易產(chǎn)生裹灰（熔化的灰分包在尚未燒透的焦炭之外），造成煤的不完全燃燒，并在爐柵結(jié)塊，影響通風(fēng)，惡化燃燒，還給清灰除渣帶來(lái)困難。所以一般要求灰分的熔點(diǎn)不低于1200℃，在設(shè)計(jì)燃燒裝置時(shí)必須要考慮灰分的熔點(diǎn)。

灰分熔點(diǎn)與灰分的組成及爐內(nèi)的氣氛有關(guān)，在1000～1500℃之間。用于燃燒的煤（除液體排渣外）大多希望高熔點(diǎn)灰分。大體上熔點(diǎn)在1093℃以下的為低熔點(diǎn)，在1316℃以上者為高熔點(diǎn)灰分。灰分的組成對(duì)熔點(diǎn)影響極大。一般來(lái)說(shuō)，含硅酸鹽（SiO₂）和氧化鋁（Al₂O₃）等酸性成分多的灰分，熔點(diǎn)較高。含氧化鐵、鈣、鎂、鉀等堿性成分多的灰分，熔點(diǎn)較低。灰分在還原性氣氛中的熔點(diǎn)比氧化性氣氛中的低。灰分的熔點(diǎn)、組成對(duì)燃燒裝置（如鍋爐排管）上的沉積和腐蝕有很大關(guān)系，煤中含堿金屬及堿金屬氯化物的腐蝕嚴(yán)重。

（6）水分

水分是燃料中無(wú)用的成分。煤中水分包括兩部分：①外部水分或濕成分。這是機(jī)械地附著在煤表面的水分，它與大氣溫度有關(guān)。把煤磨碎后在大氣中自然干燥到風(fēng)干狀態(tài)，這部分水分就可除去。外部水分隨運(yùn)輸和儲(chǔ)存條件的變動(dòng)很大。②內(nèi)在水分。這是煤達(dá)到風(fēng)干狀態(tài)后所殘留的水分，它包括被煤吸收并均勻分布在可燃質(zhì)中的化學(xué)吸附水和存在于礦物質(zhì)中的結(jié)晶水。內(nèi)在水分只有在高溫分解時(shí)才能除掉。通常作分析計(jì)算和燃燒評(píng)價(jià)時(shí)所說(shuō)的水分就是指這部分水。

煤的成分通常用各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。由于燃料中水分和灰分常受季節(jié)、運(yùn)輸和貯存等外界條件變動(dòng)的影響，數(shù)值會(huì)有很大的波動(dòng)。同一種燃料由于取樣時(shí)條件不同，或者在同一實(shí)驗(yàn)條件下由于所采用的分析基準(zhǔn)不一樣，所得結(jié)果亦會(huì)不相同。所以固體燃料和液體燃料的元素分析值都必須標(biāo)明所采用的基準(zhǔn)，否則就毫無(wú)意義。

2.1.3　固體燃料的特性

2.1.3.1　煤的特性

（1）煤的氧化與自燃

煤在同空氣接觸時(shí)會(huì)吸附氧氣從而進(jìn)行緩慢的氧化，若存在較多的水分和硫化鐵，則會(huì)加速這種反應(yīng)。氧化產(chǎn)生熱量，煤堆如散熱不好，內(nèi)部溫度就會(huì)增高并達(dá)到著火溫度，這時(shí)煤就會(huì)燃燒，這種現(xiàn)象稱為煤的“自燃”。為了避免煤堆自燃，要特別注意煤的堆放方式和對(duì)煤的管理。

圖2-1所示為煤的揮發(fā)分與固定碳和煤的碳化程度的關(guān)系。可以看出，隨著煤的碳化程度的提高，煤中的固定碳含量增多，揮發(fā)分減小，因而其著火點(diǎn)提高。因此，對(duì)于碳化程度不夠的泥煤、褐煤等，在堆放過(guò)程中尤其要注意避免自燃的發(fā)生。

圖2-1　揮發(fā)分與固定碳和煤的碳化程度的關(guān)系

煤在存放過(guò)程中即使不發(fā)生自燃，長(zhǎng)期的緩慢氧化也會(huì)產(chǎn)生重要影響，如煙煤存放一年后，其發(fā)熱量可降低1%～5%，有的達(dá)10%，結(jié)焦性和焦油產(chǎn)率也相應(yīng)降低，所以煤不宜存放過(guò)久，長(zhǎng)期存放時(shí)應(yīng)采取防氧化措施。

（2）煤的發(fā)熱量

發(fā)熱量大小是評(píng)價(jià)煤好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，也是計(jì)算燃燒溫度和燃料消耗量的依據(jù)。

1kg煤完全燃燒后所放出的燃燒熱叫做發(fā)熱量，單位為kJ/kg。通常用的是低熱值，即不包括水蒸氣凝結(jié)成水時(shí)的冷凝熱。發(fā)熱量可以用氧彈式量熱計(jì)直接測(cè)定，也可以根據(jù)元素分析值近似計(jì)算。

　　        

煤的發(fā)熱量與碳化程度有一定關(guān)系，隨著碳化程度的提高，發(fā)熱量不斷增大，當(dāng)碳含量達(dá)到87%時(shí)，發(fā)熱量達(dá)到最大值，以后則開(kāi)始下降。所以煤的發(fā)熱量大小通常作為煤分類的依據(jù)。

（3）煤的黏結(jié)性

煤的黏結(jié)性是指粉碎后的煤在隔絕空氣情況下加熱到一定溫度時(shí)，煤的顆粒相互黏結(jié)形成焦塊的性質(zhì)。這種黏結(jié)是高溫下熱分解析出膠凝性物質(zhì)的結(jié)果。這種膠凝性物質(zhì)主要是瀝青質(zhì)，煙煤中含量較多。

黏結(jié)性不僅影響選擇煤種是否可以煉焦，對(duì)于煤的氣化和燃燒性也有很大影響。例如強(qiáng)黏結(jié)性的煤氣化和燃燒時(shí)，容易形成大塊，嚴(yán)重影響氣流的均勻分布。

含瀝青質(zhì)的煤干餾加熱至一定溫度時(shí)，受熱表面會(huì)逐層分解，形成膠體狀態(tài)，再逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻固俊＿@種不斷形成的膠質(zhì)層的厚度就稱為膠質(zhì)層厚度（通常取最大厚度）。厚度值越大，黏結(jié)性越高。

在實(shí)驗(yàn)室條件下用坩堝法測(cè)定揮發(fā)分之后，對(duì)所形成的焦塊根據(jù)外形分為八個(gè)等級(jí)，稱為黏結(jié)序數(shù)，以此來(lái)評(píng)定黏結(jié)性的強(qiáng)弱。各黏結(jié)序數(shù)的代表特征如下。

①粉狀　焦炭殘留物全部為粉狀，沒(méi)有互相黏著的顆粒。

②黏結(jié)　焦炭殘留物黏著，以手輕壓即成粉狀。

③弱黏結(jié)　焦炭殘留物黏結(jié)，以手輕壓即碎成小塊。

④不熔融黏結(jié)　用手指用力壓才成小塊。

⑤不膨脹熔融黏結(jié)　焦炭殘留物呈扁平的餅狀，表面有銀白色金屬光澤，煤粒界限不易分清。

⑥微膨脹熔融黏結(jié)　焦炭殘留物用手指壓不碎，表面有銀白色金屬光澤和較小的膨脹泡。

⑦膨脹熔融黏結(jié)　焦炭殘留物表面有銀白色金屬光澤，明顯膨脹，但高度不超過(guò)15mm。　

⑧強(qiáng)膨脹熔融黏結(jié)　焦炭殘留物表面有銀白色金屬光澤，明顯膨脹，高度超過(guò)15mm。

（4）煤的結(jié)焦性

煤的結(jié)焦性是指煤粒在隔絕空氣受熱后能否生成優(yōu)質(zhì)焦炭的性質(zhì)。結(jié)焦性同黏結(jié)性既有聯(lián)系又有區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)焦性好的自然黏結(jié)性好，但黏結(jié)性好的煤不一定結(jié)焦性就好。如有的煤黏結(jié)性好，能結(jié)焦，但焦炭裂縫多、強(qiáng)度差，其結(jié)焦性并不好。

（5）煤的灰分軟化溫度和結(jié)渣性

灰分是多種無(wú)機(jī)礦物質(zhì)的混合物，受熱會(huì)軟化和熔融為液態(tài)。不同的灰分，其軟化溫度和熔點(diǎn)不同。軟化溫度和熔點(diǎn)低的灰分可能在燃燒室內(nèi)呈黏稠或熔融狀，從而阻礙空氣流通，影響燃燒或汽化的正常進(jìn)行。

通常將灰渣開(kāi)始變軟的溫度稱為變形溫度，完全軟化的溫度稱為軟化溫度，熔融呈流體狀的溫度稱為熔化溫度。軟化溫度同熔點(diǎn)有一定關(guān)系。根據(jù)灰分軟化溫度的高低，可將灰分分為易熔（熔點(diǎn)小于1100℃）、低熔（熔點(diǎn)在1100～1250℃）、高熔（熔點(diǎn)在1250～1500℃之間）和難熔（熔點(diǎn)大于1500℃）四種。我國(guó)煤的灰分軟化溫度在1100～1700℃之間。

煤的結(jié)渣性是指煤在燃燒或氣化過(guò)程中灰渣是否容易結(jié)塊的性質(zhì)。結(jié)渣性的強(qiáng)弱以結(jié)渣率表示，結(jié)渣率大的不利于燃燒及氣化的進(jìn)行。

結(jié)渣性同灰分含量、灰分軟化溫度、硫含量和碳酸鹽含量等有關(guān)。灰分重、熔點(diǎn)低、硫和碳酸鹽含量高的就容易結(jié)渣。從燃燒角度來(lái)選擇燃料時(shí)，應(yīng)綜合考慮結(jié)渣性與灰分軟化溫度的影響。

（6）煤的流散性和堆積角

流散性是指固體燃料粒、塊之間在重力作用下彼此的相對(duì)移動(dòng)性，它主要取決于顆粒之間的摩擦力與附著力。流散性大的煤不易堆積，會(huì)像流體似的向四周流散，堆積角度小；流散性小的煤就容易堆積，堆積角大。當(dāng)煤堆的堆積角等于或大于90°時(shí)，可認(rèn)為失去了流散性。因此，堆積角在一定程度上反映了流散性的大小。煤所吸附的機(jī)械水分增多會(huì)使流散性惡化，達(dá)到極限水分時(shí)流散性就會(huì)消失。

煤的流散性變差會(huì)給輸送、裝卸等造成困難。燃燒工作中可利用堆積角大致估計(jì)煤的含水率。

（7）煤的可磨性

煤的可磨性是指煤粉碎的難易程度，是制備煤粉應(yīng)了解的一種性質(zhì)。我國(guó)煙煤、無(wú)煙煤的可磨性以哈氏可磨指數(shù)表示。其測(cè)定方法是：先將煤破碎、篩分，制取粒度為0.63～1.25mm的煤樣50g（±0.01g），在哈氏可磨性實(shí)驗(yàn)儀上研磨，然后再篩分、稱量，并按規(guī)定公式計(jì)算哈氏可磨指數(shù)。該指數(shù)越高則可磨性越好。

（8）煤的燃燒特性

通過(guò)煤的工業(yè)分析雖然可以大致了解一些煤的燃燒特性，但為了更合理利用燃料，還需進(jìn)一步了解煤的燃燒特性。近年來(lái)通過(guò)大量研究提出了一些可以更直接反映煤燃燒特性的指標(biāo)，其中主要有以下幾種。

①煤的燃燒圖　所謂煤的燃燒圖，是指測(cè)定煤樣在一定的條件下（諸如升溫速率、試樣顆粒大小、試樣質(zhì)量、空氣供應(yīng)量等），煤樣的燃燒速率（以失重率dW/dτ表示）隨溫度變化的曲線。這種曲線是利用“熱天平”儀器測(cè)出的，在儀器中可以精確的設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件并測(cè)出煤樣失重率。

通過(guò)煤的燃燒圖可以對(duì)煤的著火和燃燒過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并可比較不同煤種的燃燒。研究表明，如煤的燃燒圖相似，則在爐中的燃燒情況也基本相似。

②反應(yīng)指數(shù)　反應(yīng)指數(shù)是指煤樣在氧中加熱時(shí)，當(dāng)升溫速率達(dá)到15℃/min時(shí)所需的加熱溫度，以T₁₅表示。T₁₅數(shù)值越高，則表明該煤越難著火燃燒。顯然煤的揮發(fā)分越低，則T₁₅數(shù)值越高，但不同煤種揮發(fā)分的影響程度有差異，故用T₁₅判斷煤的著火燃燒特性比用揮發(fā)分判斷更為直接和準(zhǔn)確。

③熄火溫度　熄火溫度是指將煤加熱至著火點(diǎn)，然后停止加熱測(cè)出的煤熄火溫度。煤的揮發(fā)分越高，則著火燃燒后的釋熱量也越高，燃燒穩(wěn)定性也就越高（即不易熄火），其相應(yīng)的熄火溫度就越低。故根據(jù)熄火溫度的高低，可判斷不同煤種著火后的燃燒穩(wěn)定性，這也是一種說(shuō)明煤燃燒特性的指標(biāo)。

2.1.3.2　生物質(zhì)固體燃料的特性

生物質(zhì)固體燃料（包括秸稈、稻殼等有機(jī)廢料）基本上由有機(jī)物組成，其主要成分是粗纖維（包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素），還有少量的蛋白質(zhì)、糖類和脂類物質(zhì)，因此燃燒著火點(diǎn)低。

秸稈密度小，體積大，如谷子秸稈的密度為185kg/m³，稻草的密度為59.3～59.6kg/m³，稻殼的密度為100kg/m³，搗實(shí)后為160kg/m³，而無(wú)煙煤的密度為1500kg/m³。因此燃料熱值低，運(yùn)輸和堆放都比較困難，而且要考慮進(jìn)料機(jī)構(gòu)及爐膛的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)其特殊要求。

生物質(zhì)固體燃料中含水率大，而且成分復(fù)雜，變化大，隨機(jī)性大，不同品種、不同地區(qū)、不同季節(jié)的秸稈成分不會(huì)完全一致，這就給燃燒裝置的適應(yīng)性提出了更高的要求。

此外，原料比較分散，而且不均衡。雖然全國(guó)的秸稈產(chǎn)量非常大，但各地區(qū)分布很不均衡，如有的地區(qū)有稻草，有的地區(qū)有玉米秸稈。

另外，秸稈的季節(jié)性很強(qiáng)，糧食收獲季節(jié)，秸稈集中生產(chǎn)出來(lái)，數(shù)量大，濕度也大，無(wú)處堆放。

因?yàn)樯镔|(zhì)固體燃料多數(shù)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)廢料，因此價(jià)格低廉，如稻殼的價(jià)格僅為煤的1/6、柴油的1/20，而稻殼的熱值則是煤的1/2、柴油的1/3。

生物質(zhì)固體燃料供應(yīng)的有限性及其分布散、體積大、運(yùn)輸費(fèi)用高等特點(diǎn)決定了生物質(zhì)利用系統(tǒng)不宜大型化。另外，有些生物質(zhì)燃料帶有異味，它們的收集、運(yùn)輸會(huì)受到較大的社會(huì)壓力，宜就地處理。

和煤炭相比，生物質(zhì)固體燃料的揮發(fā)分含量要高得多，材料中焦炭的燃燒著火很大程度上是依靠揮發(fā)分燃燒放出的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這與煤粒的著火有很大區(qū)別。研究表明，生物質(zhì)材料的揮發(fā)分析出迅速猛烈，而且在揮發(fā)分幾乎燃燒完全后焦炭才開(kāi)始燃燒。

值得注意的是，生物質(zhì)固體燃料在燃燒過(guò)程中可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，影響燃燒裝置的正常運(yùn)行。燒結(jié)與溫度、風(fēng)速和氣氛有關(guān)，但溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。稻草、玉米秸稈、高粱稈、玉米芯的燒結(jié)溫度分別為680℃、740℃、680℃、790～815℃。