煤炭的利用率
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煤炭的利用率,燃烧煤或其转换成有用的固体,气体,液体产品。到目前为止最重要的使用煤炭在燃烧,主要提供吗热锅炉的电力植物。冶金可口可乐是煤炭的主要产品转换。此外,技术气化和液化煤为燃料或原料的化学工业很发达,但他们的商业可行性取决于可用性和价格的竞争化石燃料,石油和天然气。
属性影响煤炭利用率
煤炭排名
煤的形成从不同的植物材料通过生物化学和地球化学过程煤化作用。的性质成分在煤与煤化作用的程度,这称为等级的测量。等级评估通常是通过一系列的测试,统称为近似分析确定水分含量,挥发分含量、灰分含量、固定碳内容和热值的煤炭。
水分含量
水分含量是由加热一个风干煤样品105 - 110°C (221 - 230°F)在指定的条件下,直到获得恒重。一般来说,含水量增加而减少各种级别和范围从1到40%的煤炭。水分的存在是一个重要因素在存储和利用煤炭,因为它增加了不必要的重量在运输期间,减少发热量,并提出一些处理问题。
挥发性重要的内容
挥发性物质材料,推动了煤时加热到950°C (1742°F)没有在指定条件下的空气。它是测量实际上通过确定重量的损失。组成的混合气体,低沸点有机食品化合物凝结成油冷却后,海员,挥发分增加而减少。一般来说,煤挥发分高的内容容易点燃和燃烧中高活性的应用程序。
矿物(灰)内容
包含各种各样的煤矿物质以不同的比例,当煤炭燃烧,变成灰。数量和火山灰和其行为的性质影响高温除灰系统的设计和类型用于煤炭利用的植物。在高温条件下,煤灰变得粘(例如,烧结),最终形成熔融渣。然后渣成为困难,晶体材料在冷却和再凝固。在实验室特定ash-fusion温度确定通过观察连续的温度特征阶段的融合发生在标本的火山灰在指定条件下当在火炉中加热。这些温度通常是作为指标的潜在熔渣煤在高温处理过程中。
定碳含量
固定碳的固体可燃残留煤粒子被加热后,挥发性物质是开除。定碳含量的煤是由减去水分的百分比,挥发分,火山灰样本。由于燃烧气固反应慢于气气反应,高定碳含量表明,煤炭燃烧需要很长一段时间。
热值
热值,测量英国热量单位每公斤或磅的炮弹的数量化学能存储在一个煤炭释放热能在燃烧。它直接关系到等级;事实上,ASTM方法使用发热价值在或低于煤分类出沥青的秩(以上排名,定碳煤分类的内容)。热值确定部分煤作为燃料燃烧的价值应用程序。
煤型
煤是一种复杂的材料由显微镜下可区分的,身体上的独特,和不同的有机化学物质显微组分。基于光学反射的发生模式,和外表在显微镜下,显微组分被分组为三个主要类:(1)类脂组或壳质组显微组分,低反射率和高氢碳比率,来自工厂孢子角质层,树脂,藻的身体。(2)镜质组显微组分,中间反射和高氧气碳比率,来自伍迪组织。(3)惰性体显微组分、高反射率和碳内容来源于化石木炭或腐烂的材料。
虽然不同显微组分在给定集团预计将有相似的属性,他们经常表现出不同的行为在一个特定的最终用途。例如,燃烧效率报道是逆相关惰性体内容,然而微晶粒,列为一个惰性体是哪一个煤素质,发现高活性燃烧应用程序。岩相之间的相关性作文和煤反应性尚未建立。
物理性质
易磨性
煤是一种衡量的易磨性抗破碎。两个因素影响易磨性是煤的水分和灰分含量。一般来说,褐煤和无烟煤更耐磨吗沥青煤。易磨性评估是一个常用的方法Hardgrove测试,包括磨一个特别准备的煤样在实验室标准设计的轧机。煤的重量百分数,经过200 -孔筛(屏幕开口74微米,或者0.003英寸)用于计算Hardgrove易磨性指数(HGI)负责。索引作为指导原则用于上浆在选煤磨设备工厂。
孔隙度
孔隙度是一个明显的固体的体积的分数,实际上是空的空间。由于孔隙度、煤颗粒内部的面积远高于外部表面。在任何气固或液固反应,反应速率取决于可用的表面积的反应可以发生;因此,煤的孔隙度影响反应速率的一个转换的过程。反应物内部的可访问性煤表面粒子的大小和形状也取决于孔隙和孔隙度的程度。
密度
几种类型的密度测量是对煤炭,这取决于预期的最终用途。最常见的是测量密度体积密度;这是定义为煤炭占据一个单位体积的重量和表达在克每立方厘米或磅/立方英尺。体积密度取决于煤的粒度分布和在存储箱和筒仓的设计很重要。
热塑性塑料属性
当许多沥青煤加热,软化和塑料质量膨胀并重新固化成多孔固体。表现出这种行为被称为煤炼焦煤。强粘结性煤,产生固体产品(可口可乐)属性适用于高炉,被称为炼焦煤。炼焦煤粘结,但并不是所有的粘结煤适合可口可乐。
热塑性属性依赖于岩石组成。例如,类脂组显微组分具有很高的流动性,而惰性体显微组分。镜质组两组之间的中间。热塑性属性对可口可乐的生产和液化,但它们对燃烧和气化不良,因为燃烧室可以窒息或气化炉产生的融合质量。
Sarma V.L.N. Pisupati 艾伦·w·斯卡罗尼碳化(可口可乐)
可口可乐的固体碳质残留物仍在某些类型的煤被加热到高温与空气的接触。加热的过程煤以这种方式被称为碳化或可口可乐。高温碳化,这部分而言,实行生产冶金用可口可乐拥有必要的属性,如高炉或铸造的炮塔。低温碳化曾经广泛地实施生产可口可乐适合住宅供暖,但现在住宅炉发射几乎完全是由石油和天然气。
高温碳化反应
在高温碳化、煤加热的温度900 - 1200°C (1600 - 2200°F)。在这些温度,几乎所有挥发性物质是气体或液体,留下残留物主要由碳和少量的氢,氮,硫一起,和氧气(构成煤炭的定碳含量)。碳化反应可以见下面的简化方式:
产品的准确程度和性质取决于温度和升温速率的煤颗粒在碳化过程中。
碳化过程
高温炭化过程的商业满意,必须(1)通过大量的热煤的质量在温度高达900°C以上,(2)从容器中提取容易完成的可口可乐的碳化,(3)避免大气污染和艰巨的运营商的工作条件,(4)开展大规模的整个过程,以较低的成本。
可口可乐烤箱
现代焦炉可能多达6.5米(21英尺)高,15.5米(50英尺)长,宽0.46米(1.5英尺),每个烤箱控股约36吨煤。焦化时间(即。,between charging and discharging) is about 15 hours. Such ovens are arranged in batteries, containing up to 100 ovens each. A coking plant may consist of several such batteries. Large coking plants in the美国碳化每年大约5500000到11200000吨的煤,但老焦化工厂仍在运作整个世界非常小烤箱,年吞吐量只有112000到336000吨。现代焦炉是高度自动化,从而减少大气污染和减少所需的劳动力。大规模机器煤炭加载到每一个烤箱,推动可口可乐侧向远离微波炉,转移炽热的可口可乐淬火站,用水冷却。在某些植物的可口可乐在循环惰性气体,冷却热抽象被用来产生蒸汽。这就是所谓的干法熄焦。
炼焦煤
尽管化学成分单独不能用于预测是否适合炼焦煤,主要炼焦煤通常20 - 32 percent-i.e挥发分的内容。,低收入和中度挥发沥青。加热后在缺乏空气的情况下,这些煤首先成为塑料,然后进行分解,最后形成可口可乐当分解和多孔固体材料重新固化成困难。除了煤阶、各种煤素质群体表现出强烈的对炼焦行为和合成焦炭性能的影响。一般来说,镜质体和类脂组显微组织被认为是活性和惰性体显微组分稳定。
准备煤收费焦炉变得越来越重要'煤不再可用。自己以前,使用单一的煤炭产量好强大的可口可乐,但是现在很少有这样的煤炭供应大型工厂。因此,不太好的炼焦煤使用。然而,通过明智的选择和破碎紧随其后亲密的混合,同样好可乐可以制成各种各样的煤。一般来说,可以通过混合出合适的混合低挥发分煤,往往很小的地面,小可乐和无烟煤是有帮助的。干燥煤甚至预热到200°C (390°F)和经济也可能有帮助。因此,在现代植物设施准备混合可能会很复杂。
类型和大小的可口可乐
在最后几个小时的烤箱,可口可乐萎缩、裂缝。出院时,它在一定程度上是在离散块多达200毫米(8英寸)长或更多。可口可乐使淬火后,筛选成各种尺寸和较大的块可能不得不被削减。烤箱的大部分可口可乐(大小约40到100毫米)在世界范围内用于高炉铁。相当强大的可口可乐,被称为铸造焦炭、用于铸造的炮塔融化铁。可口可乐在10 - 25-millimetre大小多用于制造磷和电石;从后者,乙炔,主要用于化学、。大量的最小的尺寸(少于12毫米),被称为可口可乐的微风,适合烧结小型铁矿石在高炉使用之前。任何盈余微风作为工业锅炉燃料。
副产品
另一个重要的和昂贵的焦化厂的一部分植物副产品。热住气体收集离开烤箱,画,和冷却。原油提炼焦油分离和删除。原油焦炉煤气是自由的擦洗氨删除,然后通常粗苯。一些剩余的气体(主要是甲烷、氢、一氧化碳)是用来加热焦炉,而其余可供使用高炉而在均热炉加热钢锭。
罗纳德·詹姆斯·莫理 Sarma V.L.N. Pisupati 艾伦·w·斯卡罗尼煤炭燃烧
最常见和重要的使用煤炭是在燃烧,生成热量产生蒸汽,进而权力涡轮机生产电。燃烧发电的公用事业的最终用途是煤炭开采的86%在美国。
燃烧反应
主要的化学反应为放热氧化转换的反应组成煤的元素到各自的氧化物,如所示表。在表中,负号表示反应释放热(放热反应),而积极的迹象表明反应吸收热量(吸热反应)。
| 反应 | 热量的变化(英国热量单位每pound-mole) |
|---|---|
| 碳+氧气=二氧化碳 | −169293 |
| 氢+氧气=水 | −122971 |
| 硫+氧气=二氧化硫 | −127728 |
| 氮+氧气=一氧化氮 | + 77760 |
煤颗粒的燃烧主要发生在两个阶段:(1)的进化挥发性物质在加热的初始阶段,伴随物理和化学变化,(2)后续剩余的燃烧字符。点火和燃烧后进化中的挥发性物质,氧气扩散粒子的表面和点燃char。在某些情况下,点火的挥发性物质和char同时发生。char氧化所涉及的步骤如下:
燃烧温度低的速率化学反应(步骤2)决定了整体(或限制)反应速率。然而,由于化学反应的速率与温度呈指数增长,碳氧反应(步骤2)可以变得这么快在高温下氧气的扩散到表面(步骤1)再也不能跟上。在这种情况下,整体反应速率由扩散速度控制或限制的氧气反应char表面。因此,燃烧反应的控制机制取决于这些参数粒径、反应温度、和固有的煤的反应性粒子。
燃烧系统
固定床
在煤的固定床系统,肿块,通常粒度3至50毫米,堆积到炉篦,预热初选空气(称为underfire空气)从床下吹到固定碳燃烧。介绍了一些二次空气(过热空气)在煤层燃烧释放的挥发物从床上。基于煤的喂养方法,这些系统可以进一步分为减食,吃得太多,撒布机,移动炉篦斯托克的方法。
在炼焦特征煤燃烧会影响其行为的形成烧块可口可乐和火山灰,从而抵制适当的空气分布在床上。罚款的煤也可能导致不均匀分布的空气,但这个问题可以减少一些水添加到饲料煤。这个过程被称为回火,减少气流阻力通过凝结的罚款。
大小相对较大的煤用于固定床系统限制粒子的加热速度约为每秒1°C,从而建立粒子的燃烧所需时间约为45 - 60分钟。此外,在这些系统上的格栅的尺寸实施一个上限固定床燃烧室约100000焦耳(108英热单位)每小时。因此,这种类型的系统仅限于工业和小规模发电厂。
流化床
在流化床燃烧,床上的碎固体颗粒(通常6毫米或更少)是由像流体的气流从床的底部以足够的速度暂停的材料。床的材料通常煤和的混合物沙子、灰或石灰石拥有很多的属性,和像液体。碎煤是引入冒泡的床上,这通常是预热到850 - 950°C (1562 - 1742°F)。煤颗粒加热大约每秒1000°C (1800°F),使液化,和剩余炭燃烧大约20分钟。煤浓度保持在床上1 - 5%的体重。自床上不断冒泡,混合像沸腾的液体,热量的传递,从床上是非常有效的,因此,可以实现统一的温度在床上。因为这个有效传热表面积,更少的需要移除热量从床上(,提高蒸汽);因此,有较低的总资本成本与给定的热负荷。此外,减少污染,降低燃烧温度腐蚀的传热表面。(污染煤灰坚持表面的现象)。火山灰amorphous-that是流化床燃烧系统,它没有经历融化和再凝固。
流化床燃烧系统尤其适用于煤的低质量、高硫因为他们的内容能力保留二氧化硫(所以2;污染物气体)在床上和他们的能力烧煤的灰分含量高或变量。当石灰石(碳酸钙;CaCO3)或白云石(的混合物钙和镁碳酸盐;CaMg(有限公司3)2)引入床以及煤炭、石灰石分解氧化钙(曹),然后用大部分的反应在床上2从燃烧的煤炭生产发布硫酸钙(卡索4)。在卡索4可以删除作为固体副产物用于各种各样的应用程序。此外,部分钙或镁可以通过各种各样的再生和回收技术。的形成和排放氮氧化物(NOx;另一个污染物气体)抑制低操作温度。流化床燃烧器,一般来说,需要额外的设备(如旋风分离器)罚款含有大量的可燃物和分离回收他们回到系统。
煤粉
煤粉燃烧是广泛应用于大型发电厂,因为它提供了灵活的控制。在这种方法中,煤是细碎的这80%到70按重量通过200 -筛网。粉燃烧的燃烧室燃烧空气的吸入粒子。因为碎煤比大颗粒表面积每单位重量,燃烧反应速度,从而减少所需的时间完全燃烧大约1到2秒。高加热率与微粒(105-10年6°C / s),加上高燃烧温度(约1700°C,或3092°F)和短燃烧时间,导致高吞吐量。
通过精心设计的燃烧室,各种coals-ranging从褐煤到无烟煤和包括高灰分coals-can被燃烧效率。根据矿物含量的特点,燃烧炉被设计用来删除灰干粉或液体渣。炉用于煤粉进行分类根据射击方法以垂直,水平或切线。
这种燃烧模式的缺点是相对较高的成本与干燥和研磨煤、传热表面的沾污结渣,需要昂贵的fine-particle-collection设备。
强热带风暴
在一个旋风炉,小煤颗粒(少于6毫米)在空气中燃烧而携入的。煤颗粒的流的主要燃烧空气直接进入圆柱形室,满足高速切向二次空气流。由于强烈的燃料和空气的混合,炉内的温度发展很高(2150°C (3900°F)。在如此高的温度,整个反应的速度是由氧转移率粒子表面,和氧的可用性增加了燃烧室高湍流诱导。燃烧强度,因此效率高旋风燃烧器。由于高温、火山灰融化,沿着斜壁流动的液态渣炉和删除。
水煤浆燃料
可以混合煤粉水拍成泥浆,可以像处理液体燃料和燃烧锅炉设计烧油。水煤浆燃料(CWSF)通常由50 - 70粉或微缩煤炭、29-49水、百分比和不到1%的化学物质驱散煤颗粒在水中,防止沉淀的煤炭。浆细喷(雾化)进入燃烧室的方式类似燃油。然而,挑战CWSF是实现快速燃烧蒸发以水的滴促进点火和燃烧的煤颗粒内的停留时间。这可以通过确保很好的雾化CWSF,使用预热助燃空气,提供良好的热循环中燃烧产物气体火焰区域。由于水的蒸发热损失对锅炉热效率的一些处罚,但这可能代表的成本低于湿煤脱水或所涉及的资金成本将一个燃油燃烧器转化为一个dry-coal-fired单位。CWSF的商业可行性取决于天然液体燃料的价格和可用性。
先进的燃烧技术
燃烧煤会产生燃烧气体高达2500°C (4500°F),但缺乏材料能够承受这样的力量甚至现代发电厂热蒸汽温度限制到540°C (1000°F)——尽管电厂的热效率增加而增加工作液(蒸汽)的温度。一个先进的燃烧系统磁流体动力学(磁流体动力)使用煤来产生一个高温燃烧气体大约在2480°C (4500°F)。在这个温度下,气体分子电离(带电)。产品流的一部分能量直接转换成电能,通过带电气体通过磁场然后,部分冷却气体通过传统蒸汽发生器。这个过程增强了能量转换的总热效率约50名来自反对传统流程,效率约36 - 38%。
另一个先进的方法,利用煤炭,称为整体煤气化联合循环,包括气化煤(在下面描述)和燃烧气体燃烧产物的生成热在1600°C (2900°F)。这些气体产品依次运行燃气轮机,和燃气轮机的排气气体可以用来产生蒸汽运行传统的汽轮机。这样一个涉及气体和蒸汽轮机联合循环操作可以提高整体的效率能量转换到大约42%。