水温调节
关于大众浴池烧洗澡水用煤的最佳用煤量的研究 摘要：
目的：探究烧水用煤量的最佳值节约资源，节约开支
1、1问题重述
现在大多城市都设有大众浴池，浴池洗澡用水是冷热调节，把水烧开在与凉水对在一起，调到身体适合水温。我们要做的是在保证洗澡水温达标的前提下，找到烧水合适温度和用煤量的最佳值以达到节约资源的目的。 1、2问题分析
首先了解煤的燃烧包括五个方面 1、煤的基本性质
煤的工业分析、煤的元素分析、煤的物理性质、煤的热解性质、煤粉的燃烧过程、煤的分类。 2、煤的着火
煤的着火机制、单颗煤粒的着火、煤粉颗粒群的着火、煤粉气流的着火。 3、煤的热解 煤的热解模型 4、煤焦的燃烧
表面反应机理、煤焦燃烧过程中外部传质的作用 5、空气中悬浮煤粒的燃烧 1 煤的基本性质 1.1 煤的工业分析
煤的工业分析包括煤的水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算四项内容。
（1）水分 煤中的水分按其煤中存在的状态，可分为外在水分、内在水分和化合水三种，其中外在水分与内在水分的总和称为煤的全水分。
外在水分是指煤在开采、运输、贮存和洗选等过程中，附着在煤颗粒表面以及直径大于10-5cm的毛细孔中的水分，如雨水、地下水等。 内在水分是指外在水分失去以后煤所保持的水分，它以吸附
或凝聚方式存在于煤粒内部直径小于10-5cm的小毛细孔中，蒸汽压小于纯水的蒸汽压，需要加热至105-110℃时才能蒸发。
化合水是指在全水分析出后仍保留下来的水分，即通常所说的结晶水和结合水。化合水含量不大，而且必须在更高的温度下才能失去，不易测定。因此，在煤的工业分析中，一般不考虑化合水。 煤中外在水分和内在水分的多少在一定程度上反映了煤质状况。低煤化煤由于结构疏松，极性官能团多，毛细管发达，内表面积大，因此外在水分和内在水分都较高。例如，褐煤的外在水分和内在水分可以达到20%以上，有些褐煤的水分含量甚至高达70%。 一般来说，水分是煤中无利有害的无机物质。①在煤燃烧时，如果水分过高，可燃物质会相应减少，导致燃料发热量降低；②由于水的蒸发性较大，变成水蒸气会消耗一定的热量，从而使锅炉内的温度水平下降，煤粉燃烧的稳定性和完全性变差，影响热量的均匀传递和分配；③水分增加会增加排烟量，使风机的电耗升高，排烟热损失增大；④除此之外，还会为低温受热面的积灰、腐蚀创造条件。
从燃烧动力学的角度来看，煤中含有适量的水分对燃烧过程有某些有利作用，①因为在高温火焰中水蒸气对燃烧过程是十分有效的催化剂，水蒸气分子可以加速煤粉焦炭残骸的气化和燃烧；②水蒸气还可以提高火焰的黑度，加强到燃烧室炉壁的辐射传热；③另外，水蒸气分解时产生的氢分子及其氢氧根又可以提高火焰的热传导。 从燃烧动力学的角度来看，煤中含有适量的水分对燃烧过程有某些有利作用，①因为在高温火焰中水蒸气对燃烧过程是十分有效的催化
剂，水蒸气分子可以加速煤粉焦炭残骸的气化和燃烧；②水蒸气还可以提高火焰的黑度，加强到燃烧室炉壁的辐射传热；③另外，水蒸气分解时产生的氢分子及其氢氧根又可以提高火焰的热传导。 （2）灰分 通常所说的灰分是指将一定质量的煤置于一定温度[（815±10）℃]下，待煤中可燃物质完全燃烧后剩下的残渣，它是煤中矿物经过失水、熔融、分解/化合、氧化等许多物理化学变化后形成的。由此可见灰分来自煤中矿物，但两者无论在质量上，还是在组成上都不等同，所以把灰分含量称为灰分产率更贴切。 煤中矿物质是指除水分外所有无机质的总称，含量范围为1%-50%，根据煤种不同而有较大差异。煤中矿物种类繁多，主要成分为：铝硅酸盐，氧化物如石英、赤铁矿，碳酸盐，硫化物和硫酸盐如黄铁矿和生石膏。主要赋存形态为粘土、高岭石、黄铁矿和方解石等，通常以细小颗粒形式随机分布。除了矿物颗粒之外，煤中还含有多种痕量元素，这些金属的蒸汽和氧化物排放进入大气会引起十分严重的环境问题。
煤的灰分无论形态上还是化学组成上与煤中的矿物具有较大差异，但与煤灰的组成基本一致，主要是由金属和非金属的氧化物和盐类组成的，其主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO（四者之和占煤灰的约95%以上），还有少量K2O、Na2O、SO3、P2O5及微量元素（Ge、Ga、U、V）的化合物。
和水分一样，煤中矿物质/灰分也一向被认为是有害的废物。①当煤作为燃料和气化原料时，首先，煤中矿物质不仅不能产生热量，煤灰外排还要带走显热，而且还可能夹带部分未燃碳，造成机械不完全燃
烧热损失，降低了利用效率。因此，动力煤的灰分每增加1%，大约要多消耗2-2.5%的煤炭。②当作为炼焦燃料时，煤中绝大部分灰分转入焦炭中，使焦炭的固定碳减少，用量增加，生产效率降低。其次，煤中的某些低熔点灰分易造成锅炉和气化炉系统的玷污、结渣和堵塞，而矿物分解释放的某些成分还可能对设备和装置产生腐蚀和磨损，从而降低使用寿命。③除此以外，煤中矿物还是一个十分重要的环境污染源。
尽管如此，煤中矿物质对煤的有利过程也有有益的一面，如碱金属和碱土金属化合物（K2CO3、Na2CO3、KCl、CaO等）对煤气化有催化作用，原因在于它们能促使碳的晶格扭曲变形，使产生的碳氧络合物容易从晶格中脱离出来，因而提高了碳的活性，起到催化作用。尤其在有钾、钠的氧化物和盐类存在时，碳的活性提高得更明显。
（3）挥发分和固定碳
煤主要是由有机物组成的，挥发分、固定碳就是表征煤中有
机物性质的重要指标。
①挥发分 是将煤在规定条件下隔绝空气加热时挥发性有机物的产率。煤在该条件下产生的挥发物①既包括煤中有机物热解产生的气态物质，②还包括煤中水分汽化形成的水蒸气以及③碳酸盐矿物质分解出的CO2等。因此，挥发分属于煤挥发物的一部分，两者并不等同。挥发分不是煤中的固有物质，而是煤在特定加热条件下的热分解产物，所以煤的挥发分称为挥发分产率更为确切，其数量和成
分随加热条件而变化。
挥发分含量也是判断燃煤燃烧性能的重要指标，傅维标等人用指数Fz描述燃煤着火特性：
Fz= (Vf + Wf )2 Cf×100
式中，Vf为挥发分，%；Wf为水分，%；Cf为固定碳，%。Fz的值越大，该煤种的着火性能越好。因此，挥发分含量Vf越高，Fz的值越大，说明该煤种越易于着火。
此外，①挥发分含量越大，煤中固定碳的含量相应减少，燃尽所需的时间随之减少；②而且挥发分燃烧放出更多的热量，这样易于造成炉内高温，从而有助于固定碳的迅速着火、燃烧与燃尽；③同时，挥发分析出产生孔隙更多，增大了反应表面积，使反应速率加快。因此，挥发分含量越高对煤粉的燃烧过程越有利。
② 固定碳 从测定煤样挥发分后的焦炭中减去灰分，残留的部分称为固定碳。固定碳和挥发分一样不是煤种的固有成分，它实际上是煤中有机质在一定加热条件下生成的热解固态产物，属于焦渣的一部分。在元素组成上，固定碳不仅含有碳元素，还含有氢、氧、氮、硫等元素，所以固定碳含量与煤中有机质的碳元素含量是两个不同的概念。一般来说，煤中固定碳含量小于煤中有机质的碳含量，只有在高煤化度的煤中两者才趋于接近。
从煤的成分分析指标来看，发热量主要是煤中固定碳燃烧产生的。因此国际上有利用工业分析或元素分析的成分作为计算发热量的公式，即以煤的固定碳作为发热量的主要来源。煤中固定碳含量随煤的
变质程度的增高而增高，一般对褐煤≤60 %，烟煤50%-90%，无烟煤﹥90%。 1.2 煤的元素分析
煤的组成以有机质为主，煤的工艺用途也主要是由有机质的性质决定的。煤中有机质的元素组成通常利用元素分析来测定，包括五种主要元素，即碳、氢、氧、氮和硫，其中碳、氢、氧元素之和可能占到煤中有机质的95%以上，而其他种类繁多但含量相对较少的元素，只当煤中的伴生元素。碳、氢、氧、氮和硫等元素在煤有机质中的含量与煤的成因类型、煤化程度有关，因此，通过元素分析了解煤中有机质的元素组成是煤质分析与研究的重要内容。
碳是煤中有机质的主要组成元素，在煤的结构单元中，它构成稠环芳烃的骨架。在煤炼焦时，它是形成焦炭的主要物质基础；在煤燃烧时，它是发热量的主要来源。碳含量随着煤化度升高而有规律地增加。在中国煤炭中，泥炭的干燥无灰基碳含量为55%-62%，褐煤为60%-70%，烟煤为77%-93%，无烟煤为88%-98%。因此碳含量也可以作为表征煤化度的分类指标，在某些情况下，碳含量对煤化度的表征比挥发分更准确。
氢在煤中的重要性仅次于碳。氢元素占腐殖煤有机质的质量一般小于7%，但因其原子量最小，故原子百分数与碳在同一数量级，甚至可能比碳还多。氢也是组成煤的大分子骨架和侧链的重要元素，与碳相比，氢元素具有更强的反应能力，单位质量的燃烧热也更大。 氢含量与煤的煤化度也密切相关，随着煤化度增高，氢含量逐渐下
降。在中变质烟煤之后，这种规律更为明显。在气煤、气肥煤阶段，氢含量可高达6.5%；到高变质烟煤阶段，氢含量甚至可下降到1%以下。
氧是煤中第三重要的组成元素，在有机物中主要以羧基、羟基、碳基、甲氧基和醚基等形态存在，也有些氧与碳骨架结合成杂环，氧在煤中存在的总量和形态直接影响煤的性质。煤中有机氧含量随煤化度增高而明显减少。泥炭中干燥无灰基氧含量高达27%-34%，褐煤中为15%-30%，到烟煤阶段为2%-15%，无烟煤为1%-3%。
氧的反应能力很强，在煤的加工利用中起着较大的作用，但也有不利的一面，如在煤燃烧过程中，氧不仅不参与燃烧，还对本来可燃的元素如碳和氢有约束作用。
氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中的氮含量较少，一般约为0.5%-3.0%。煤中有机氮化物被认为是比较稳定的杂环合复杂的非环结构的化合物，其来源可能是动、植物的脂肪、蛋白质等成分。
在煤的转化过程中，煤中的氮可生成胺类、含氮杂环、含氮多环化合物和氰化物等。煤燃烧和气化时，氮转化成可对环境造成重大污染的气态氧化物NOx。
煤中的硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。有机硫是指与煤的有机结构相结合的硫，其组成非常复杂，主要存在形式有硫醇、硫醚、双硫醚以及呈杂环状态的硫醌和噻吩等。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。
煤中无机硫主要来自矿物质中各种硫化合物，主要有硫化物和少量硫酸盐硫，偶尔也有单质硫存在。硫化物硫以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿、闪锌矿、方铅矿等。硫酸盐硫以石膏为主，也有少量硫酸亚铁等。
煤中的硫按可燃性还可以分为可燃硫和不可燃硫（或固定硫），硫酸盐硫属于不可燃硫；按挥发性又分为挥发硫和固定硫。 1.3 煤的物理性质
煤的物理性质包括煤的空间结构性质、表面性质、力学性质、热性质、电性质和光学性质等，分析和研究煤的物理性质既有理论意义又有实践价值，可以为煤化学学科的发展和煤炭加工利用技术的进步提供许多重要的信息。而对煤的燃烧等加工过程产生直接影响的性质主要是煤的物理结构和表面特性，包括表面积、孔隙率和孔径分布。 煤的表面积有外表面积与内表面积之分，对多孔固体来讲，外表面积是次要的，内表面积是主要的，煤的表面积大小一般以比表面积（m2/g）表示。
不同煤化程度的煤的比表面积是两头（褐煤和无烟煤）大，中间（中等变质程度烟煤）小，这反映了煤化过程中分子空间结构的变化。比表面积也与颗粒尺寸有关，一般随着粒径减小而增加，但这种趋势并不是绝对的，也有随粒径减小而减少的现象。
煤的孔隙率是指孔隙体积与煤的总体积之比，也可用单位质量的煤所包含的孔隙体积（cm3/g)表示。孔隙率的获得一般先以氦和汞为介质测定煤的密度dHe和dHg，再用下式计算：
d孔隙率HedHgedH100%
煤的孔隙率和煤化程度的关系
煤的孔径大小并不是均匀的，分布范围广泛， 从<1nm 到>1000nm。通常将孔隙分为大孔、中孔、小孔。常用的分类为：直径<1.2nm的称为微孔；直径在1.2～30nm的称为过渡孔（中孔）；直径>30nm的称为粗孔（大孔）。
孔径的测量可以采用气体吸附（N2、CO2）、汞孔隙率计、氦、X射线、中子散射和电子显微镜等手段。
在燃烧过程中，煤的热解和焦炭的燃烧等都是直接发生在煤粒的内表面上，而挥发分的析出，氧化剂和氧化产物的扩散都在孔隙中进行，因此，煤的孔隙结构对于煤的燃烧具有十分重要的影响。煤的孔隙结构及其比表面积在燃烧过程中不是一成不变的。研究表明，
比表面积在热解初期增加较慢，当热解度达到60%左右时开始迅速增加，而在热解后期则下降。另外，总孔隙率、微孔率、中孔率等具有相似的趋势，随温度升高而增大，在800℃时达到最大值，然后随温度升高而迅速减小。
煤焦是一种多孔介质，孔隙结构对于焦炭的燃烧过程有很大的影响。温度较低时，化学反应速率较低，氧化剂可以输送到颗粒内部孔隙，因此燃烧反应将在整个孔隙内表面进行，此时，焦炭燃烧速率取决于化学反应速率；当温度较高时，化学反应迅速，氧气消耗增加，因此，颗粒孔隙内部常处于局部还原性气氛，氧气的输送则成为控制燃烧速率的主要因素。在实际煤粉燃烧条件下，氧化反应处于过渡状态，即既受化学反应速率控制，也受到氧气扩散速度的控制，因此，孔隙结构是影响煤粉燃烧速率的重要因素。而煤粉的燃烧反过来对孔隙结构也有很大的影响。例如，挥发分的析出，导致新孔产生、旧孔的消亡、合并，使孔隙增大，或者造成颗粒破碎，从而大大改变孔隙的数量和体积。 1.4 煤的热解性质
在隔绝空气情况下煤随温度的变化
温度/℃ 100-150 主要变化 蒸发出水分 温度/℃ 350-400 主要变化 燃料开始剧烈分出CH4、H2、C2H4和含大量焦油的气体 150-200 放出被燃料吸收的约450 CO2 放出大量焦油气 200-300 燃料中的化合物开约500 始明显分解 焦油气逐渐减少 约300 开始放出含焦油多 的气体（各种轻碳 氢化合物） 1000-1100 完全停止一切气体逸出，剩下固定碳 1.5 煤粉的燃烧过程
煤粉燃烧就是把煤磨成细粉（<100μm），用空气送入炉内在悬浮状态下的燃烧。从褐煤到无烟煤的一切煤种都能采用煤粉燃烧方式，即使油页岩也能磨成细粉而悬浮燃烧。此外，煤粉与水混合制成的水煤浆，喷入炉中雾化后的悬浮燃烧，也属于煤粉燃烧。因此，采用煤粉燃烧方式可以适应较为广泛的煤种。
煤粉燃烧中的原煤必须磨成细粉，这样增大了煤颗粒的比表面积，如原来1cm3的正方煤块，磨成100μm的细粉以后，其比表面积会增大1000倍，从而对完全燃烧十分有利。在实际炉膛中，煤粉的运动速度与运载它的气流基本上相同，煤粉在炉内停留时间很短，约1-2s，煤粉在这样短的时间里基本上燃烧完全（又称燃尽），可以达到较高的燃烧效率。另外，煤粉燃烧在锅炉容量上可以不受，蒸发量从3-5kg/s（10-20t/h）直到500-600kg/s（2000t/h）上下或更高的容量，都采用这种燃烧方式。在中国，一般10kg/s以上的锅炉才开始采用煤粉燃烧。
煤粉的燃烧过程一般可以分为以下几个阶段：首先，煤粒由运载它的空气喷入炉膛后，受到炉内火焰、高温烟气的加热，温度迅速升高，在此过程中，煤被加热和干燥，煤中水分蒸发完全。此后，随着温度的进一步上升，煤中的挥发分开始析出，当炉内有足够高的温度，而且有氧气存在时，挥发分着火燃烧，形成光亮的火焰，使煤粒进一步加热。在挥发分析出并且燃烧之后，残留的高温焦炭颗粒开始进一步燃尽。
关于挥发分与固定碳谁先着火燃烧的问题存在许多分歧，大量研究表明，随着煤中水分的蒸发，温度的上升，煤中固定碳首先着火燃烧，释放出热量后挥发分才开始析出；或者挥发分的析出与固定碳的着火燃烧几乎同时进行，随后煤粒完成其燃尽过程。出现不同煤粉燃烧过程的主要原因是煤的成分不同；另外，加热方式等环境因素的变化也会影响其燃烧过程。
煤粉的燃烧过程一般可以分为以下几个阶段：首先，煤粒由运载它的空气喷入炉膛后，受到炉内火焰、高温烟气的加热，温度迅速升高，在此过程中，煤被加热和干燥，煤中水分蒸发完全。此后，随着温度的进一步上升，煤中的挥发分开始析出，当炉内有足够高的温度，而且有氧气存在时，挥发分着火燃烧，形成光亮的火焰，使煤粒进一步加热。在挥发分析出并且燃烧之后，残留的高温焦炭颗粒开始进一步燃尽。
关于挥发分与固定碳谁先着火燃烧的问题存在许多分歧，大量研究表明，随着煤中水分的蒸发，温度的上升，煤中固定碳首先着火燃烧，
释放出热量后挥发分才开始析出；或者挥发分的析出与固定碳的着火燃烧几乎同时进行，随后煤粒完成其燃尽过程。出现不同煤粉燃烧过程的主要原因是煤的成分不同；另外，加热方式等环境因素的变化也会影响其燃烧过程。
从挥发分燃烧到基本燃烧完毕，所需的时间只占燃料燃烧所需时间的1/10，此后是焦炭的燃烧阶段。当挥发分基本分解燃烧完毕后，焦炭表面局部开始燃烧、发亮，然后逐渐扩展到整个表面，焦炭的温度逐渐上升，此后基本保持不变。在焦炭燃烧阶段，仍可能有部分挥发物析出，但是对燃烧过程起主要作用的是碳，焦炭的燃烧阶段大约占煤全部燃烧时间的9/10，为煤燃烧各阶段中时间最长的阶段。
褐煤燃烧时温度和质量随时间的变化（褐煤）