燃料的组成

3.1.2　燃料的组成

固体燃料的成分有：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、水分（M）、灰分（A）。其中C、H、S为可燃元素。

液体燃料的成分也是碳、氢、氧、氮、硫、水分和灰分，但碳和氢含量较高。

气体燃料有天然气和人造气两类。天然气分气田气和油田伴生气两种。气田气主要成分是甲烷；油田气除含甲烷外，还有丙、丁烷等烷烃类，CO₂含量也比气田气高。

1.固体燃料和液体燃料

（1）碳和氢

碳是燃料中基本可燃元素，煤中碳含量（质量分数）一般占煤成分的20%～70%，油类燃料中碳的含量达83%～88%。氢是燃料中热值最高的元素，煤中含量（质量分数）一般占煤成分的3%～5%，油类燃料中氢的含量达11%～14%。碳和氢两种元素结合成各种碳氢化合物，也称为烃，按其化学结构不同一般分为烷烃、环烷烃和芳香烃三类。

1kg碳完全燃烧生成二氧化碳时可放出32783kJ的热量；在缺氧或燃烧温度较低时会形成不完全燃烧产物一氧化碳，仅放出9270kJ的热量。烃类物质受热分解成为氢气或各种碳氢化合物气体挥发出来。氢是一种着火容易、燃烧性能好的气体，1kg氢完全燃烧时可放出120370kJ的热量，约是碳燃烧放热量的3.67倍。燃料中碳和氢各自含量的比例称为碳氢比，用符号k_CH表示，k_CH＝C/H。碳氢比可以用来衡量燃料及燃烧的性能。碳氢比小的燃料热值较高，燃烧过程中着火容易、燃烧完全，形成的不完全燃烧产物（如炭黑、一氧化碳）较少。

（2）氧和氮

氧是燃料中反应能力最强的元素，燃烧时能与氢化合成水，降低了燃料的热值。氮是燃料中的惰性和有害元素，燃烧时，燃料中氮易转化成为氮氧化物NO_x（NO及NO₂），排放后对环境造成污染。氧和氮都是煤在形成期间便存在的，它们都不是可燃质，不能燃烧放热。氧虽能助燃，但它在煤中含量与大气中的氧含量相比是很少的。氮的质量分数约为0.1%～2.5%，氧的质量分数一般小于2%。但泥煤的氧含量可高达40%。氧随煤的碳化程度加深而减少。氧在煤中主要以羧基、羟基、甲氧基、羰基和醚基形态存在，也有些氧与碳骨架结合成杂环。燃料中氮绝大部分为有机氮。

（3）硫

硫也是有害成分。尽管硫也是一种可燃物质，但其热值很低，1kg硫燃烧后仅放出9040kJ的热量。燃烧生成SO₂和少量SO₃，排出锅炉后造成严重污染，是形成酸雨的主要物质。若与烟气中的水蒸气反应生成硫酸或亚硫酸，在锅炉低温受热面凝结后产生强烈的腐蚀作用。硫在煤中以三种形式存在：①有机硫，与碳、氢等结合成复杂化合物；②黄铁矿硫，如FeS₂等；③硫酸盐硫，如CaSO₄、Na₂SO₄等。其中有机硫和黄铁矿硫参加燃烧；硫酸盐硫进入灰分，我国煤的硫酸盐硫含量极少。我国动力用煤的含硫量大部分为1%～1.5%，一些煤种含硫3%～5%，个别的高达8%～10%。含硫量高于2%的煤称为高硫煤，直接燃烧可生成大量的SO₂，若不处理则危害严重。

硫在石油中以硫酸、亚硫酸或硫化氢、硫化铁等化合物的形式存在。燃料油在运输过程中对金属管道也有很强的腐蚀性。硫是评价油质的重要指标。按照硫在燃料中的含量多少，可分为：高硫油，质量分数大于2%；含硫油，质量分数0.5%～2%；低硫油，质量分数小于0.5%。也有的将含量大于1%的油即视为高硫油。我国低硫石油有大庆、大港、克拉玛依等地的产品，胜利油田原油属含硫油，而高硫油主要集中在中东产油区。石油在加热蒸馏提取各种燃料油的过程中，80%的硫残存在重馏分（润滑油、渣油）中。

（4）灰分

煤的灰分是燃烧后剩余的固体残余物。灰分降低了煤的品质；给燃烧造成困难；可能使锅炉积灰、结渣，并磨损金属受热面。我国煤的灰分随煤种变化很大，少则4%～5%，多则60%～70%。煤中灰分的组成如表3.2所示。

表3.2　煤中灰分的组成

石油中的灰分是矿物杂质在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后形成的固体残存物（V₂O₅、Na₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄等），会在锅炉的各种受热面上形成积灰并引起金属的腐蚀。油灰分的含量极少，质量分数小于0.05%，但化学成分十分复杂，含有30多种微量元素，如铁、镁、镍、铝、铜、钙、钠、硼、硅、氯、磷、砷等。由于石油中的灰分具有较强的粘结性，燃油锅炉受热面上的积灰不易清除，含量很少的灰分会对长期运行的锅炉产生很大的影响。

除了灰分以外，石油及其产品在开采、输运、贮存过程中还会混入一些不溶物质，称为机械杂质，在燃料油中的含量（质量分数）约为0.1%～0.2%。这些以悬浮或沉淀状态存在的杂质有可能堵塞或磨损油喷嘴和管道设备，使锅炉的正常运行受到影响。

（5）水分

水分也是燃料中的不可燃成分。不同燃料的水分含量变化也很大。液体燃料约含有1%～4%，褐煤可达40%～60%。水分增加，影响燃料的着火和燃烧速度，增大烟气量，增加排烟热损失，加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰。

通常石油与水共存于油田中，原油中含有很高的水分。燃料油中的高水分会使燃料的热值降低，导致燃烧过程中出现火焰脉动等不稳定工况或熄火，增大排烟热损失，一般是有害成分。但若有少量水分呈乳状液并与油均匀混合，雾化后的油滴中水分先受热蒸发膨胀，产生所谓的“微爆”效应，油滴形成二次破碎雾化，改善了燃烧条件，提高燃烧火焰温度，可以降低不完全燃烧热损失。石油输运前要经过脱水处理，燃料油中的水分含量（质量分数）应低于2%。

2.气体燃料

各种气体燃料均由一些单一气体混合组成，也包括可燃物质与不可燃物质两部分。主要的可燃气体成分有甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、氢气（H₂）、一氧化碳（CO）、乙烯（C₂H₄）、硫化氢（H₂S）等，不可燃气体成分有二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）和少量的氧气（O₂）。其中可燃单一气体的主要性质如下：

（1）甲烷　无色气体，微有葱臭，难溶于水，0℃时水中的溶解度为0.0556%，低位热值为35906kJ/m³。甲烷与空气混合后可引起强烈爆炸，其爆炸极限范围为5%～15%。最低着火温度为540℃，当空气中甲烷浓度高达25%～30%时才具有毒性。

（2）乙烷　无色无臭气体，0℃时水中的溶解度为0.0987%，低位热值为64396kJ/m³。最低着火温度为515℃，爆炸极限范围为2.9%～13%。

（3）氢气　无色无臭气体，难溶于水，0℃时水中的溶解度为0.0215%，低位热值为10794 kJ/m³。最低着火温度为400℃，极易爆炸，在空气中的爆炸极限范围为4%～75.9%。燃烧时具有较高的火焰传播速度，约为260m/s。

（4）一氧化碳　无色无臭气体，难溶于水，0℃时水中的溶解度为0.0354%，低位热值为12644kJ/m³。一氧化碳的最低着火温度为605℃，若含有少量的水蒸气即可降低着火温度，在空气中的爆炸极限范围为12.5%～74.2%，一氧化碳是一种毒性很大的气体，空气中含有0.06%即有害于人体，含0.2%时可使人失去知觉，含0.4%时致人死亡。空气中允许的一氧化碳浓度为0.02g/m³。

（5）乙烯　无色气体，具有窒息性的乙醚气味，有麻醉作用，0℃时水中的溶解度为0.226%，低位热值为59482kJ/m³，相对较高。乙烯最低着火温度为425℃，在空气中的爆炸极限范围为2.7%～3.4%，浓度达到0.1%时对人体有害。

（6）硫化氢　无色气体，具有浓厚的腐蛋气味，易溶于水，0℃时水中的溶解度为4.7%，低位热值为23383kJ/m³。硫化氢易着火，最低着火温度为270℃，在空气中的爆炸极限范围为4.3%～45.5%。毒性大，空气中含有0.04%时有害于人体，0.10%可致人死亡，大气中允许的硫化氢浓度为0.01g/m³。