燃料是指用以生产热量或动力的可燃性物质。其主要是含碳物质或碳氢化合物,如煤、石油和天然气等化石燃料,以及统称为非常规燃料的多种其他燃料,如生活垃圾、农作物秸秆等。
燃料按物理状态可以分为固体燃料、液体燃料和气体燃料,按使用多少可分为常规燃料和非常规燃料,按来源可分为天然燃料和加工燃料。
(一)固体燃料
固体燃料分为天然固体燃料、人工固体燃料和固体可燃废物。固体可燃废物主要有城市生活垃圾、医疗垃圾和城市污泥(包括污水处理厂的污泥)等,人工固体燃料主要有焦炭、型煤、石油焦和木炭等,天然固体燃料分为矿物燃料和生物质燃料,生物质燃料是指多年生木质和一年生草本及秸秆等原生生物质。
矿物燃料主要是煤炭、石煤、泥炭、煤矸石、油页岩和碳沥青等,它是我国能源结构的主体。
煤是最重要的固体燃料,煤的可燃成分主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。煤中有机成分和无机成分的含量,因煤的产地和种类的不同而有很大差别。
1.煤的种类
最常用的是基于沉积年代的分类法。此法将煤分为褐煤、烟煤和无烟煤,每大类又依次分为几小类。
(1)褐煤。褐煤是由泥煤形成的初始煤化物,是煤中等级最低的一类,形成年代最短。呈黑褐色、褐色或泥土色,其结构类似木材。褐煤的挥发分较高且析出温度较低。干燥后无灰的褐煤中碳的质量分数为60%~75%,氧的质量分数为20%~25%。褐煤的水分和灰分都较高,燃烧热值较低,不能用制焦炭,易于破裂。
(2)烟煤。烟煤的形成历史较褐煤长,呈黑色,外形有可见条纹,挥发分质量分数为20%~45%,碳质量分数为75%~90%。烟煤成焦性较强,且含氧量低、水分和灰分含量一般不高,适宜工业上的一般应用。
(3)无烟煤。无烟煤是含碳量最高、煤化时间最长的煤。它具有明亮的黑色光泽,机械强度高。碳的质量分数一般高于93%,无机物质量分数低于10%,因而着火困难,储存时稳定,不易自燃。无烟煤的成焦性极差。
2.煤的组成
碳是煤组成中主要的可燃元素,煤的炭化年龄越长,含碳量就越高,碳是煤发热量的主要来源,每千克碳完全燃烧时可放出约3.27×104kJ的热量。
氢在煤中的质量分数大多在3%~6%之间,以两种形式存在,一种是与氧结合成稳定的化合物水,不能燃烧,称为结合氧;另一种是与碳、硫等元素结合存在于有机物中,称为可燃氢。
氮和氧是有机物中不可燃成分,氧在各种煤中的质量分数差别很大,最高可达40%左右,随着煤炭化程度提高,氧的质量分数逐渐降低。煤中的氮质量分数一般不多,只有0.5%~2%,氮在燃烧时会产生氮氧化物,造成大气污染。
煤中的硫以有机硫和无机硫形态存在。无机硫化合物主要是黄铁矿(FeS2)和硫酸盐,有机硫和黄铁矿硫都能参与燃烧反应,因而总称为可燃硫。煤中的可燃性硫是极为有害的,燃烧后可生成二氧化硫和三氧化硫等有害气体,造成大气污染,中国的酸雨主要是由燃煤引起的。
灰分是由煤中所含的碳酸盐、黏土矿以及微量的稀土元素所组成,灰分不仅不能燃烧,还妨碍可燃物质与氧接触,增加燃烧着火和燃尽的困难,使燃烧损失增加,多灰分的劣质煤往往着火困难,燃烧不稳定,煤中的灰分还造成大气和环境的污染。煤中的水分不利于燃烧,会降低燃料的燃烧温度,水分多的煤甚至可造成着火困难。
(二)液体燃料
1.石油(www.xing528.com)
石油及石油制品主要包括原油、汽油、煤油、柴油和燃料油。石油又称原油,是液体燃料的主要来源,它是多种化合物的混合物,主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物主要含碳和氢,还有少量的硫、氮和氧,它们的含量因产地而异。通常原油还含有微量金属,如钒、镍,也会受到氯、砷和铅的污染。
汽油是原油中最轻质的馏分,分航空汽油和车用汽油。
煤油分白煤油和茶色煤油,白煤油用作家庭燃料和小动力设备,茶色煤油用于动力设备,柴油主要用于动力设备。
2.煤炭加工制取的燃料油
煤炭加工制取的燃料油主要包括煤焦油和煤液化油。
煤焦油是炼焦工业的重要产品之一,其组成极为复杂,除作燃料外,主要用于分馏出各种酚类、芳香烃、烷类等,并可用于制造其他染料或药物等。
煤液化油是指以煤炭为原料通过各种直接液化和间接液化工艺得到的燃料油。
3.生物液体燃料
生物液体燃料主要有生物柴油和醇类燃料。生物液体燃料(生物燃油)是中国今后开发利用生物质能的一个主要方向。
(三)气体燃料
气体燃料属于清洁燃料,一般含有低分子量的碳氢化合物、氢和一氧化碳等可燃气体,并常含有氮和二氧化碳等不可燃气体。根据其来源可分为天然气体燃料、工业生产过程副产气体燃料和人造气体燃料。
1.天然气体燃料
天然气体燃料主要有天然气和煤层气。天然气主要成分是甲烷,另有少量的乙烷、丙烷和丁烷,还有少量的H2S、CO2、N2、H2O和CO等。其中H2S燃烧生成硫氧化物污染环境,许多国家都规定了天然气总硫量和硫化氢含量的最大允许值。
2.工业生产过程副产气体燃料
工业生产过程副产气体燃料主要有冶金工艺过程副产煤气和石油炼制过程副产煤气。冶金工艺过程副产煤气主要包括焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气等。
石油炼制过程副产煤气主要包括液化石油气、裂化石油气和裂解石油气等。液化石油气是由炼厂气或天然气加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。输送和储存时呈液体状态,燃烧时呈气体状态,具有易运输、易储存、发热量高、含硫低、轻污染等特点,广泛用于居民生活和汽车等燃料。裂化石油气是用水蒸气、空气或氧气等作气化剂,将石油和重油等油类裂化而得,一般作民用燃料。
3.人造气体燃料
人造气体燃料主要有空气煤气、混合煤气和沼气等。空气煤气是指在煤气发生炉中以空气为气化剂连续操作得到的煤气。混合煤气是指发生炉中以空气—水蒸气为气化剂连续操作得到的煤气。沼气是指用农作物秸秆、杂草及家畜的粪便等有机物经发酵分解后制取的气体燃料。
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