燃料的分类及应用-固体燃料、天然燃料、人工燃料、可燃废物

用于人类生活和工业生产的燃料种类很多，按燃料来源分为天然燃料和加工燃料；按燃料使用多少分为常规燃料（如煤、天然气等）和非常规燃料（如核燃料）；按燃料物理状态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。常见的燃料及分类见表2.1。燃料的性质既影响燃烧设备的设计和燃烧操作条件的设定，也影响大气污染物的形成和排放。

表2.1　燃料的分类

（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。天然固体燃料分为矿物燃料和生物质燃料。矿物燃料主要指煤、泥炭、石煤和沥青等，是我国能源结构的主体；生物质燃料主要指多年生木质和一年生草本及秸秆等原生生物质，在农村被广泛用作能源。人工固体燃料主要指焦炭、木炭等。固体可燃废物主要有城市生活垃圾、医疗垃圾和城市污泥等。

1.煤的分类

煤是最重要的固体燃料，它是古代植物在地层内经长久炭化衍变而成的，它的形成要经历一个很长的时期。炭化过程是分阶段发生的，根据植物在地层内炭化程度的不同，可将煤分为四大类，即泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。

（1）泥煤

泥煤是最年轻的煤，是由植物刚刚衍变而成的。在结构上，它尚保留着植物遗体的痕迹，质地疏松，吸水性强，含天然水分高达40%以上，风干后的泥煤密度只有300～450kg/m3。泥煤中含碳量和含硫量低，但含氧量却高达28%～38%。泥煤的挥发分高，可燃性好，在工业上，它主要用作锅炉燃料和化工原料。但泥煤的机械强度差，容易粉碎，不能长途运输，只能作为地方燃料。

（2）褐煤

褐煤比泥煤炭化程度大一些，这种煤基本上完成了植物遗体的炭化过程。含碳量较高，氢氧含量低，挥发分低，其密度约为750～800kg/m3，燃烧热值低，在空气中易风化粉碎，多作为地方燃料。

（3）烟煤

烟煤是炭化程度较高的煤，仅次于无烟煤。呈黑色，外形有可见条纹。其特点是含碳量高，挥发分高于无烟煤低于褐煤，不易吸湿，燃烧时有黏结性。由于烟煤的炭化年龄、生成条件不同，不同产地的烟煤，在黏结性和含硫量方面有较大差别。根据烟煤的黏结性、挥发分含量等物理性质，烟煤分为长焰煤、气煤、肥煤、结焦煤、瘦煤等不同品种。长焰煤和气煤挥发分高，适宜制造煤气，结焦煤适宜炼焦。烟煤是冶金、建材和动力等工业中不可缺少的能源。

（4）无烟煤

无烟煤是碳含量最高、炭化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高，灰分和挥发分少，含硫量低，组织致密而坚硬，密度大，吸水性小，适宜于长途运输和储存。无烟煤的主要缺点是受热时容易炸裂成碎片，可燃性差，不易着火。但由于其发热量大，灰分少，含硫量低。燃烧后污染轻，多用于民用燃料，也可作为制气燃料。

2.煤的化学组成

煤的化学组成极其复杂，其主要组分是有机化合物，其分子结构的核心部分是沥青或树脂类的高分子化合物。根据煤的元素分析结果可知，煤的主要可燃质是碳元素，其次是氢以及氧、氯、硫与碳和氢构成的少量可燃性化合物。此外，煤中还含有一些非可燃性矿物质，如灰分和水分等。煤的化学组成通常用C、H、O、N、S等元素及灰分和水分的质量分数来表示。

测定煤组成的方法分为工业分析和元素分析两大类。

（1）煤的工业分析

煤的工业分析主要测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳以及估测硫含量和热值，这是评价工业用煤的主要指标。

灰分。灰分是指煤中所含的碳酸盐、黏土、矿物质以及微量元素等不可燃性物质。它们燃烧时，经过高温分解、氧化后形成灰渣。灰分组成及其含量与煤层聚积环境有关。我国很多煤层的矿物质以黏土为主，灰分组成则以SiO2和Al2O3为主，两者总和一般可达50%～80%。灰分是煤中的有害物质，同样影响煤的使用、运输和储存。煤用作动力燃料时，灰分增加，煤中可燃物质含量相对减少。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因此降低了煤的发热量，影响锅炉操作（如易结渣、熄火等），容易造成燃烧不完全，加剧设备磨损，增加排渣量。

水分。煤矿中的水分有外部水分和内部水分两种形式。外部水分是指煤在开采、运输和洗选过程中煤的外表以及大毛细孔中的水。它以机械方式与煤相连接，较易蒸发。在空气中放置时，外部水分不断蒸发，直至煤中水分的蒸汽压与空气的相对湿度达到平衡时为止，此时失去的水分就是外部水分。外部水分多少与煤粒度等有关，而与煤质无直接关系。内部水分是指吸附或凝聚在煤粒内部的毛细孔中的水，内部水分只有在高温下才能除掉。一般内在水分是指将风干煤加热到105～110℃时所失去的水分，它主要以物理化学方式（如吸附等）与煤相连接着，较难蒸发。

通常在组分分析报告中所给出的水分即指内部水分。煤中水分是有害组分，煤中水分的存在，不仅降低了煤中的可燃质成分，而且在燃烧时还消耗热量。

挥发分。煤的挥发分，即煤在一定温度下隔绝空气加热，逸出物质（气体或液体）中减掉水分后的含量。挥发分主要由氢气，碳氢化合物、一氧化碳及少量硫化氢等组成。在相同的热值下，煤中挥发分越高，越容易燃着，火焰越长，越容易完全燃烧，但挥发分含量过高，容易造成煤的不充分燃烧，释放出大量积炭粒子和烟气，形成环境污染。挥发分是煤分类的重要指标，煤的挥发分反映了煤的变质程度，挥发分由大到小，煤的变质程度由小到大。如泥炭的挥发分高达70%，褐煤一般为40%～60%，烟煤一般为10%～50%，高品质的无烟煤则小于10%。

固定碳。从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤中的主要可燃物质。

（2）煤的元素分析

煤的元素分析是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。

碳（C）。碳是煤组成中主要的可燃元素。煤的炭化年龄越大，碳含量越高，碳燃烧时放出大量的热。常见的几种煤含碳量见表2.2。(www.xing528.com)

表2.2　常见的几种煤含碳量

氢（H）。氢在煤中以自由氢（可燃氢）和结合氢两种形式存在，前者指与碳、硫等元素结合的氢，它燃烧时放出的热量约为碳的三倍半；后者指与氧结合的氢，它不参与燃烧反应。计算时，应以可燃氢的含量来计算煤的发热量和燃烧所需的空气量。

氧（O）。氧在煤中常与碳、氢等可燃元素构成非可燃性的氧化物。煤中的含氧量一般不采用直接测定法测定，而是应用其他易测成分的测定值，用下式间接算出：

氮（N）。氮在煤中是以无机或有机含氮化合物形式存在的。无机含氮化合物在燃烧过程中一般不参与反应。煤中少量有机氮化物（如吡啶、咔唑、氨基化合物等）参与燃烧反应，参与反应的有机含氮化合物在高温下分解形成污染大气的氮氧化合物。

硫（S）。硫在煤中以三种形态存在，即有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。有机硫及黄铁矿硫都能参与燃烧反应，因而总称为可燃硫，而硫酸盐硫不参与燃烧反应，称为非可燃硫。煤中的可燃硫是极为有害的，随着煤的燃烧，可生成SO2及SO3等有害气体污染大气。

（二）石油

液体燃料分为天然的液体燃料和人为加工的液体燃料两类。天然燃料主要指石油，而人工燃料指石油加工的产品、合成的液体燃料以及煤经高压加氢所获得的液体燃料等。

石油又称为原油，是一种天然的液体燃料，本身呈黑褐色的黏稠液体，石油的组成及其物理化学性质随产地的不同而有较大的差异，主要由烷烃、烯烃、芳香烃和环烷烃组成，另外还含有少量硫化物、氧化物、氮化物、水分和矿物。

原油中均含有多种极其宝贵的化工原料。虽然原油可直接作为原料烧掉，但不经济，通常将原油进行热加工处理，炼制出各种不同用途的燃料和化工原料后，再加以利用。原油通过裂化、重整和蒸馏过程生产出各种产品，按照馏分沸点的高低，可分为汽油、煤油、柴油、重油等。

（1）汽油

汽油是原油中最轻的馏分，按不同的生产工艺，将产品分为直馏汽油和裂化汽油。直馏汽油是石油进行蒸馏的产品，是C5～C11的烃类混合物。而裂化汽油是指在500℃和700kp的高温高压或催化剂的作用下，使汽油中长链分子裂化成短链分子的蒸馏产品。分航空汽油和车用汽油，航空汽油的沸点为40～150℃，相对密度为0.71～0.74。车用汽油的沸点为50～200℃，相对密度为0.73～0.76。

（2）煤油

煤油馏分沸点为150～280℃，相对密度为0.78～0.82。煤油分白煤油和茶色煤油，白煤油可用作家用燃料和小型石油发动机的燃料；茶色煤油多用作动力柴油机的燃料。

（3）柴油

柴油馏分的沸点为200～350℃，相对密度为0.80～0.85。柴油主要用作柴油客车、柴油载重机以及高速柴油车的燃料。用于柴油机的柴油燃料要具有着火性能好、引燃点高、黏度适当、尽可能少或不含灰分和水分等特点。

（4）重油

广义上来说，重油是原油加工后各种残渣油的总称。根据原油加工的方法不同，可将重油分为直馏重油和裂化重油两类。直馏重油是常、减压炼制所剩下的渣油，常压的渣油可直接用于锅炉及工业窑炉的燃料，而减压渣油因含沥青质多，不能直接作为燃料，一般需加入适当轻质馏分的油品进行调质，然后再作为燃料燃烧。

重油的性能参数主要有相对密度、黏度、着火点、灰分及夹杂物、水分和含硫量等。相对密度大的重油发热值低，燃烧性能不好；含低沸点碳氢化合物越多，黏度就越低，黏度低的重油有利于燃烧，但每单位体积的发热量减小；重油的灰分及夹杂物含量较少，多以固体金属氧化物残存在燃烧后的灰分中；重油中的水分是在运输和储存过程中混进的，含水量多时，不仅会降低重油的发热量和燃烧温度，而且会影响供油设备的正常运行。因此，当重油中水分含量太高时，应设法将其除掉。重油中硫的含量虽然不多（为0.5%～5%），但对环境危害甚大，重油中所含的有机硫化物和黄铁矿完全燃烧时，可生成污染大气的气体SO2。

在冶金、建材、石油化工等工业部门使用的冶金炉和热工窑炉多以重油为燃料。但其发热量低，燃烧性能不好，对环境污染大。

（三）天然气

由可燃性气体组成的燃料称为气体燃料。气体燃料属于清洁燃料，是防止大气污染的理想燃料、主要包括天然气、液化石油气（LPG）、裂化石油气和焦炉煤气。

天然气的主要成分是甲烷，其次为乙烷等饱和烃，还有少量的CO2、N2、O2、H2S和CO等组成，其中H2S是有害物，燃烧可生成硫氧化物，污染环境，许多国家都规定了天然气的总硫量和硫化氢含量的最大允许值。

液化石油气的主要成分是C2、C3和C4组分，其输送和储存是液体状态，它有易运输、储存，发热离，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、空气或氧气等作汽化剂，将石油和重油等油类裂化而得，一般作民用燃料。

焦炉煤气是炼焦生产的副产物，主要成分H2、CH4和CO，还有少量的N2、CO2，发热量为15910～17166kJ/m3，广泛用作工业和民用燃料。