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1、煤的成因分类及煤炭燃烧中的相关问题煤的成因、分类及煤炭燃烧中的相关问题吴国光 教授中国矿业大学化工学院一、煤的成因煤是植物遗体经过生物化学作用，又经过物理化学作用而转变成的沉积有机矿产，是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。从植物死亡、堆积到转变为煤经过一系列复杂的演变过程，这个过程称为成煤作用。 成煤作用大致可以分为两个阶段： 第一阶段是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参与下不断分解、化合、聚集的过程。这个过程起主导作用的是生物地球化学作用。高等植物形成泥炭，因此成煤第一阶段可称为泥炭化阶段。 当已经形成的泥炭由于地壳的下沉等原因而被上覆沉积物所掩埋时，成煤作用就转为第

2、二阶段煤化作用阶段，即泥炭在以温度和压力为主的作用下变为煤的过程。成煤第二阶段包括成岩作用和变质作用。在这一阶段中起主导作用的是物理化学作用。在温度和压力的影响下，泥炭进一步变为褐煤（成岩作用），再由褐煤变为烟煤和无烟煤（变质作用）。图1 成煤作用的阶段划分煤与煤之间的性质千差万别，不仅不同煤田的煤质差别较大，即使是同一煤田中不同煤层的煤质，其差异也很大。在同一煤田同一煤层不同地点采的煤样，其煤质也有较大的差别；甚至是在同一煤田同一煤层同一地点采样，而采样时，将煤层从上到下分成若干个分层采样，各分层的煤质也有差别。引起煤质千差万别的原因，与成煤物质、成煤环境和成煤作用有关。二、煤的分类1974

3、年我国有关部门开始对煤炭进行新的分类，经有关部委、科研机构和高等院校的专家、教授多次会议论证，并对全国主要煤矿、煤产地的煤质资料进行了全面分析研究，基本上取得了一致意见。1985年1月19日通过了煤炭分类国家标准，并于1989年10月1日起正式实施。 所使用的主要分类指标有两个：一是表示煤化程度的干燥无灰基挥发分（Vdaf）（在900时测定，而原分类方案挥发分测定温度为850），用来区分无烟煤、烟煤和褐煤；二是表示煤的工艺性能的粘结性指标。根据粘结性大小的不同，分别选用粘结指数G、胶质层最大厚度Y和奥亚膨胀度b作为指标。 1、无烟煤、烟煤和褐煤的区分指标无烟煤、烟煤和褐煤的主要区分指标是表征煤

4、化程度的干燥无灰基挥发分（Vdaf）。当Vdaf 37.0%和G5时，利用透光率PM来区分烟煤与褐煤，见表1。表1 煤炭分类总表类别符号数码分类指标Vdaf /%PM /%无烟煤WY01,02,0310.0烟煤YM11,12,13,14,15,1621,22,23,24,25,2631,32,33,34,35,3641,42,43,44,45,4610.0褐煤HM51,5237.0502、无烟煤的分类无烟煤采用Vdaf和Hdaf作为分类指标，将无烟煤分为1号3号3个小类，见表2。表2 无烟煤的分类类别符号数码分类指标Vdaf /%Hdaf /%无烟煤一号无烟煤二号无烟煤三号WY1WY2WY30

5、1020303.53.56.56.510.002.02.03.03.03、烟煤的分类采用干燥无灰基挥发分、粘结指数、胶质层最大厚度和奥亚膨胀度作为指标把烟煤分为12大类，见表3。表3 烟煤的分类类别符号数码分类指标Vdaf /%GY /mmb /%贫煤PM1110.020.05贫瘦煤PS1210.020.0520瘦煤SM131410.020.010.020.020505065焦煤JM15242510.020.020.028.020.028.06550656525.025.0(150)(150)肥煤FM16263610.020.020.028.028.037.0(85)(85)(85)25.02

6、5.025.0(150)(150)(150)1/3焦煤1/3JM3528.07.06525.0(220)气肥煤QF4637.0(85)25.0(220)气煤QM3443444528.037.037.037.037.05065355050656525.0(220)1/2中粘煤1/2ZN233320.028.028.037.030503050弱粘煤RN223220.028.028.037.0530530不粘煤BN213120.028.028.037.055长焰煤CY414237.037.055354、褐煤的分类褐煤采用透光率PM作为指标，表示煤化程度参数，用以区分褐煤和烟煤，并将褐煤划分小类，并采

7、用恒湿无灰基高位发热量作为辅助指标区分烟煤和褐煤。将褐煤分为2小类，见表4。表4 褐煤的分类类别符号数码分类指标PM /%Qgr,maf /%褐煤一号褐煤二号HM1HM251520303050245、煤炭分类的说明在新的煤炭分类中，将我国的各种煤（从褐煤、烟煤到无烟煤）共划分成14个大类和17个小类。其中无烟煤3个小类，主要是按照各小类工艺利用特性的不同而划分的。如01号年老无烟煤最适合于作炭素原料及民用煤球和蜂窝煤，02号典型无烟煤最适合于作为化肥造气原料，03号年轻无烟煤因热值高、可磨性好而很适合于作高炉喷吹用煤。褐煤的2个小类（51及52号）也是根据其性质和利用特征的不同而划分的。如褐煤

8、蜡高的多是年轻的51号褐煤；而52号年老褐煤普遍适合于作电厂燃料。 在烟煤大类中由老到新共划分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤12个类别。其中除弱粘煤、不粘煤长焰煤和贫煤为非炼焦煤以外，其他8个煤类均属炼焦用煤牌号。在煤炭分类中，对每一类煤均用汉语拼音代号表示，每一个煤类均用两个汉语拼音大写字母表示，如气肥煤的汉语拼音代号为QF，瘦煤的代号为SM等等。其来源是取其汉语拼音中的第一个字母，如J代表焦（Jiao），M代表煤（Mei）。在煤炭分类中，还采用了两位数的编码表示不同的煤。如气煤的数字编码有34、43、44和45共四个，瘦煤的

9、编码有13、14两个，而贫煤的数码只有11一个。数码越多的煤类，表示其分类指标的变化范围越宽。在各类煤的数码编号中，十位数字代表挥发分的高低，如无烟煤的挥发分最低，十位数字为0，褐煤的挥发分最高，十位数字为5，烟煤类的十位数字介于1-4之间；个位数字对烟煤来说，表征其粘结性或结焦性好坏，如个位数字越大，则其粘结性越强。如个位数字为6的烟煤类，都是胶质层最大厚度Y值大于25mm的肥煤或肥气煤，个位数字为1的烟煤类，都是一些没有粘结性的煤，如贫煤、不粘煤和长焰煤。个位数字为2-5的烟煤，它们的粘结性随着数码的增大而增强。 对褐煤和无烟煤来说，每个数码编号代表一个小类别，如0103分别代表13号无烟

10、煤，51及52各代表1号及2号褐煤。但在烟煤阶段，每一数码编号并不代表1个小类别煤，如瘦煤中的13号与14号，并不代表1号瘦煤和2号瘦煤，但也可以看出，瘦煤中的14号部分，其粘结性则要比13号高。总之，同一烟煤类中的不同数码编号部分的性质是有所不同的，如焦煤类中的24号部分，其粘结性就低于25号，而焦煤中的15号部分，其挥发分就比25号和24号部分低。6、各类煤的特性与主要用途（1）无烟煤（WY）无烟煤的特点是固定碳高、挥发分低，纯煤真密度高达1.351.90g/cm3，无粘结性、燃点高，一般达360420左右，燃烧时不冒烟。其中北京、晋城和阳泉的无烟煤分别为01、02和03号无烟煤的代表。无

11、烟煤主要作民用燃料和合成氨造气原料；低灰、低硫且质软易磨的无烟煤不仅是理想的高炉喷吹和烧结铁矿石的还原剂与燃料，而且还可作为制造各种炭素材料的原料。（2）贫煤（PM）贫煤是烟煤中变质程度最高的一小类煤，呈不粘结或微弱的粘结，在层状炼焦炉中不结焦。发热量比无烟煤高，燃烧时火焰短，耐烧，但燃点也较高，仅次于无烟煤，一般在350360左右。主要作为电厂燃料，尤其与高挥发分煤配合燃烧更能充分发挥其热值高而又耐烧的优点。（3）贫瘦煤（PS）贫瘦煤是炼焦煤中变质程度最高的一种，其特点是挥发分较低。在配煤炼焦时起到瘦化剂的作用，也是发电、机车、民用及其他工业窑炉的燃料。（4）瘦煤（SM）瘦煤是具有中等粘结性

12、的低挥发分炼焦煤。主要用作炼焦配煤。高硫、高灰的瘦煤一般只作为电厂及锅炉的燃料。（5）焦煤（JM）焦煤是一种结焦性较好的炼焦煤。一般主要用作炼焦配煤。（6）肥煤（FM）肥煤是中等挥发分及中高挥发分的强粘结性炼焦煤。它是配煤炼焦中的基础煤。（7）1/3焦煤（1/3JM）1/3焦煤是中等偏高挥发分的较强粘结性炼焦煤，是一种介于焦煤、肥煤和气煤之间的过渡煤。它是配煤炼焦中的基础煤。（8）气肥煤（QF）气肥煤是一种挥发分和胶质体厚度都很高的强粘结炼焦性煤，其结焦性优于气煤而低于肥煤，胶质体虽多但较稀。它最适合于高温干馏制造城市煤气，也可用于配煤炼焦以增加化学产品的产率。（9）气煤（QM）气煤是一种变质

13、程度较低、挥发分较高的炼焦煤。配煤炼焦时多配入气煤可增加煤气和化学产品的产率。有的气煤也可单独高温干馏来制造城市煤气，也可作动力用煤。（10）1/2中粘煤（1/2ZN）1/2中粘煤是一种挥发分变化范围较宽、中等结焦性的炼焦煤。它主要作为气化或动力用煤，也可作配煤炼焦的原料。（11）弱粘煤（RN）弱粘煤是一种粘结性较弱的从低变质到中等变质程度的非炼焦用烟煤。一般适用于气化及动力燃料。（12）不粘煤（BN）不粘煤是一种在成煤初期就已经受到相当程度氧化作用的低变质到中等变质程度的非炼焦用煤。主要用作发电和气化用煤，也可作为动力及民用燃料，但由于这类煤的灰熔点较低，最好与其他煤类配合燃烧，可充分利用其

14、低灰、低硫、高发热量的优点。（13）长焰煤（CY）长焰煤是变质程度最低的高挥发分非炼焦烟煤。煤的燃点低、纯煤热值也不高。多作为电厂、机车燃料以及工业窑炉燃料，也可作气化用煤。（14）褐煤（HM）褐煤是煤化程度最低的矿产煤，其特点是水分大、孔隙度大、挥发分高、不粘结、热值低，含有不同数量的腐植酸。氧含量高达15%30%左右，化学反应性强，热稳定性差。主要用作发电。三、煤炭燃烧中的相关问题煤燃烧是指煤中的可燃有机质，在一定温度下，与空气中的氧发生剧烈的化学反应，放出光和热，并转化为不可燃的烟气和灰渣的过程。常温下，煤在空气中也能发生氧化反应，但氧化速度很慢，只有当温度达到煤的燃点时，才能有剧烈的氧

15、化反应，形成燃烧。煤在炉子中燃烧的目的，是使煤得以均匀完全的燃烧，放出全部热量，并传递到炉子的受热面上，最大限度地利用热能。为使煤炭燃烧过程顺利进行，将全部热量释放出来，得到完全燃烧，其必要条件是：（1）有适宜的燃料（煤、油及可燃气等）；（2）有充足的空气供给；（3）保持高温的环境；（4）有足够的燃烧时间；（5）有适当的措施保证空气和燃料良好接触和混合。一般煤的燃烧，根据不同的燃烧方式在锅炉、窑炉和其他燃烧器中进行。 （一）煤燃烧的基本过程煤的燃烧是固体与气体之间进行多相扩散燃烧过程，这是一个极其复杂的反应过程。煤燃烧的实质，就是在空气中氧气参与下，进行复杂的物理化学过程。在燃烧过程中，煤的可

16、燃物在受热下，形成与原始结构不同的可燃组成物，将煤中的化学能转化为热能，形成燃烧产物烟气；煤中所含的矿物质最后形成灰渣。一般燃烧过程可划分为三个阶段：煤着火前的准备阶段（包括煤的预热、干燥、析出挥发分和形成焦炭）：挥发分和焦炭的燃烧；炉渣炉灰中残余焦炭燃尽。煤燃烧各阶段顺序如图2。炉渣排出烟气排出焦炭燃烧成渣挥发分燃烧废气干馏成焦水分析出预热干燥煤空气图2 煤燃烧各阶段顺序示意图1、燃烧的准备阶段 煤在炉中加热、干燥、蒸发水分。随温度增高，煤中有机质开始热分解，热分解形成两种产物：一种是从煤大分子上断裂下来的侧链和官能团所形成的挥发分，在挥发分气体中主要有CO、CO2、H2、H2O、CH4及各

17、种烃类化合物、含硫、含氮化合物等，另一种是稠环芳香核缩聚为焦炭（固定碳）。这一阶段煤要吸收热量，其热源由火种或原燃烧着的煤供给。 2、燃烧阶段 当温度达到煤的燃点时，开始着火，然后可燃挥发分气体和焦炭开始燃烧，这是过程的主要阶段。1）挥发分的燃烧煤粒受热分解析出挥发分与氧作用，在煤粒周围着火燃烧，并放出热量，主要反应如下： 挥发分燃烧时，一方面把热量传给焦炭，一方面被扩散来的氧气先行烧掉。对于挥发分的析出过程现在有两种不同的见解：一种观点认为，挥发分的析出只是燃烧开始阶段的一个短暂过程，还不到煤粒燃烧时间的10；另一种观点认为，在煤粒燃烧过程中，挥发分不断地析出，析出过程与焦炭燃烧交叉平行进行

18、，几乎延续到燃尽阶段。通常，煤的挥发分愈高，燃烧速度就愈快。2）焦炭的燃烧固定碳的燃烧在燃烧过程中起决定性作用，其主要是因为：（1）在煤的可燃成分中，碳的重量百分数是主要的（表5）。（2）碳的燃烧时间占全部燃料燃烧时间的90左右。（3）碳的发热量占煤发热量的主要部分，因而炉内的温度也主要取决于碳的燃烧速度。 表5 碳在煤的可燃部分中的比例煤的种类碳占可燃成分的重量发热量占总发热量无烟煤96.595烟煤578857.583.5褐煤5566泥煤3040.5碳的燃烧过程主要是碳和氧的化学反应过程。由于焦炭被挥发物所包围，氧首先和可燃气体反应燃烧，因此，焦炭的燃烧一般要落后于挥发物，只有当炉中的氧扩散

19、到炽热的焦炭表面时，焦炭才能燃烧。近年来研究发现，煤粉火炬燃烧时，悬浮在气流中的粉煤粒加热速度很快，在很高的升温速度下，挥发分和焦炭几乎同时着火。氧气与煤粒表面发生的多相反应，大体上按如下紧密相连的五个步骤进行：（1）氧气扩散到碳的反应表面；（2）氧被碳表面吸附；（3）在碳表面进行化学反应；（4）燃烧产物由碳表面解吸；（5）燃烧产物向周围扩散。煤粒与氧在相界面上的化学反应，现在多数研究认为：碳与氧作用同时生成CO2和CO，不仅存在一次反应，而且还伴随有二次反应。一次反应：一次反应：生成CO和CO2两种气体的多少，主要取决于温度。在1200左右使，两种气体的百分量相等，当温度更高时，CO增多。表

20、面的CO和CO2生成后，要向碳粒周围扩散。而较远外层的氧又向碳表面扩散。因此，在碳粒周围不同距离各种气体浓度不同。当浓度较高的CO向外扩散时，遇到空气中的氧，生成CO2，在离碳粒某距离处，CO2达到最高浓度，更远的地方，由于和空气混合，CO2的浓度又降低。高浓度CO2的一部分也向碳粒扩散，在表面上与碳进行还原反应，生成CO，因此，碳表面处CO浓度最高。 当炉子介质中有水蒸气时，也要向碳粒表面扩散，使碳粒气化：由上述反应看出，碳表面上的反应不仅是单纯的氧化反应，而且还存在同水蒸气和二氧化碳的还原反应。过程中的还原反应对碳粒的迅速气化、燃烧是极为有利的。 在高温火焰中，氧气、二氧化碳和水蒸汽均是焦

21、炭的气化剂。其中水蒸汽的气化作用很快，一般水蒸汽分子的速度为二氧化碳的1.5倍，当二氧化碳在焦炭表面气化一个碳原子时，水蒸汽可气化若干个碳原子，而且水蒸汽对炽热的碳气化，产生中间活性氢，氢分子的扩散速度比一氧化碳大很多，所以炉子介质中有水蒸汽存在，将加速燃烧过程。如果只有氧向焦炭表面扩散进行燃烧时，燃烧速度将决定于氧的扩散速度，当焦炭气化，生成一氧化碳和氢时，燃烧反应不只是氧的扩散，而且还有一氧化碳和氢的扩散，因而其空间反应进行很快。 众所周知，煤的内孔隙和内裂缝比较发达，因此，多相反应不仅可在煤的外表面进行，亦可在那表面进行。煤的燃烧或气化在内部反应时，氧气的扩散方式是通过内部孔隙渗透到内部

22、表面。从整体来讲，煤粒的燃烧速度即与界面上进行的化学反应的速度有关，也与氧扩散到界面上的速度有关。而这些速度主要取决于温度。 当温度低（9001000）时，化学反应速度小于氧气向反应表面的扩散速度，这时煤粒表面即使吸附很多氧分子，也不能加速化学反应进行，使燃烧速度加快，而加速反应速度的关键是提高温度，此时的燃烧工况属于动力学燃烧区。在实际操作中，例如层状燃烧的点火升温时，就不能大力鼓风，以免降低炉温，而应该采取措施使温度升高。 当温度增高时，燃烧速度也随着增高，其速度增加到化学反应速度与氧反应表面扩散速度相差不大，则燃烧速度即取决于扩散速度，又取决于化学反应速度，此时的燃烧工况属于过渡燃烧区。

23、多数锅炉的燃烧设备中，煤的燃烧反应处在过渡区内。当温度增加很高时，化学反应速度大于氧向反应表面的扩散速度，化学反应速度已经大到立刻能把扩散到反应表面上的氧全部消耗掉，此时反应表面的氧浓度已接近零。此时主要取决于流体动力因素：气流的相对速度和煤粒的大小。如气流的相对速度W1W2W3，煤粒大小d1d2d3时，同一温度情况下，W3（d1）的燃烧速度为最快，此时的燃烧工况属于扩散燃烧区。在实际操作中，例如层燃炉要提高出力，就可以加强鼓风。 3、燃尽阶段 该阶段可燃物剩下很少了，灰分占优势，灰分掩盖了剩余焦质，尤其是灰分熔融时，使焦质和空气接触十分困难，因此在粒度等条件一定时，需要有一定的时间才能保证使

24、焦质燃尽，该阶段空气量减少，放热急降，灰中碳不完全燃烧损失的大小主要取决于此阶段燃烧完成的程度。（二）影响燃烧过程的基本因素欲使燃料煤能完全燃烧，得到理想的燃烧效率，把释放出来的热量尽可能地有效利用，得到理想的热效率，就必须在燃烧过程中控制一些基本的影响因素。1、燃料煤的性质 除了煤的组成（灰分、水分及元素组成）对燃烧过程有影响外，煤的性质对燃烧过程也有影响如发热量、燃料比、粘结性、灰熔点和粒度等。 （1）发热量它是锅炉设计的主要依据。不同的锅炉对发热量的要求不同，高的可达2500030000kJ/kg，低的40008000kJ/kg。但是对以选定使用的锅炉，燃料煤的发热量必须符合设计要求，过

25、高过低都不利。过低时要投油补热。相反，煤的发热量比设计的要求高，则飞灰中可燃物量就大，机械不完全燃烧损失增加。发热量超过设计值过高，还会引起锅炉管壁大量结渣，喷嘴变形、炉内部件损坏加剧，严重时造成停产事故。因此设计要求不同的锅炉稳定供应一定发热量的燃料煤对提高效率、使煤完全燃烧是一项重要因素。 （2）燃料比燃料比是指固定碳（）和挥发分（）的比值，以FR值表示。它直接关系到燃煤的着火点、火焰长度和火力强弱。如果FR值过高，会使燃点提高不易着火；在发热量相同情况下，也使机械不完全燃烧损失增大。如果FR值太小，又增加化学不完全燃烧损失和排烟损失。FR值过大过小均可能降低热效率，同时增加环境污染。因此

26、，须根据燃烧设备的大小和类型确定合理的燃料比。一般层燃炉的FR值1.52.00较为合适，机车在0.752.0范围之内。这就要求选择挥发分合适的煤种，或进行人工调整，例如进行配煤燃烧或制造工业型煤。（3）粘结性粘结性过大过小对燃烧均不利。例如层燃锅炉，粘结性过小，呈粉末状，会堵住空隙妨碍空气流动，使燃烧恶化，从而增加飞灰损失和炉渣损失；粘结性过大，造成熔融粘结成块，虽然飞灰损失低了，但炉渣损失将增大。因此，一般采用弱粘结性煤。（4）灰熔点它对锅炉的热效率、运行及安全性均有很大影响。灰熔点低，燃烧时易产生结渣现象，对层燃炉来说，结渣后阻碍通风，破坏正常燃烧，灰渣裹住未燃完的碳，增加炉渣碳的损失；灰

27、熔点过高，使炉灰呈粉末状，渣块小，难以保持透气性良好的渣层，也会增加炉渣碳的损失。因此，层燃炉的灰熔点一般要求在1250以上。对于粉煤锅炉，灰熔点低，易使炉壁爬渣，对高温对流过热器的管子上搭桥，严重时使炉内燃烧状况恶化，一般灰熔点要大于1350。对熔点特低的煤可采用液态排渣。（5）粒度不同类型的锅炉应当采用不同粒级的燃料煤，并且级别愈窄愈理想。这对减少各种热损失，尤其是减少机械不完全燃烧损失最有利。例如我国机车采用中块、小块或粒煤、煤球作燃料，就可减少飞扬和漏落损失。2、炉温 煤只有加热到一定温度（着火点）时，才能燃烧。在燃烧过程中提高炉温，将加速燃烧反应，有利于煤燃烧着火稳定性，减少化学和机

28、械不完全燃烧损失，从而强化燃烧过程。但炉温太高，对于固态排渣炉，在炉内容易结渣，影响燃烧。因受煤灰熔点限制，所以不同燃烧方式的锅炉的炉温应控制在合适的范围内，一般悬浮燃烧炉的炉温可达1300以上，层燃炉要求达到11001300，沸腾炉的床温在900左右为宜。3、空气量燃烧一定量的煤，就需要有一定量的空气。如果空气量不够，就会使有些可燃物得不到氧气而燃烧不完全。确定必须得空气量，从理论上，应该使供给的空气中氧和煤的可燃物燃烧时，空气中的氧刚好消耗尽。每公斤收到基煤完全燃烧时，所必须的理论空气量，可用燃烧化学反应方程式计算。计算中认为所有的气体都与理想气体一样，均在标准状态下进行。 实际生产中供给

29、的空气量（V）要大于理论空气量，因为送入炉内的空气，总有一部分没有和煤进行燃烧反应，而随烟气排出炉外。此理论空气量多出的这部分空气量称为过量空气（VV0），而实际供给的空气量与理论空气量的比值（V/V0）称为过量空气系数。 一台工作良好的炉子可以在过剩空气量为最小的情况下，使得燃料煤完全燃烧。实验表明，在层燃炉和煤粉炉中，保证燃料完全燃烧的最低过量空气系数不能小于1.151.25。各种炉子的值应在1.11.5之间，见表6。 表6 不同炉子烧各种煤时的值燃烧方式褐煤烟煤无烟煤石煤手烧炉1.351.451.351.451.351.45链条炉1.31.31.31.5粉煤炉1.21.21.25沸腾炉1.11.21.21.4如果值过小，燃烧不完全，机械不完全燃烧损失和化学不完全燃烧热损失增大；值偏大，排烟热损失增加，风机电耗提高，甚至降低炉温，影响燃烧。一般锅炉运行中很少测量风量，往往事通过测量炉烟中CO2含量，间接测量过量空气系数。炉烟中CO2含量高，说明过量空气系数小。层燃炉烟气中CO2含量维持在912左右，这时空气过量系数为1.251.4；而煤粉炉CO2含量控制在1214为佳。目前也有以烟气中含O2量来控制空气量。4、煤和空气的混合