硅酸盐热工工业基础 燃烧(1)

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1、第四章 燃料及其燃烧第四章 燃料及其燃烧 工业热工过程中热量的来源有两种：一种是由燃料燃烧产 生，利用化学能转变为热能的形式；一种是以电为热源，使电 能转变为热能的形式。目前工业窑炉的热源以燃料为主。 了解各类燃料的热工特性、燃烧过程及燃烧设备的特点， 学会燃料燃烧计算的方法，以便合理地选用燃料燃烧设备及组 织燃烧过程，达到高产、优质、低消耗的生产效果，是非常重 要的。一、燃料的种类 燃料按状态不同，可分为固体、液体和气体燃料三类。 固体燃料有木柴、可燃页岩和煤。其中煤的使用最为普遍。 煤是古代植物死后，埋于地下，在没有空气的条件下经长期地 质和化学变化而形成的一种天然矿物。根据埋藏时间（碳化

2、程 度)的长短，煤可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。第一节燃料的种类和组成第一节燃料的种类和组成Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.液体燃料有石油(原油)及石油加工产品等。石油在常压下 蒸馏可分别提炼出汽油、煤油、柴油等高质量燃料，剩下的 残渣就是直馏重油(常压渣油)，将直馏重油进行减压蒸馏， 其残渣为减压渣油。将直馏重油进行裂化，可得裂化煤气和 裂化汽油等动力燃料，其残渣为裂化渣油。上述三种渣油统 称为重油，又称燃料油。硅酸盐工业中所采用的液体燃料， 主要为重油。气体燃料有天然气及人造

3、煤气。人造煤气种类很多，如石 油气、焦炉煤气、高炉煤气、水煤气、发生炉煤气及城市煤气 等。石油气是炼制石油时的副产品，为了便于输送，常加压使 成液态，故又叫液化石油气；焦炉煤气是煤在炼焦炉中炼焦时 的副产品；高炉煤气是高炉炼铁时的副产品；水煤气是水蒸气 与赤热的无烟煤或焦炭在煤气发生炉中作用而产生的煤气、发 生炉煤气则是用空气和少量水蒸气将煤或焦炭在煤气发生炉中 作用而产生的煤气；城市煤气则常由烟煤干馏或石油裂化等方 法制取。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.二、燃料的组成及其换算

4、(一)固体、液体燃料 固体、液体燃料都是由极其复杂的有机化合物所组成。通 常包括碳（C）、氢（H）、氧(O)、氮(N)、硫(S)五种元素及 部分矿物杂质灰分(A)和水分(M)。上述的元素并不是单独自 由存在的，而是结合成有机化合物的形式存在，至于其具体的 结构形式至今仍不很清楚。这种用元素表示燃料组成的分析方 法叫元素分析法。元素分析法比较复杂，可参考我国国家标准 GB 47679煤的元素分析方法。一般情况下，根据煤中各 元素的分析值及灰分和水分的百分含量，就能帮助判断煤的化 学性质。 另外还有一种分析固体燃料组成的简易方法叫工业分析 法，其组成由挥发分(V)、固定炭(C)、灰分(A)及水分(

5、M)来表 示。这种分析方法比较简单，一般工厂均可进行，而对于了解 固体燃料的使用性能已能满足要求，故应用很广。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.具体测定水分、灰分、挥发分的方法见国家标准GB 212 77及GB 21184。 由于煤开采、运输和贮存的条件不同，同类煤的组成，往 往有较大的变动，特别是其中的水分和灰分含量。因此表明煤 的组成时，必须说明所选用煤的基准，才能确切地说明问题。 表示煤组成的常用基准有：(1)收到基：指使用单位收到的煤的组成，也即是实际使用 的煤的组成。在各组

6、成的右下角以“ar”表示。100%M%A%S%N%O%H%Cararararararar(2)空气干燥基：指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组 成(将煤样被20和相对湿度70的空气下连续干燥1小时后质 量变化不超0.1，即认为已达到空气干燥状态。此时煤中水 分已与大气达到平衡)。在各组成的右下角以“ad”表示。100%M%A%S%N%O%H%CadadadadadadadGenerated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.将收到基与空气干燥基比较一下，可看出煤的水分已被 分成两部分：空气干燥状态下残留

7、在煤中的水分称空气干燥基 水分或内在水分，在空气干燥过程中逸出的水分称外在水分。 收到基水分为全水分，即内在水分与外在水分之和，但均须用 在收到基基准时。100100, ,far adfararMMMM(4)干燥无灰基：指假想的无水无灰的煤的组成。由于煤的 灰分在开采、运输或洗煤过程 中要发生变化，故除去灰分和水 分后的煤组成，可排除外界条件的影响。该基准在各组成的右 下角以“daf”表示。100%A%S%N%O%H%Cdddddd100%A%S%N%O%H%Cdafdafdafdafdafdaf(3)干燥基：指绝对干操煤的组成。这种基准不受煤在开 采、运输和贮存过程中水分变动的影响，能比较稳

8、定地反映成 批贮存煤的真实组成，在各组成的右下角以“d”表示。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.一般同一矿井的煤的干燥无灰基组成不会发生很大的变 化，因此煤矿的煤质资料常以干燥无灰基组成来表示。 煤组成的表示方法见图。碳：主要可燃质。 褐煤：7078%；烟煤：7890%；无烟煤：90%。 煤中的氢，以两种形式存在：一种是与煤中氧结合成水的 化合氢，它不能进行燃烧反应；另一种是和磷、硫结合在一 起的可燃氢，又叫净氢、有效氢，它可以燃烧并放出大量的 热量。褐煤：Q、Vf、C，H2O 略高

9、，吸水性强，容易风化，地 方性燃料； 烟煤：Q、Vf、C， H2O，优质； 无烟煤：Q、Vf、 C，易燃性差。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.8%O%H%Har aryx煤中的硫有三种存在形式：一种叫有机硫，是与有机的碳 氢化合物结合在一起的；另一种叫硫化物硫，主要存在于杂质 FeS2中；还有一种叫硫酸盐硫，存在于各种硫酸盐中如CaSO4、 MgSO4、FeSO4、Na2SO4、K2SO4等。有机硫与硫化铁中硫均能燃 烧生成SO2、故又叫可燃硫。存在于硫酸盐中的硫除一小部分 在高温

10、下分解生成SO3外，其余均留在灰分中。 煤中的灰分，是燃料中不能燃烧的矿物杂质，灰分的主 要成分为SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO及MgO，此外还有K2O、Na2O 和SO3 (以硫酸盐形式存在)。 煤矿提供的一般是干燥无灰基组成，实验室所给的是空气 干燥基或干燥基，而实际使用的则为收到基。因此，不同基准 的组成需进行换算。其换算关系见表4-1。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.燃料组成换算系数表4-11干燥无灰基1干燥基1空气干燥基1收到基干燥无灰基干燥基空气干燥基收到基所

11、要换算的基 已知的基arad MM 100100arM100100 )AM(arar100100adar MM 100100adM100100 )AM(adad100100100100arM100100adMdA100100100100ararAM100100adadAM 100100dA换算系数由物料平衡关系计算得到。例如收到基与空气干燥基之间的转换如下： 设已知Cad、Mar、Mad，求Car。 计算基准：l00kg,收到基燃料折合成空气干燥基燃料为kg，用物料 平衡关系：)100(, farM收到基时含碳量=空气干燥基时含碳量，故：adfararCMC)100(100,由式(2-1)得a

12、dadar farMMMM100100,Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.代入上式得：adar adadadaradfar adarMMCMMMCMCC 100100 100100100100100100,或arad aradMMCC100100其他转换系数可根据这一原理自行推导(二)气体燃料 气体燃料简称煤气，它是由可燃气体与不燃气体两部分 所组成。可燃成分主要是CO、H2、CH4与其他烃类(饱和烃类 如C2H6、C3H8等，不饱和烃类如C2H4、C2H2、C3H6、C4H8等)及

13、 H2S等；不燃成分为CO2、H2O、N2、SO2等。 气体燃料的组成，一般用体积百分含量表示之，与固体 或液体燃料的组成常用质量百分含量表示不同，并有“湿成分” 和“干成分”两种表示方法。 所谓气体燃料的湿成分(用上标v表示)，指的是包括水蒸 气在内的成分，即100%OH%O%N%CO%SH%HC%CH%H%COv 2v 2v 2v 2v 2v nmv 4v 2vGenerated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.气体燃料的干成分(用上标d表示)不包括水蒸气，即100%O%N%CO%SH%HC%CH

14、%H%COd 2d 2d 2d 2d nmd 4d 2d气体燃料的组成，通常用比较稳定的干成分来表示。但在 燃烧计算中，则须用气体燃料的湿成分作为计算依据。因为 实际使用的是湿煤气。干、湿成分的换算关系如下：100100%2v dvOHxx式中为100m3湿气体燃料中所含水蒸气的体积。 若为冷煤气，则因通常认为它是含有饱和水蒸气的煤 气，故其中水蒸气的含量与煤气温度有关，可查表4-4。热煤 气中的水蒸气含量可由物料平衡算出。通常热发生炉煤气在一 般出口温度下(500600)含水蒸气量约5。vOH2各种气体燃料的组成见表4-5。Generated by Foxit PDF Creator Fox

15、it Software http:/ For evaluation only.Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http:/ For evaluation only.第二节燃料的热工性质及选用原则一、发热量(热值) (一)发热量的定义 单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的 温度时所放出的热量称为燃料的发热量或热值，单位为kJkg(kJ Nm3)或MJkg(MJNm3)。 燃料的发热量有高位发热量和低位发热量两种。高位发 热量是指燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸气(包括燃料中所含 水分生成的水