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1、第二章 燃料及燃烧计算 Fuel & Combustion Computation,2,本章主要内容,2.1 燃料概述2.2 气态燃料2.3 燃料的元素分析2.4 液体燃料2.5 固体燃料2.6 燃烧反应计算,3,燃料是什么？,燃料的定义 燃料是燃烧过程中能放出热量，且能够比较经济地利用其燃烧热的物质的总称常见的燃料如： 煤（coal） 石油（petroleum） 天然气(natural gas),2.1 燃料概述,4,固体燃料,液体燃料,气体燃料,燃料的分类,5,燃料的分类,根据状态分为： 气态燃料 液态燃料 固态燃料按获得方法分为： 天然燃料 人造燃料,6,表2-1 燃料的分类表,7,燃料
2、的发热量,衡量燃料作为能源的一个很必要的指标单位质量（液体、固体）或单位体积（气体）的燃料完全燃烧所能释放的最大热量单位：kJ/kg 或 kJ/Nm3,8,燃料发热量的表示方法,高位发热量（高热值） 燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气冷却到0时放出的热量（水蒸气以凝结水的状态存在）低位发热量（低热值） 指燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20时放出的热量（烟气中的水蒸气仍为蒸气状态）高、低位发热量之差为水蒸气的汽化潜热常用低热值，即不包括水蒸气凝结成水时的冷凝热，这是因为烟气排出温度一般很高，低位发热量更符合实际情况可以用氧弹式量热计直接测定，也可以根据元素分析近似计算,9,标准燃
3、料,意义 由于各种燃料的发热量差别很大，即使同一品种燃料也会因水分、灰分量而不同，因此便于燃用不同燃料的各种燃烧设备的工作情况和燃料消耗量比较,其中BBI为标准燃料消耗量，B为实际燃料消耗量,定义 低位发热量为7000kcal/kg(气体燃料为7000kcal/Nm3)的燃料，是一种假想燃料,实际燃料消耗量可折算为标准燃料消耗量,10,气态燃料,气态燃料 由一些具有独立化学特性的单一气体混合而成的燃料主要成分 可燃部分：如H2,CO,CH4,CnHm，H2S等 不可燃部分：如N2,CO2,O2,H2O等 此外还有焦油蒸气及粉尘等固体颗粒不同成分组成的气体燃料，其特性不同,2.2气态燃料,11,
4、2.2.1气体燃料的种类,根据获得来源和方法的不同分为： 天然气：如气田气、矿井气等，可为液态 人工煤气：如焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气等 油制气：如热裂解气、催化裂解气等 生物气:沼气 液化石油气LPG：液态，热值最高，约为114MJ/Nm3,12,天然气,世界天然气资源分布很不均匀，主要集中在中东、原苏联和东欧，三者之和约占世界天然气总储量的70%。美国也是天然气大国，中国也在其中。,13,天然气,是由碳氢化合物、硫化物、氮和二氧化碳等组成的混合气体主要成分为甲烷，产地不同，组分也有所不同分为气田气和油田气两种是一种高热值煤气，是一种优质燃料天然气可以进行远距离管道运输天然气在常压下用冷
5、媒介质冷却到-162可使其液化，称液化天然气（LNG）,14,液化石油气（LPG）,也称液化煤气是炼油厂在石油炼制过程中的副产品，也可在开采石油和天然气时分离获得组分主要是丙、丁烷混合物在常温下加压（约1.6MPa)便能液化，可用高压罐存储，在使用时减压使其气化，因此具有气体燃料使用简便的优点，也具有液体燃料储藏和运输方便的优点。是一种热值相当高的气体燃料,15,2.2.2气体燃料的化学组成,化学组成的表示方法 采用各种单一气体的体积百分数表示两种表示方法湿气体组成：包括水分（水蒸气）在内的成分 CO湿%+H2湿%+CH4湿%+.+CO2湿%+N2湿%+O2湿%+H2O湿%=100%干气体组成
6、：不包括水分（水蒸气）在内的成分 CO干%+H2干%+CH4干%+.+CO2干%+N2干%+O2干%=100%,16,气体燃料的化学组成,气态燃料中所含的水蒸气在常温下等于该温度下的饱和水蒸气量温度改变，气体中的饱和水蒸气量也改变，因而气态燃料的湿成分也发生变化气体燃料的湿气体组成必须要注明温度，否则没有意义一般的技术资料中都用气体燃料的干成分来表示其化学组成但是，在进行燃烧计算时，必须用气体燃料的湿成分（真正投入燃烧的）作为计算依据,17,气体燃料干湿成分的换算,气体燃料干湿成分的换算关系为：,X为某一种气体组分 H2O湿为湿气体中所含水蒸气的体积，根据饱和水蒸气表查得的1m3干气体所吸收的
7、水蒸气的重量g干h2O求得，即,18,2.2.3气体燃料的密度,单位：kg/m3当已知组成气体燃料的各单一气体成分的质量百分比及各自的密度当已知组成气体燃料的各单一气体成分的体积百分比及各自的密度,19,其中m0、V0分别为气体燃料总质量、总体积,其中mi、 Vi 分别为i气体的质量和体积,fi 、i分别为i气体的质量百分数和密度,气体燃料密度的计算-已知各气体成分的质量百分比及各自的密度,20,气体燃料密度的计算 -已知各气体成分的体积百分比及各自的密度,gi为各气体成分的体积百分数,21,2.2.4气体燃料的热值,单位体积气体燃料完全燃烧所能释放的最大热量单位： kJ/Nm3发热量有低热值
8、与高热值之分，通常采用的热值为低热值，即燃烧产物中水蒸气没有凝结为水的情况下的发热量气体燃料的发热量的获得： （1）实验测定 （2）根据化学成分计算*,22,气体燃料热值的计算 -已知各气体成分的质量百分比及各自的热值,其中qi、fi 、i分别为i气体的热值、质量百分数、密度,23,气体燃料热值的计算 -已知各气体成分的体积百分比及各自的热值,其中qi、gi分别为i气体的热值和体积百分数,24,气体燃料的热值计算,如(体积百分数）： Qgw=4.187 ( 3046 CO% 3050 H2%+ 9530 CH4%+15250 C2H4% + + 6000 H2S%) (kJ/m3)Qdw=4.
9、187 ( 3020 CO% 2580 H2%+ 8550 CH4%+14100 C2H4% + + 5520 H2S%) (kJ/m3),25,习惯上，燃气按热值（发热量）分成三个等级 高热值燃气：15,070KJ/Nm3 低热值燃气6,280KJ/Nm3 中热值燃气：6,280Q天然气焦炉煤气煤矿瓦斯水煤气混合发生炉煤气空气发生炉煤气高炉煤气热值高的燃气组分主要由烷烃碳氢化物组成，含H2量多的燃气热值高，易着火；含CO量多的燃气热值低，难着火，燃烧稳定性差,进行燃烧计算时，必须用湿燃气的低位发热量值,26,气态燃料,液态燃料,固态燃料,燃料的元素分析,Attention please!,2
10、7,为什么要进行燃料的元素分析？,液态、固态燃料中的可燃物质是各种复杂的高分子有机化合物的混合物，其分子结构和性质至今尚不清楚，因此分析其化学构成非常困难为进行燃烧计算，需掌握燃料的元素成分根据燃料的元素分析，液固燃料的可燃有机化合物都是由碳、氢、氧、氮、硫等化学元素组成元素分析的表示方法 应用基、分析基、干燥基、可燃基,2.3燃料的元素分析,28,应用基组成,应用基（或称为工作基）组成是以包括水分和灰分在内所有燃料组成的总和作计算基准（100%）,燃料的应用基元素组成可写为： CyHyOyNySyAyWy100%,其中Cy、Hy、Oy、Ny、Sy、Ay、Wy分别表示燃料中碳氢氧氮硫灰分和水分
11、等元素组成的质量百分数Wy是燃料中总的水分含量(或称全水分)的质量百分数，是内在水分和外在水分两者之和，Wy=Wny+Wwy,29,应用基的特点,按应用基组成表示的燃料组成反映了燃料在实际应用时的成分，它相当于即将送入燃烧设备进行燃烧的燃料。这种状态的燃料有时也称为工作燃料（对固体燃料或称为原煤）燃料的燃烧计算，应该按应用基组成来进行,30,为什么要引入其它表示方法？,燃料的水分和灰分的含量常受外界条件的影响而波动燃料的元素组成以其相对含量百分比来表示因此当其中一项含量发生改变，则所有各项所占的百分比都要相应的改变在理论分析或实验研究中引用燃料分析资料时就显得不太方便，因此引入分析基、可燃基等
12、表示方法分析基、干燥基与可燃基等组成表示法常用于实验室分析、进行燃料分类和研究燃料特性,31,分析基组成,分析基组成是以空气风干后的所有燃料组成的总和作计算基准。此时外在水分已逸出，仅剩内在水分。燃料的元素分析基组成为： CfHfOfNfSfAfWf100%分析基水分wf与应用基水分wy的关系为：,Wwy和Wnf(wf)为别为外部水分和内部水分,Wy=Wwy+Wny,32,干燥基组成,干燥基组成是以干燥的，即已除去全部水分的所有燃料组成的总和作计算基准燃料中水分即使发生变动，干燥基组成仍保持不变燃料的干燥基组成可由下式表示： CgHgOgNgSgAg100%,33,可燃基组成,可燃基组成是以无
13、水无灰的可燃质元素组成的总和作计算基准燃料的可燃基组成可由下式表示： CrHrOrNrSr100%可燃基组成不受水分、灰分变化的影响，能较真实地反映燃料的特性因此用可燃基组成来表示燃料的元素组成较为合理,34,各种基图示,注意：各种基的换算关系见参考书！,35,2.3液体燃料,36,液体燃料,代用(新型)液体燃料 醇类燃料、植物油燃料、奥里油(产于委内瑞拉奥里诺科地带的一种重质原油，也称沥青),石油系液体燃料 汽油、煤油、轻柴油、重柴油、重油、渣油、原油等,37,液体燃料的分类,按获得方法 天然液体燃料 人造液体燃料,38,液体燃料,石油是液体燃料的主要来源石油是一种从地层内开采出来的、天然存
14、在的液体燃料,39,天然 黄色、褐色或黑色 流动或半流动 粘稠 可燃液体,2.3.1石油,直接从地层内开采出来的、未经炼制的石油称为原油,40,石油的组成,主要为烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃组成；此外还含有少量的硫化物、氧化物、氮化物、水分和矿物杂质组成石油的主有元素是碳、氢、硫、氧、氮。其中碳、氢元素最多,41,石油的分类,按石油中的硫含量分 低硫石油（含硫0.2%）,按石油中的蜡含量分： 低蜡石油 含蜡石油 高蜡石油,按所含碳氢化合物种类分 石蜡族原油（烷烃CnH2n+2) 烯基原油（CnH2n） 中间基原油（上述二者相当） 芳香基原油（CnH2n6）,按石油的密度分： 轻质石油 中质石油
15、重质石油 特重质石油,42,石油每一组分的沸点不同，各种液体燃料都是从石油中炼制出来的,主要石油产品的种类与用途,沸点为40180的组分为汽油,沸点为150300的组分为煤油；,沸点为200350的组分为柴油；,沸点为350520 的组分为润滑油；,沸点高于520 的渣油为重质燃料油;,43,石油的炼制,原油一般不直接作为燃料使用原油的加工方法 分馏法（也叫蒸馏法） 直接蒸馏法（也称常压分馏） 减压蒸馏法（也称真空分馏）裂解法 热裂解 催化裂解,44,直接蒸馏法,按石油中各组分不同的沸点，将其分成若干馏分，每种馏分包含了沸点相近的各种烃类在常压下，直接对石油加热(300325左右)分馏，石油中
16、各馏分按其沸点高低先后馏出： 最先馏出的是沸点最低的馏分如汽油(沸点范围约40180) 然后依次为重汽油(沸点范围约120230) 煤油(沸点约150300) 柴油(沸点约200350) 剩下沸点高的重质油则从分馏塔塔底排出，称之为常压重油,45,图2-1 直馏流程图,46,47,减压蒸馏,基本原理 根据气压降低、沸点下降的原理，可以采用减压蒸馏的办法来提取高沸点的常压重油,常压重油和减压重油两者统称直馏重油,具体方法 把高沸点的常压重油加热到400左右送入到减压蒸馏塔中，其中压力约在0.01MPa以下，这样重油中烃的沸点可降低200多，把原来沸点约700以下的各种烃都可分馏出来，其中较轻的重柴油从塔顶馏出，而各种腊油(作润滑油用的原料)从塔侧流出，塔底排出的是分子更大，沸点更高的重质油，称为减压重油(或减压渣油),
