《注册公用设备工程师(动力).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《注册公用设备工程师(动力).doc（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一篇 热 力第一章 燃料与燃烧第一节 燃 料 化石燃料(煤、石油和天然气)作为次能源，在整个国民经济的能源供应中占有重要的地位。了解其基本特性和燃烧的基本理论，对于每个动力工程师都是必要的。 一、燃料分类及其性质 化石燃料按其存在形态可以分为固体、液体和气体燃料三类。在我国常用的固体燃料是煤，液体燃料有重油、渣油和柴油，气体燃料按其获取的方式分为天然气和人工煤气。 三类燃料所具有的物理、化学、工艺性质内容很广，本节仅对各类燃料中对工程设计影响较大的性质作简要介绍。 (一)固体燃料(煤)的性质 1密度 煤的密度有真(相对)密度、视(相对)密度和堆积密度之分。堆积密度是指单位容积所装载的散装煤炭
2、的质量，即 堆积密度G/V (11)式中 G-散煤质量(t)； V容积()。 表1l列出了各种煤和煤灰的堆积密度和安息角。 2煤的热稳定性 煤的热稳定性是指煤块在加热时保持原有粒度的性能。热稳定性好的煤在燃烧或气化过程中不破碎或破碎较少。锅炉或煤气发生炉如使用热稳定性差的煤，将导致煤层气流阻力增加，气流带出物(飞灰量)增加，甚至形成风沟和结渣，使燃烧或气化不能正常进行。 3煤的可磨性 煤的可磨性是指煤研磨成粉的难易程度。煤的可磨性主要与煤的煤化程度有关。一般说来，焦煤和肥煤可磨性指数较高，容易磨细；无烟煤、褐煤可磨性指数较低，不易磨细。当水分和灰分增加时，其可磨性指数就越低。 4煤的粘结性和结
3、焦性 煤的粘结性是指煤在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质(即无粘结能力的物质)或焦块的性质；煤的结焦性是指煤粒在隔绝空气受热后能否生成优质焦炭(即焦炭的强度和块度符合冶金焦的要求)的性质。 粘结性强是结焦性好的必要条件，即结焦性好的煤其粘结性也好，但粘结性好的煤，结焦性不一定好。例如气肥煤，其粘结性很好，但生成的焦炭裂隙多、强度差，故结焦性不好。 5煤的结渣性 煤的结渣性是反映煤灰在燃烧或气化过程中的成渣特性。对于煤的燃烧与气化(尤其是固定床)，结渣率高都是不利的，会造成气流分布不匀，给操作造成困难，增加灰渣中的含炭量等。 影响结渣性的主要因素是煤灰分和灰熔点。煤的灰分高、灰熔点低，结渣
4、率就高。此外，煤灰周围的气氛对结渣性也有影响，还原气氛下的结渣率就高于氧化气氛下的。 6煤灰的熔融性 煤的灰分是煤在完全燃烧后形成的残渣，主要成分是煤中矿物质燃烧后生成的金属和非金属的氧化物与盐类，是多种成分的复合化合物和混合物，因此它没有明显的由固相转化为液相的熔点，从开始熔融到完全熔融，要经过一个较大的温度区域，一般测定它的三个熔融特征温度：变形温度(DT)、软化温度(sT)和流动温度(FT)。 影响灰熔点的因素很多，主要与煤灰的组成成分和煤灰周围燃烧介质气氛有关。点高的物质愈多，灰熔点愈高；煤灰周围介质还原性气体存在时，灰熔点会降低。 (二)液体燃料的性质 1粘度 流体本身阻滞其质点相对
5、滑动的性质称为流体的粘性。油的粘度表示油对它本身的流动所产生的阻力大小，是用来表征油的流动性的指标，对油的输送、雾化和燃烧有直接影响。 粘度的大小可用动力粘度(绝对粘度)、运动粘度和恩氏粘度(条件粘度)来表示。影响燃油粘度的因素很多主要是燃油成分和温度。燃油中胶状物含量愈多，粘度就愈大；油温愈高，则粘度愈低。 2凝固点 燃油由液态凝成固态时的温度叫凝固点。凝固点是表征与燃油的输送密切相关的一个重要技术指标。燃油的凝固点与燃油产品中的石蜡含量有关，含蜡量高，凝固点愈高。3闪点、燃点和自燃点燃点和自燃点是有关燃油着火燃烧的特性指标，是衡量燃油贮运安全密切相关的指标。(1)闪点。燃油加热到某一温度时
6、，表面蒸发的油气增多，当油气和空气的混合物与明火接触时，发生短暂的闪光(一闪即灭)，此时的温度即为闪点。闪点是表示燃油的着火性能和爆炸危险的一项重要指标。闪点按测定方法不同有开口杯法和闭口杯法两种，一般开口杯法测定的闪点要比闭门杯法的高1525之间。闪点足用于油品分类和CBJl61987建筑设计防火规范(2001年版)中对油品火灾危险性分类的一个指标，见表12，(2)燃点。在燃油温度超过闪点继续加热时，当燃油蒸气和空气混合物遇到明火能着火并继续燃烧(时间不少于5s)时的最低温度称为燃点。油的燃点一般要比闪点高2030。(3)自燃点。自燃点是指油品缓慢氧化而开始自行着火燃烧的温度。油品自燃点和它
7、们的燃点没有直接关系，而只取决于油品的化学组成，并随压力而变化。在常压下，油质愈重，自燃点愈低；压力愈高，自燃点愈低。常用燃油的自燃点见表13。4相对密度 将20时油品与4时的同体积水的质量比，作为油品的标准相对密度。油品的相对密度随温度升高而减小。5硫分 燃油中的硫分在燃烧后生成的产物除对设备有腐蚀作用外，还对环境和人类健康造成伤害。 按燃油中含硫的质量分数，将燃油分为三种，含硫质量分数wo5的称为低硫油；05w1的为中硫油；10w35的称为高硫油。 6爆炸性 当燃油蒸气在与空气的混合物中的含量(体积分数)达到某个范围时，遇到明火就会爆炸，这个含量范围就是该燃油的爆炸范围，其最小含量值和最大
8、含量值分别称为爆炸下限和爆炸上限。燃油的爆炸范围愈大，引发爆炸的危险性就愈大。常用燃油的爆炸范围(体积分数)如下：汽油1060；煤油1475；重油126O；原油17113。 7静电特性 油品是电的不良导体，它与空气和钢铁摩擦时很容易产生静电，并在其表面积聚产生很高的静电压，旦放电就会产生火花，造成燃油的燃烧甚至爆炸。因此，在燃油的输送贮存系统中的管线、容器和设备都必须有良好的接地没施。 (三)气体燃料的性质 工程中使用的气体燃料都不是单一化学成分的气体燃料，而是多种单体，所以其物理化学工艺性质均与单一成分的气体燃料有很大的区别。 1密度与相对密度 表14列出几种燃气的密度和相对密度。由表1-4
9、中可看出, 气态的液化石油气比空气重,容易积聚在地面附近和地势低洼处，在使用时必须加以注意。 2着火温度 可燃气体与空气的混合物发生着火燃烧的最低温度称为着火温度。着火温度并不是可燃气体固有的物化常数，它与燃气的种类、在混合燃气中含量、混合气的均匀程度和压力有关，也与燃烧设备的构造、周围介质的热容量、有无催化作用及燃烧体系的散热条件有关。3着火极限(爆炸极限) 可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体含量(体积分数)范围称为爆炸极限。在这种混合物中，当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的含量(体积分数)时，称为可燃气体的爆炸下限；当可燃气体含量增加到不能形成爆炸混合物时的含量(
10、体积分数)时，称为爆炸上限。表16列出了部分燃气在空气中的爆炸极限。在GBJl61987建筑设计防火规范(2001牛版)中，生产和储存物品火灾危险性分类时区分甲乙类易爆气体的爆炸下限值是10。工程上使用的燃气，多为数种可燃气的混合物，其着火极限可用计算得到。影响可燃气体着火极限的因素很多，主要有：容积尺寸的影响，内径小的容器，着火极限范围变窄。温度的影响：燃气空气混合物的温度升高，着火极限范围将扩大。压力的影响：高压时，对碳氢化合物而言，随压力升高，着火极限范围将扩大；而对CO，则相反，随压力升高，着火极限范围将变窄。惰性气体的影响：随着惰性气体含量增加，下限和上限均将提高。水分的影响：水分对
11、碳氢化合物的着火起抑制作用；而对CO的着火起促进作用。氧气的影响：一般在氧气中，燃气的着火极限范围将扩大。二、燃料的成分和成分分析()固体燃料(煤)和液体燃料的成分组成煤的有机物的元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素，煤中无机物元素主要是硅、铝、铁、钙、镁等。液体燃料(石油)的组成主要为烃类碳氢化合物。虽然构成液体燃料的主要元素不多，但是碳和氢组成的烃类化合物种类繁多。此外，石油中还有少量非烃类化合物，一般以胶状沥青状物质形态存在。(二)煤的成分分析煤的成分表示和分析方法，可以分为元素分析和工业分析两种。煤的元素分析将煤分为碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分七个组分。煤的工业分析是将煤分为
12、挥发分、固定碳、灰分和水分四个组分。每种组分都按分析基准的质量分数表示。由于分析方法不同，元素分析成分和工业分析成分间没有严格的对应关系，无法相互换算。煤的元素分析成分和工业分析成分见图1-1。(三)煤的成分表示方法及其换算煤的成分表示方法无论是元素分析或工业分析，都与煤质分析化验时的状态有关。所以在表示煤的成分时，必须注明是何种分析化验状态。煤质分析化验时的状态常用“基”表示。煤质分析中常用的基准有“收到基”、“空气干燥基”、“干燥基”和“干燥无灰基”四种，其定义、用途和新旧标准对照见表1，7。(四)燃油的成分分析及换算燃油的成分分析一般采用元素分析方法，即以碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分的
13、质量百分数来表示，分析基准也采用不同的“基”。各种“基”的成分表示法和换算，可参照上述煤的成分表示法和换算。(五)气体燃料的成分工程上应用的气体燃料从本质上说都是多种可燃气体和不可燃气体的混合物。可燃气体有：氢、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷、戊烯、戊烷、苯和硫化氢等；不可燃气体有氮、氧、二氧化碳、二氧化硫和水蒸气等。上述各种成分的气体按不同比例组合，就形成不同的气体燃料，性质也多种多样。在实际应用时，应尽量收集有关气源的洋细资料作为依据，并根据具体情况进行分析和核对。三、发热量燃料的发热量是指单位物量的燃料(固、液体燃料为每千克，气体燃料为每标准立方米)完全燃烧时放出的热
14、量。发热量有高位发热量和低位发热量之分。高位发热量是指燃料完全燃烧后其烟气中的水蒸气以凝结水状态存在时所放出的热量，用Qgr，表示；低位发热量是指燃料完全燃烧后其烟气中的水仍保持蒸汽状态时所放出的热量，用Qnet表示。很显然燃料高位发热量要大于低位发热量，其差值即是燃烧产物中所含水蒸气的汽化潜热。一般而言，工程中燃烧后烟气中的水均呈水蒸气状态排出，所以常用的是燃料低位发热量。燃料发热量一般通过氧弹测热计测得，也可用成分分析结果估算。与燃料成分分析有不同的基准一样，燃料发热量的测量和估算也有与成分分析同样的基准。(一)相同基高、低位发热量间的换算相同基高、低位发热量的差别仅在于烟气中水蒸气的汽化
15、潜热，而燃料燃烧时产生的水蒸气来源于燃料的水分和氢元素的燃烧。相同基固体和液体燃料高、低位发热量的换算关系见表110。(二)不同基高位发热量之间的换算固体和液体燃料不同基高位发热量之间的换算关系实际上与不同基燃料成分间的换算关系相同，可见表1-9。(三)不同基低位发热量之间的换算固体和液体燃料不同基低位发热量之间的换算关系，既要考虑到相同基高、低位发热量之间的影响，又要考虑到水分和灰分对不同基高位发热量的影响关系。在工程中常见的是从各种基低位发热量换算到收到基低位发热量的关系。式(1lo)、式(111)和式(112)分别是从空气干燥基、干燥基和干燥无灰基的低位发热量换算成收到基低位发热量的关系式。(四)固体、液体燃料发热量的估算1元素分析成分估算法(门捷列大法)收到基低位发热量估算见下式收到基高位发热量估算见下式2利用煤的工业分析成分估算发热量 中国煤炭科学院提出的利用煤的工业分析成分估算我国煤炭高、低位发热量的半经验公式，这些半经验计算公式与煤种、焦渣特性、挥发分(氧
