燃料与燃烧.docx

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燃料与燃烧

燃料与燃烧

3.1燃料的性质

                         一、教学要求

【掌握内容】

（1）燃料的组成及表示方法

（2）煤组成的四种基准换算

（3）发热量的概念

（4）标准燃料的热值

【理解内容】

（1）燃料的组成及性质

（2）发热量的计算

【了解内容】

（1）燃料的选用原则及燃料的种类

（2）硅酸盐工业常用燃料

                       二、教学重点与难点

【教学重点】

（1）燃料组成及基准换算

（2）燃料的发热量

【教学难点】

煤的四种基准换算

                     三、教学方法

结合硅硅酸盐的生产实际情况,讲述燃料的选择原则、燃料的分类、燃料的性质，突出讲解基本概念，启发学生分析基准换算的实质，掌握其计算方法。

课堂上掌握好讲、练结合。

五、教学内容

3.1.1燃料的分类和组成

3.1.1.1燃料的分类

1、燃料的选用原则：

（1）从我国燃料资源的实际出发，根据国家当前的能源政策选用燃料。

应坚持就地取材和物尽其用的原则，充分利用地方资源和工业废料，并设法采用低质、劣质燃料。

（2）满足工艺要求，确保产品质量，并为机械化、自动化生产提供条件。

（3）来源充足，保证供应，能满足生产需要。

2、燃料分类：

按形态分：

气体燃料、液体燃料和固体燃料

按来源分：

天然燃料和人造燃料

3.1.1.2燃料的组成及表示方法

1、固体和液体燃料的组成及性质

（1）元素分析法

碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素和水（M）、灰分（A）

①碳

碳在燃料中与氧、氢、硫组成部分各种有机化合物。

当燃料受热时，这些有机化合物首先分解，然后碳再进行燃烧，放出大量的热。

     （热值约339KJ/Kg）

煤：

53～99％，重油：

86%。

碳是固体和液体燃料的主要热能来源。

②氢

氢燃烧：

   （热值约1030KJ/Kg）

燃料中H↑，挥发分↑，易着火，火焰也较长。

固体燃料：

4～5%，液体燃料：

14％。

③氧和氮

氮是一种惰性物质，不参加燃烧反应，燃料燃烧后游离出来，与空气中的氮混合，进入烟气。

氮的存在降低了可燃成分，对燃烧不利。

氧在燃料中是一种有害成分，不参加燃烧反应，由于它与可燃物质（C、H）化合成氧化物，从而降低了燃料的燃烧能力。

固、液燃料：

1～3％或更少。

④硫

硫虽然能燃烧放出热量，但燃烧产物SO2或SO3气体有毒，对人体有害，它会腐蚀设备、污染环境，是有害成分。

固体燃料：

<2%，液体燃料：

0.1～3.5%。

⑤水

燃料中水是指自然水分而不包括化学结合水。

水不燃烧，升温吸热，降低燃料的品质。

少量水对燃料着火、燃烧、传热等方面有益。

固体燃料：

4～35%，液体燃料：

1～4%。

⑥灰分

灰分是指燃料中不能燃烧的矿物杂质。

化学成分：

SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、N2O、K2O、SO3。

矿物组成：

硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐等。

灰分的有害作用：

ⅰ）灰分↑，可燃成分↓，燃料发热量↓。

ⅱ）灰分↑，燃烧速度及燃烧温度↓。

ⅲ）灰分在高温下形成液相，在窑炉内结皮、结渣，排渣时造成机械不完全燃烧损失，灰分↑，排渣困难。

ⅳ）灰分造成制品污染，影响制品成分及质量。

ⅴ）灰渣破坏炉内耐火材料和堵塞炉栅。

固体燃料的灰分可达20％以上，而液体燃料中一般不超过0.3％。

（2）工业分析法

挥发分（V）、固定碳（FC）、水分（M）和灰分（A）的含量

挥发分（V）：

受热以后分解出来的可燃气态物质，主要是碳氢化合物、碳氧化合物、氢气和焦油蒸气等，是燃料中燃烧放热的重要部分，它影响火焰长度及着火温度。

一般，V↑，燃烧火焰↑，着火温度↓。

其余组成的作用与元素分析相似。

2、固体和液体燃料组成的表示方法

（1）表示煤的四种基准：

a、收到基：

实际使用的煤的组成，用下角标“ar”表示。

（燃烧计算的原始数据）

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100％

b、空气干燥基：

是指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成，用下角标“ad”表示。

（实验室常用）

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100％

实验条件：

20℃，

干燥1小时，质量变化<0.2%。

相互关系：

C、干燥基：

绝对干燥的煤的组成，用下角标“d”表示。

（用于生产控制）

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad+Md=100％

d、干燥无灰基：

是假想的无水无灰的煤的组成，用下角标“daf”表示。

（煤矿常用）

Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf+Adaf+Mdaf=100％

（2）四种基准的换算

【例1】已知Cdaf、Mar、Aar，求Car。

【解】Car—→Cdaf

100kg  [100﹣（Mar+Aar）]kg

100Car=[100﹣（Mar+Aar）]

同理：

【例1】已知Cad、Mar、Mad，求Car。

【解】方法1，Car—→Cad

100Car=（100-Mar,f）Cad

而：

代入上式：

同理：

方法2：

Cad—→Cd

100Cad=（100-Mad）Cd      

（1）

Car—→Cd

100Car=（100-Mar）Cd      

（2）

（1）÷

（2）得：

即：

同理：

3、气体燃料的组成及表示方法

可燃成分主要有H2、CO、CH4、CmHn和H2S等，不可燃成分主要有N2、CO2、SO2和H2O等。

气体燃料的组成一般用体积百分含量表示。

其成分一般用吸收法分析，有“湿成分”和“干成分”二种表示方法。

（1）湿成分：

用上角标“v”表示，包括水蒸汽

COv+H2v+CH4v+CmHnv+H2Sv+CO2v+N2v+O2v+H2Ov=100％

（2）干成分：

用上角标“d”表示，不包括水蒸汽

COd+H2d+CH4d+CmHnd+H2Sd+CO2d+N2d+O2d=100％

干、湿成分的换算关系如下：

3.1.2燃料的热工性质

3.1.2.1 发热量

1、燃料发热量的基本概念

热值：

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，kJ/kg（kJ/Bm3）。

（1）高位发热量Qgr：

单位燃料完全燃烧后，其燃烧产物中的水蒸气全部凝结为0℃水，其余产物冷却到反应前的室温时所放出的热量。

（2）低位发热量Qnet：

单位燃料完全燃烧后，燃烧产物冷却到反应前的室温，而燃烧产物中的水蒸气冷却为20的水蒸气时所放出的热量。

燃烧计算中以燃料收到基低位发热量为基准。

（3）高低热量间的关系：

高低热值之间的差值等于燃料中的水从0℃的液态水变成20℃的水蒸气所需要的热。

1）固体或液体燃料：

1Kg0℃的水气化成20℃的水蒸气的气化潜热：

2500KJ/Kg-H2O

故：

即：

       Qnet，ar=Qgr，ar-225Har-25Mar

Qnet，ad=Qgr，ad-225Had-25Mad

Qnet，d=Qgr，d-225Hd

Qnet，daf=Qgr，daf－225Hdaf

2）气体燃料：

Qnet=Qgr－20.1（H2+2CH4+H2S+CmHn）

高位发热量转换与组成换算方法相同，低热量四种基准的换算见书上表中的公式进行。

2、燃料发热量的计算

（1）固体和液体燃料发热量的计算

①根据元素分析计算：

Qnet，ar=339Car+1030Har-109（Oar-Sar）-25Mar

②根据工业分析计算：

无烟煤（Vdaf≤10％）：

Qnet，ad=K0-360Mad-385Aad-100Vad

烟煤（Vdaf＞10％）：

Qnet，ad=100K1-（K1+25.12）（Mad+Aad）-12.56Vad 

（2）气体燃料发热量的计算

Qnet=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+637C2H6+806C3H6

+912C3H8+1187C4H10+1460C5H12+232H2S

【例】某厂使用煤的工业分析为：

Mad         Mar         Aad         Vad

2.71       10.05      23.20      26.41

焦渣特征为5，这种煤的收到基低发热量是多少？

【解】据公式：

查表可得K1=339，代入公式

Qnet，ad=100×339-（339+25.12）（2.71+23.20）-12.56×26.41

=24130KJ/Kg

3、标准燃料

标准煤：

Qnet，ar=29300kJ/kg

标准油：

Qnet=41820KJ/Kg的燃油为

标准气：

Qnet=41820KJ/NM3的燃气为。

换算：

【例】甲厂生产1t水泥熟料消耗甲地煤160Kg，甲地煤发热量Qnet，ar=25120KJ/Kg；乙厂生产1t熟料消耗乙地煤150Kg，Qnet，ar=28470KJ/Kg，试比较哪个水泥厂燃料消耗低？

【解】甲厂消耗标准煤160×=137Kg

乙厂消耗标准煤150×=146Kg

故甲厂燃料消耗低。

3.1.2.2燃料的其他热工性质（自学）

3.1.3硅酸盐工业常用固体燃料 

3.1.3.1硅酸盐工业用固体燃料

1、褐煤

性质：

新开采水分约为20％～40％，风干后为12％～30％，Ad=0.5％～50％。

易破碎、风化及自燃，发热量较低，约为1300～17000kj/kg。

用途：

制造煤气。

2、烟煤

性质：

挥发物10％～45％；固定碳35％～75％；灰分7％～30％；水分3％～18％；发热量21000～29000kj/kg；着火温度400～500℃。

特点：

挥发分高，在燃烧时有较长的火焰，并容易调节火焰的长度。

用途：

适合于水泥回转窑作燃料。

3、无烟煤

性质：

固定碳含量高，可达90％以上；挥发小于10％；水分和灰分一般也较低；发热量一般为25000～29000kj/kg；组织致密坚硬；呈金属或半金属光泽，颜色为灰色或黑色；密度较其它煤大，成块状；无自燃危险，便于长期储存。

特点：

燃烧时煤烟少，只有很短的蓝色火焰，故不适用于外设燃烧室的窑炉。

又因其着火温度较高（一般为650～700℃），挥发分少，燃烧速度比较慢。

用途：

适用于水泥立窑作燃料。

4、劣质固体燃料

发热量低于12600kj/kg，有石煤、煤矸石、页岩、泥煤及褐煤等。

泥煤和褐煤可以同优质燃料搭配使用，石煤、煤矸石和页岩在立窑水泥厂可作为原料来配制生料。

3.1.3.2硅酸盐工业用液体燃料

液体燃料有石油及石油加工产品。

硅酸盐工业采用的液体燃料主要是重油。

重油是石油经提炼出汽油、煤油和柴油后剩下的残渣（常压渣油）及残渣加工产品（减压渣油和裂化渣油）。

3.1.3.3硅酸盐工业用气体燃料

硅酸盐工业常用气体燃料主要是天然气、液化石油气和发生炉煤气。

3.2燃料燃烧计算

                     一、教学要求

【掌握内容】

（1）燃烧计算的基本概念

（2）分析计算法的依据

（3）燃烧温度的概念

（4）过剩空气系数及漏风量的计算法

【理解内容】

（1）燃料燃烧空气量、烟气量、烟气组成的分析计算法

（2）燃烧温度的概念及计算

（3）提高燃烧温度的措施

【了解内容】

（1）燃烧计算的目的及内容

（2）燃烧的近似计算法

（3）操作计算中实际烟气量和空气量的计算法

                  二、教学重点与难点

【教学重点】

（1）燃烧计算的基本概念

（2）烧空气量、烟气量、烟气组成的分析计算法

（3）过剩空气系数及漏风量的计算法

（4）燃烧温度的概念及计算法

【教学难点】

燃烧温度的计算

                  三、教学方法

讲解基本概念，讲述计算方法，分析影响因素，讲、练结合。

五、教学内容

3.2.1燃烧计算的内容及基本概念

3.2.1.1内容及目的

主要目的：

一是为了设计窑炉的需要；一是操作窑炉的需要。

主要内容：

①空气量的计算：

鼓风机选型计算的依据

②烟气量的计算：

排风机选型、烟道、烟囱计算的依据

③烟气成分的计算：

通过空气系数判断燃烧操作情况

④燃烧温度的计算：

分析影响因素，改进燃烧条件，提高燃烧温度

3.2.1.2几个基本概念

1、燃烧计算中的几个假设

（1）气体的体积都用标准状态（0℃、1atm）

（2）计算涉及的气体都是理想气体（22.4Bm3/Kmol）

（3）空气组成：

O2：

21％、N2：

79％

（4）计算温度的基准点：

0℃

2、燃烧计算的基本概念

（1）完全燃烧与不完全燃烧：

1）完全燃烧：

如果燃料中可燃成分与空气中的氧发生化学反应，并完全生成不再可燃产物（CO2、H2O、SO2等）。

2）不完全燃烧：

如果燃料中可燃成分与空气中的氧化合不完全，生成的产物中有可燃成分。

（2）过剩空气系数

过剩空气系数：

指实际空气量Va与理论空气量Va

的比值，用

表示。

影响

的因素：

1）燃料的种类：

燃料种类不同，与空气混合的程度不同。

气体燃料：

=1.05-1.10

液体燃料：

=.08-1.20

2）燃料燃烧前的加工状态

3）燃烧设备的构造和操作方法

（3）火焰的气氛

根据燃烧产物的气氛的性质可分：

①氧化焰：

燃烧产物中有过剩空气

②中性焰：

燃烧产物中没有过剩空气

③还原焰：

燃烧产物中含有CO、H2、CH4等可燃气体。

3.2.2空气需要量、烟气生成量及成分、密度的计算

3.2.2.1分析计算法

一、固体和液体燃料

1、空气量的计算

（1）理论空气量：

燃料完全燃烧时所需的最低空气量。

基准：

1Kg收到几基燃料其组成为：

可燃成分：

需氧量计算：

共需氧量；

需从空气中获得的氧：

理论空气量：

（2）实际空气量

2、烟气生成量的计算

（1）理论烟气量：

指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。

基准：

1Kg收到基燃料

：

SO2来源于硫的燃烧：

N2来源于燃料和空气：

（2）实际烟气量

1）当

，实际烟气量为：

烟气中VH2O、VCO2、VSO2的计算与理论烟气相同，N2、O2的计算如下：

实际烟气量：

2）当

，实际烟气量为：

烟气各组成：

由于空气不足，燃料不能完全燃烧生成CO2，有一部分CO生成，即CO的生成是由于氧气量不足造成。

不足氧量：

又：

SO2量：

3、烟气组成及密度计算

组成：

将烟气各成分量除以实际烟气量并乘100%，而得烟气的百分比组成。

如：

烟气密度：

或：

【例题】已知煤的收到基组成如下：

组分CarHarOarNarSarAarMar

质量（％）72.04.48.01.40.34.99.0

当α=1.2时，计算1Kg煤燃烧所需空气量，烟气量、烟气组成及烟气的密度

【解】基准：

100Kg煤，同时假设煤中的硫都以有机硫存在。

据公式得：

理论氧量：

VoO2=（+×－）×

=（+×－）×=1.53（Nm3/Kg）

理论空气量：

Va0=VO02×=1.53×=7.31（Nm3/Kg）

实际空气量：

Va=αVa0=1.2×7.31=8.77（Nm3/Kg）

理论烟气量：

V0=[+（+）+]×+V0O2×

=[+（+）+]×+1.53×=7.72（Nm3/Kg）

实际烟气量：

V=V0+（α-1）Va0=7.72+（1.2-1）×7.31=9.2（Nm3/Kg）

烟气各组成量：

过剩O2量：

ＶO2＝（α－1）V0α=（1.2－1）×1.53=0.3（Nm3/Kg）

CO2量：

VCO2=×=×=1.34（Nm3/Kg）

H2O量：

VH2O=（+）×=（+）×=0.60（Nm3/Kg）

SO2量：

VSO2=×=×=0.002（Nm3/Kg）

N2量：

VN2=×+αV0O2×

=×+1.2×1.53×=6.92（Nm3/Kg）

体积百分组成：

O2=×100％=×100％=3.26％

CO2=×100％=×100％=14.60％

H2O=×100％=×100％=6.52％

SO2=×100％=×100％=0.02％

N2=×100％=×100％=75.22％

烟气的密度：

或

二、气体燃料

1、理论空气量和实际空气量的计算

（1）理论空气量

分析计算：

（2）实际空气量

2、烟气量及烟气组成的计算

（1）理论烟气量：

烟气中

来源于燃料中

中碳的燃烧及燃料中原有

：

烟气中

来源于燃料中

中氢的氧化及燃料中原有

：

（2）实际烟气量

：

3、烟所的组成及密度计算

组成的计算与固、液燃料一致。

密度：

。

3.2.2.2近似计算

1、由发热量计算空气量和烟气量

（1）固体燃料

（2）液体燃料

（3）气体燃料

2、未知发热量时，据燃料的种类估计理论空气量和烟气量

3.2.2.3操作计算

窑炉在运转时，小时空气量和烟气量可直接进行测定，但有时无测定仪器无法进行测定或需对实测数据进行校核时,可根据燃料及烟气组成计算空气量。

亦可计算过剩空气系数，了解燃料与空气的配合是否正常，分析燃烧操作是否合适。

还可测定窑炉内不同负压处的烟气组成来计算漏入窑内空气量。

1、实际烟气量和空气量的计算

已知：

燃料组成及烟气组成。

（1）利用碳平衡，即燃料中C＝烟气中C＋灰渣中C，可计算烟气量。

（2）利用氮平衡，即燃料中N2＋空气中N2＝烟气中N2，可计算空气量。

2、据烟气成分计算过剩空气系数

（1）固体和液体燃料（含氮量↓）

：

（2）气体燃料（含氮量↑）

根据：

:

燃料中的N2量是批燃烧后生成100B干烟气的燃料中的含氮量。

即：

式中CO2′—烟气中CO2的成分，N2、CO2、CO、CmHn—气体燃料的成分。

3、漏入空气量的计算

（1）测窑炉排烟系统不同点的烟气组成，可计算两点漏入的空气量：

（2）通过测定二测点烟气中过剩空气系数的含量来计算成本漏风量

【例题】某窑炉用发生炉煤气为燃料，其百分比组成为：

CO：

28.0%，H2：

15.0%，CH4：

3.2%,C2H4：

0.6%,CO2：

3.6%，N2：

49.6%。

测得烟气离窑前的成分为：

：

18.1%，

：

2.3%，

：

79.6%,进烟囱处烟气的组成为：

：

12.6%，

：

7.9%，

：

79.5%。

试求烟气离窑后至烟囱间烟道中漏入的空气量（Bm3/Bm3）。

【解】

烟气离窑前：

烟气进烟囱处：

空气漏入量：

3.2.3燃烧温度的计算

3.2.3.1燃烧过程的物料平衡与热平衡

1、物料平衡

2、热量平衡

根据能量守恒定律，进入窑炉的热量必等于支出的热量，窑炉热平衡方程：

3.2.3.2燃烧温度的概念

燃烧温度：

燃料稳定燃烧时气态产物所能达到的温度。

1、理论燃烧温度：

理论燃烧温度：

燃料在燃烧过程中没有任何热损失时，烟气能达到的温度。

产热度：

tf、ta均为0且a=1时，计算出的理论燃烧温度。

2、实际燃烧温：

实际燃烧温度：

按照实际燃烧情况考虑到各种热损失时，燃料燃烧生成的烟气所能达到的温度。

高温系数：

故：

3.2.3.3燃烧温度的计算

方法：

（1）先求出理论燃烧温度

（2）选取系数，求出实际燃烧温度。

理论燃烧温度的计算：

上式中Q为定值，求tL0关健时求cL。

而：

c=f（tth）

为了简便计算，可采用内插法。

（

）,求得:

，求得:

。

tth:

即：

或：

【例题】某窑炉用发生炉煤气为燃料，其组成干基为：

组分：

CO2COH2CH4C2H4H2SN2

体积（％）4.529.014.01.80.20.350.2

湿煤气含水量为4％，当α=1.1，设高温系数η=0.80，发生炉煤气温度tf与空气温度ta均为20℃，计算实际燃烧温度。

【解】①根据公式xv=xd％=0.96xd换算成湿煤气组成为：

组分：

CO2vCOvH2vCH4vC2H4vH2SvN2vH2Ov

体积（％）4.3227.8413.441.730.190.2948.194.0

②计算理论空气量（V0a）和实际空气量（Va）：

V0α=0.0238（CO+H2）+0.0952CH4+0.0476（m+）CmHn+0.0714H2S

=0.0238×（27.84+13.44）+0.0952×1.73+0.0476×（2+）×0.19+0.0714

=1.191（Nm3/Nm3煤气）

Va=αVa0=1.1×1.191=1.310（Nm3/Nm3煤气）

③计算理论烟气量和实际烟气量：

V0=[CO2+CO+H2+H2O+3CH4+（m+）CmHn+2H2S+N2]×+V0O2×

=[4.32+27.84+13.44+4.0+3×1.74+（2+）×0.19+2×0.29+48.19]×+1.191×

=1.99（Nm3/Nm3煤气）

V=V0+（α－1）V0α=1.99+（1.1－1）×1.191=2.11（Nm3/Nm3煤气）

④计算理论燃烧温度tth：

tth＝

煤气低位发热量：

Qnet=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+232H2S

=126×27.84+108×13.44+358×1.73+590×0.19+232×0.29=5758（kJ/Nm3）

查表得：

cf=1.32kJ/Nm3.℃ca=1.296kJ/Nm3.℃

2.11ctth＝5818.4

设tth１＝1700℃，c1＝1.67，则：

2.11×1.67×1700＝5990.3＞5818.4

设tth2＝1600℃，c2＝1.65，则：

2.11×1.65×1600＝5570.4＜5818.4

tp=ηtth＝0.8×1660＝1328℃

实际燃烧温度为1328℃。

3.2.3.4影响燃烧温度的因素

影响燃烧程度的因素：

（1）燃料的产热度：

↑，

↑。

（2）燃料的温度及空气温度：

↑，

↑，

↑。

固体燃料不易预热，可采用预热空气的方法，提高燃烧温度，如回转窑二次风预热800～1000℃。

重油加热，一是好雾化，二是预热，提高燃烧温度。

发生炉煤气可采取燃料和空气预热的办法使燃烧温度提高。

一般空气温度↑100℃，燃烧温度30～40℃～，带入热量相当于燃烧4%。

（3）过剩空气系数：

↓，燃烧不完全，tth↓；

↑，过多的空气吸热，tth↓。

适当的空气过剩系数，能保证较大的燃烧速度和较高的燃烧温度。

（4）燃烧速度与减少散热

燃烧损失主要是散热损失：

—单位质量燃料的燃烧时间，亦即散热时间。

因此燃烧速度快，散热时间短，或单位时间燃烧