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1、第一章 燃料与燃烧概述刘雪玲刘雪玲天津大学热能工程系天津大学热能工程系天津大学热能工程系天津大学热能工程系1.1 燃料的燃烧特性n燃料：指在空气中容易燃烧，并能够比较经济地利用其燃烧热的物质的总称。n燃料按其状态可分为：气体燃料、液体燃料、固体燃料。n燃料按其获得途径分为：天然燃料和人造燃料。1.1.1 固体燃料n天然的固体燃料有煤、泥煤和木柴等。n人造的固体燃料有焦炭、煤球、煤粉以及木炭等。n泥煤特点 挥发分高、可燃性好 反应性强、含硫量低 机械性能差、灰分熔点低n煤的成分：碳、氢、氧、硫和氮以及灰分和水分nC：主要可燃因素，含炭量越大，燃烧放热越多。nH：第二可燃元素，含量少，但发热量大，
2、约为炭的三倍半。以两种形式存在：和炭硫结合成可燃氢，也称有效氢；和氧结合称化合氢，不能进行燃烧反应。nS：有害可燃因素；有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫形式存在。nO、N：不可燃元素。N不参加燃烧，但高温下生成NOx，污染环境。煤的成分n灰分：煤中的不可燃矿物质。有害成分，也是影响燃烧质量的主要成分。灰分大，可燃物含量减少，发热量降低；灰分大，不易燃烧完全；灰分大，烟气中灰粒增多，受热面磨损严重；灰分大，污染环境；灰分大，受热面积灰增多，传热能力下降，燃烧设备热效率降低。n水分：不可燃，有害成分。n煤的工业分析：通过实验测出煤中的水分（W）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC）的质量的百分比以及
3、煤的发热量。n 煤的工业分析，又叫煤的技术分析或实用分析，是评价煤质的基本依据。n 通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。n广义上讲，煤的工业分析还包括煤的全硫分和发热量的测定，又叫煤的全工业分析。煤的工业分析n挥发分：在隔绝空气的条件下受热时，水分逸出后，有机物开始热分解并逸出的各种气态可燃物质。挥发分对煤的着火过程有重大影响。挥发分高的煤容易着火，也容易燃尽。挥发分是煤进行分类的主要依据。挥发分高低和焦炭结块的难易程度（焦结性）对煤的燃烧特性有很大的影响。n固定碳固定碳：从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤中主要可燃物质。煤的特性粘结性：
4、粉碎后的煤在隔绝空气情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质。结焦性：煤经干馏结成焦炭的性能耐热性：又称热稳定性。是指煤在高温作用下保持原来粒度的性能。反应性：又称活性，指煤的反应能力，指煤中碳与CO2和水进行还原反应的速度。可燃性：指燃料中碳与氧发生氧化反应的速度，即燃烧速度。粘结性煤的分类：n根据干燥无灰基挥发分、收到基低位发热量、以及其他成分作为参考标准，大致把煤粉锅炉用煤分为五大类。无烟煤贫煤烟煤褐煤低质煤碳化程度A无烟煤的特点n炭化程度最高的煤n含碳高50%95%、坚硬n挥发分少Vdaf=6.5-10，n收到基低位发热量21MJ/kgn适于长途运输n可燃性较差，不易着火
5、 R贫煤的特点n炭化程度次高的煤n含碳高50%70%、坚硬n挥发分少-Vdaf6.5-10n收到基低位发热量 18.5MJ/kgn适于长途运输n可燃性较差，不太易着火烟煤的特点n碳化程度较高的煤n具有粘结性n分为长焰煤、气煤、肥煤、结焦煤、瘦煤n含碳较高40%70%n挥发分较少Vdaf=20%-27%（中）和27%-40%（高）n收到基低位发热量 16.5/15.5 MJ/kgn容易着火。褐煤的特点n碳化程度较低n易风化、易氧化、自燃n不适于远地运输和长期储存n含碳较高40%50%n挥发分较少 Vdaf40n收到基低位发热量 11.521 MJ/kgn易燃烧，不粘结低质煤的特点n发热量低n灰分
6、高n含水量高n高硫量n易结渣n一般不能单独燃用固体燃料基成分表示法n收到基（应用基）n空气干燥基（分析基）n干燥基n干燥无灰基 （可燃基）n收到基（应用基）燃料进入燃烧装置前的元素组成。下标ar表示n空气干燥基（分析基）去掉燃料外部水分后的元素组成。下标ad表示n干燥基 燃料完全干燥，去掉全部水分，包括外在水分和内在水分。下标d表示n干燥无灰基（可燃基）去掉全部水分和灰分后的元素组成。各种燃料基之间的成分换算固体燃料发热量n高位发热量QGw 燃烧产物中的水蒸汽凝结成水而将汽化潜热释放出来。n低位发热量QDw 燃烧产物中的水为气态，汽化潜热不能释放出来。n发热量的测定氧弹量热计n门捷列夫法计算Q
7、GW=4.187(81C+300H-26(O-S)kJ/kgQDW=4.187(81C+246H-26(O-S)-6W)kJ/kgQGw和 QDw的换算n不同基准的 QGw、QDw之间的换算 不同基准的QGw之间的换算直接乘表1.2的系数不同基准的QDw之间的换算，必须先化成高位热量后，再按表1.2的系数进行换算。作业作业1 将燃料的空气干燥基（分析基）的低位发热量，换算成收到基的低位发热量的计算公式。几个概念：n标准煤标准煤:燃料的每释放出29300kJ(7000kcal)热量就折算为1公斤标准煤。（按低位发热量）n中国煤炭中国煤炭:燃料的每释放出20934kJ(5000kcal)热量就折算
8、为1公斤标准油煤。（按低位发热量）n标准油（原油）标准油（原油）:燃料的每释放出41868kJ(10000kcal)热量就折算为1公斤标准油煤。（按低位发热量）n标准燃气（油气）标准燃气（油气）:燃料每释放出 9500kcal热量就折算为1公斤标准燃气。燃料每释放出 133300kcal热量就折算为1公斤标准油气。（按低位发热量）燃煤新技术概述n煤的气化 通过煤与空气、氢气、氧气、蒸汽、二氧化碳中的一种和几种的混合物的化学反应得到气态产物，即煤气的过程。n煤的液化 煤炭液化是把固态状态的煤炭通过化学加工，使其转化为液体产品的技术。煤炭通过液化可将硫等有害元素以及灰分脱除，得到洁净的二次能源。n
9、煤浆燃料煤浆燃料n油煤浆：30%煤粉+70的油n水煤浆：5070的煤粉和水与少量的添加剂混合成的（1）易于运输（2）能代油燃烧（3）降低SO2和NO（4）减少环境污染 水煤浆的特点n 水煤浆是20世纪80年代起发展起来的一种煤代油燃料；n其特征是外观象油，流动性好、粘度低；n储运稳定、不沉淀；n能用槽罐车、船舶或管道运输，无自燃着火和爆料，使用起来比煤和油安全。水煤浆技术的发展及应用n70年代石油危机后，掀起了开发煤油混合燃料(COM)的热潮。为此水煤浆燃料(CWM)的研究迅速倔起。n到80年代初在制备方面的技术大体上已成熟，并已对水煤浆燃料进行了很多大规模的燃烧试验。n水煤浆技术开发应用先进
10、的国家有日本、美国、瑞典，加拿大、意大利、法国、德国、英国、中国等国自80年代起也进行了一系列开发研究。1.1.2 液体燃料n液体燃料指物质形态为液态的可燃物质。n天然液体燃料：石油n工业用液体燃料：通常是原油经过一系列炼油工艺加工而形成的。包括汽油、煤油、轻柴油、重柴油、重油、渣油等石油产品。n还包括焦油和酒精。石油的组成n石油的组成元素 主要因素：C、H、O、N、S C：84%87%（质量分数含量）H：11%14%O：0.11 N：0.2%微量金属因素：钒、镍、铁、铝、钙、镁、钴、铜等 微量非金属因素：氯、硅、磷、硒、砷等液体燃料特点n含硫量低。n基本没有灰分。n低位发热量在40MJ/kg
11、左右。n各种燃油的燃烧特性差异较大。n液体燃料的相对密度和粘度对液体燃料的燃烧特性影响很大。燃油相对密度燃油的相对密度用t时油的密度和4时水密度之比表示，即燃油粘度n表征油输送和雾化的难易程度 粘度大，流动性差、雾化效果也差。n表征粘度的方法 运动粘度 m2/s 动力粘度 kg/(ms)恩氏粘度 0E n恩氏粘度：温度toC时200毫升燃油通过恩氏粘度计标准容器时间，与同体积20oC蒸馏水通过恩氏粘度计标准容器时间之比。n恩氏粘度与运动粘度之间换算为：v=8.00E-8.64/0E,mm2/s(当1.35 0E3.20)或统一用v=7.7530E-1.784/0E,mm2/s燃油的粘度值与它的
12、化学成分、馏程、温度和压力等多因素有关。n燃点（着火温度、着火点）燃油在常压空气中能自行燃烧起来的最低温度称为燃点，也称为着火温度或着火点。n闪点 燃油被加温到某一温度，油面上的油蒸汽发生闪火现象，此时油温叫做油的闪点。n通常燃点较闪点高1030。n闪点是燃油储存中的防火指标。闪点和燃点n凝固点 盛有燃油的试管倾斜45o，燃油油面在1分钟内仍保持不变时的温度。凝固点越高，流动性越差 凝固点越低，流动性越好n沸点 无固定沸点，只有一个温度范围，沸腾从某一温度开始，随温度升高而连续进行。石油蒸馏就是收集不同沸点的镏出物凝固点和沸点n航空汽油-馏出温度40-180oCn车用汽油（90号以下）-馏出温
13、度35-205oC 车用汽油（90号以上）-馏出温度35-195oCn轻柴油-馏出温度205-360oCn煤油-馏出温度200-320oCn航空煤油-馏出温度150-250oCn重油-馏出温度300oC以上n大型船用柴油机燃料-馏出温度350oC以上n渣油-馏出温度高于500-520oCn单位质量或体积的液体燃料完全燃烧所释放出的热量。n油的C、H含量较煤多，因此油的热值远大于煤。通常燃油热值在38.544MJ/kgn油质越重，H含量越少，热值越低 例如：汽油热值高，重油热值低n液体燃料热值测定 氧弹量热仪测定 根据元素分析用门捷列夫公式计算 热值n国产汽油的牌号：是以汽油的辛烷值数值来命名。
14、n国产柴油的牌号：是以燃油的凝固点温度限值来命名。以十六烷值表示着火性能的好坏。n国产重油的牌号：是以60oC时重油的恩氏粘度数值来命名。石油产品的牌号我国汽油的牌号研究法辛烷值（RON）异辛烷C8H18的辛烷值正庚烷C7H16的辛烷值1000不同配比的标准油样，ON（异辛烷的体积百分比）马达法辛烷值（MON）抗爆指数（Ai）93号汽油？97？我国柴油的牌号（凝固点温度表示）n军用柴油两个级各有3种牌号n轻柴油-三个级各有 6种牌号n重柴油-2种牌号十六烷烃的十六烷值C16H34a-甲基萘C11H10（或七甲基壬烷的十六烷值）1000不同配比的标准油样,CN（十六烷烃的体积百分数）国产重油的牌
15、号n60oC重油恩氏黏度数值命名 有多种牌号（如20号、60号等）1.1.3 气体燃料n气体燃料分为人造煤气和天然气n人造煤气：是由液体燃料或固体燃料经过加工而得到的主产品或副产品。n人造煤气包括：以CO、H、甲烷为主体的煤气系列，以饱和烃和不饱和烃为主体的石油气。n工业煤气中的可燃性气体甲烷（CH4）乙烷（C2H6）氢气（H2）乙烯（C2H4）一氧化碳（CO）硫化氢（H2S）n高炉煤气（B煤气）n焦炉煤气（C煤气）n裂化石油气n液化石油气（LPG）人造煤气A高炉煤气（B煤气）特点n是高炉炼铁过程得到的副产品n发热量低，700900 kcal/标准m3 n产量大n含有大量的灰尘、N2、CO2n
16、理论燃烧温度14001500oCn主要用于冶金生产n主要成分是CO，易引起中毒焦炉煤气（C煤气）的特点n炼焦生产的副产品，又称荒焦炉煤气n含有水、焦油、H2、CH4、CO、少量N2、CO2和惰性气体n发热量高，40004300 kcal/标准m3n用于冶金联合生产返回重油裂化气的特点n利用高分子液体碳氢化合物在高温下与水作用发生分解n加入催化剂促进反应n含有小分子量的碳氢化合物、H2、COn制取方法：直接裂化法、部分燃烧法和接触裂化法返回液化石油气（LPG）n炼油厂在蒸馏、裂化和改制过程中产生的气体经加压后得到的液态碳氢化合物。n主要成分是丙烷、丁烷n以液态输送和储存，气态燃烧n发热量高 20
17、00030000 kcal/标准m3n含硫量低天然气的特点n大自然中存在的化石燃料n伴生天然气(或油性天然气)和干天然气n主要成分甲烷、乙烷n发热量较高8500 kcal/标准m3n液化天然气（LNG）：50bar高压下降温得到，便于储存和运输。气体燃料的优点n属于清洁燃料n燃烧调节容易进行n容易制配并调整其发热量n维护保养简便气体燃料发热量n气体燃料可是单一可燃气体，也可是多种可燃气体的混合物n干气成分（）和湿气成分（）常用干气成分表示，燃料燃烧计算必须用湿气成分n气体燃料成分气体燃料成分以各组成气体的标准体积百分数表示。n干成分、湿成分换算 湿成分中的水分通常以干气体在一定温度下能吸收的饱
18、和水蒸汽质量克数换算成相应的标准体积。n混合气体热量取决于各组成气体的成分及发热量 n高、低位发热量换算n干、湿燃气发热量换算 1.2 燃烧方法和设备要求n均相燃烧n异相燃烧 液体燃料燃烧方法 固体燃料燃烧方法n气体燃料燃烧方法 其他燃料燃烧的基础 C、汽油、天然气的燃烧分别属于那一类？液体燃料固体燃料预混燃烧和扩散燃烧n燃料燃烧过程：燃料与氧化剂温度压力燃烧物理准备燃烧化学反应n燃料燃烧的两个阶段燃料与氧化剂物理混合过程混合气体化学燃烧反应过程n燃料燃烧的两个阶段燃料与氧化剂物理混合过程混合气体化学燃烧反应过程混合化学12混合化学，扩散燃烧，扩散燃烧区混合 化学，中间燃烧，动力扩散区燃烧装置
19、n燃烧装置燃烧室辅助系统燃料供应 空气供应调节控制监测安全常见的燃烧装置蒸汽锅炉工业燃烧炉内燃机燃气轮机航空发动机机灶具燃气热水器燃烧装置的基本性能要求n满足要求的热负荷，并具有调节负荷能力n组织好燃烧过程，满足所要求的火焰特性，符合工艺要求。n在额定条件下，合理燃烧、稳定燃烧。n燃烧完全，热效率高。n结构简单，价格低，使用方便，寿命长n清洁燃烧，清洁排放，污染小，噪音小。燃烧器n按燃烧空气分批供应的特点分类 扩散式燃烧器、大气式燃烧器、无焰式燃烧器n按燃烧空气供应方法的特点分类 引射式燃烧器、鼓风式燃烧器、自然引风式燃烧器n按火焰形状分类 直焰燃烧器、平焰燃烧器、可调焰燃烧器按燃烧空气分批供
20、应的特点分类n扩散式燃烧器：一次空气系数为0，燃烧完全靠二次空气。n大气式燃烧器：1=0.20.8，其余靠二次空气。n无焰式燃烧器：按预混气体燃烧原理设计。1=1.051.15，二次空气为0。按燃烧空气供应方法的特点分类：n 引射式燃烧器：利用一定压力的燃气喷射流引射燃烧的空气，或利用一定压力的空气喷射流引射燃料气实验预混或部分预混。n 风式燃烧器：利用风机或压缩机将空气送入燃烧系统。n 自然引风式燃烧器：靠炉内负压将空气吸入燃烧系统。按火焰形状分类：n 直焰燃烧器：燃气或混合气离开火嘴后形成直射流，火焰呈圆锥形。n 平焰燃烧器：燃气或混合气离开火嘴后形成紧贴炉壁或炉顶内表面上的圆盘形火焰。n 可调焰燃烧器：燃烧器可对燃气或混合气进行适当的调节，改变火焰形状或燃烧区以满足不同的使用要求。