材料工程（燃料与燃烧）课件

1,第 四 章 燃料及燃烧,燃烧燃料是人类获得热能的主要手段。 掌握了燃料燃烧的各种规律，才能解决燃烧应用中的一系列技术问题。 燃烧学的研究:从否认“燃素学”理论氧化反应理论燃烧动态过程理论 “计算燃烧学” 更高阶段。 燃烧学的研究主要从两方面进行。一方面是燃烧理论的研究，主要研究燃烧过程所涉及的各种基本现象；另一方面是燃烧技术的研究，主要是应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题。 本章介绍，燃料的特性（包括热工性质）；燃烧计算；燃烧过程及原理；燃烧设备；先进燃烧技术。,2,4.1 燃料及其性质 4.1.1 燃料的种类和组成,一、常用燃料的分类 燃料通常是指能与氧发生激烈氧化反应，放出大量热量，并在经济上合理的一种物质。 按其物态可分为：气体、液体和固体燃料。 按燃料获得的方法分：为天然燃料与人造燃料。,3,二、对燃料的要求,（1）在当今技术条件下，单位质量(体积)燃料燃烧时所放出的热可以有效地利用。 （2）燃烧生成物是气体状态，燃烧后的热量绝大部分含于其气体生成物之中，而且可以在放热地点以外利用生成物中所含的热量。 （3）燃烧产物的性质时熔炼(加热)设备不起破坏作用，无毒、无腐蚀作用。 （4）燃烧过程易于控制。 （5）有足够多的蕴藏量，便于开采。,4,三、燃料的化学组成,燃料是由多种可燃与不可燃物质组成的混合物。 1、燃料的成分分析 元素分析法：C、H、O、N、S，燃烧计算的原始数据 如：GB/T 476-2001 煤的元素分析方法 工业分析法：水分、灰分、挥发分及固定碳(Fixed Carbon)，能估计燃料的结焦性能 如： GB2122001 煤的工业分析方法 GB/T 211-1996 煤中全水分的测定方法,5,2、气体燃料 由若干可燃气体(CO、H2、CH4、C2H4、H2S等)，不可燃气体(CO2、N2、O2等)以及水蒸气组成的混合气体。 （1）干气体燃料组成(以上角标d表示) (2)湿(全)气体燃料组成(以上角标表示) 在进行燃料燃烧计算时，要求以实际进入燃烧装置的气体燃料成分进行计算，还需将干气体燃料成分换算为湿气体燃料成分。,6,干成分xd与湿成分x之间有以下关系： x = xd （1-H2O） H2O为1m3 湿气体燃料中所含水蒸气的体积。 气体燃料所含水蒸汽量不高，一般等于该温度下的饱 和水蒸气量。由饱和蒸汽表可查出在不同温度下1 Nm3干 气体所能吸收的水蒸气量(单位为gNm3干气体)，然后 根据下式即可求出湿气体燃料中水蒸汽所占体积百分数： 式中的0.00124为在标准状态下每1 g水蒸气的体积 (Nm3)。N指标准态。,7,3、固体燃料（主要指煤） 煤的组成：有机可燃质、不可燃的无机矿物及水分。 （1）可燃质 煤中的可燃质是多种复杂的高分子有机化合物的混合物。有机化合物是由碳、氢、硫、氧、氮等元素组成。可用这些元素来粗略区分燃料品种和估算燃料发热量；还是进行燃料燃烧计算的重要原始数据。 a)碳 碳是煤中的主要可燃元素。碳化程度高的煤，也可能存在结晶状态的碳。碳是一种较难燃烧的元素，碳化程度高的煤着火与燃烧均较困难。 b)氢 煤中含氢量约为26，碳化程度越高，含氢量越低。与碳、硫等化合为各种可燃有机化合物的氢称为自由氢，这些可燃有机化合物在煤受热时易裂解析出，易于着火燃烧。与氧化合形成结晶水的氢称为化合氢。,8,c)氧和氮 煤中的氧和氮都是不可燃成分。由于氧使可燃质中部分元素(如碳和氢)氧化，这将使燃料燃烧时放出的热量减少，但通常仍将它们列入可燃质中。煤中所含氧随碳化程度加深而减少。 煤中含氮量很少，约为0.52.5。一般情况下氮不会氧化，而是以自由状态转入燃烧产物。但在高温下，或者有触媒存在时，部分氮可形成NOx，污染大气。 d)硫 硫是燃料中最有害的可燃元素。硫燃烧后会生成SO2和SO3气体，这些气体与燃烧产物中的水蒸气结合，形成对燃烧装置有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸蒸气。SO2与SO3排入大气还会严重污染大气。 煤中的硫常以有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫三种形式存在。前两种可参与燃烧放出热量，故称为可燃硫，后者则不能参与燃烧而计入燃料灰质之中。,9,（2）灰质与灰分 灰质指燃料中的不可燃矿物杂质。它们是在燃料形成过程中混杂进来的，另一部分是在开采、运输和贮存过程中由外界带入的。 直接测定燃料中的灰质含量比较困难，通常是测定燃料在燃烧后形成的固体残渣量。这种残渣被称为灰分，它是燃料在燃烧时，灰质经高温分解和氧化后形成的。 灰质与灰分无论在组成上和数量上都不相同。 各种煤的灰分量差别较大，一般为550。灰分主要成分为SiO2、Al2O3、各种氧化铁、CaO、MgO及K2O、Na2O等。 煤灰分的高低是评价煤质优劣的主要依据。,10,灰分在低温下呈固体状态，当加热至一定温度时，灰分将会软化并带有粘性，再继续加热将达到灰分熔点，这时灰分将呈流体状态。 若灰分熔点过低，易产生裹灰(熔化的灰分包在尚未烧透的焦炭之外)，造成煤的不完全燃烧；并在炉栅结块，影响通风；还给清灰除渣带来困难。 （3）水分 水分是燃料中不可燃杂质，固体燃料煤中水分含量较高，且碳化程度不同的煤中水分含量差别很大。 常将煤中所含水分划分为外在水分WW与内在水分Wn。WW指吸附于煤块表面的水分，用自然干燥的方法可去除。Wn则指吸附于煤块内部的水分，它需加热到102105才能去除。 存在于煤中矿物杂质内部的结晶水，计入前述的化合氢之中。因其含量很少，分析时一般不予考虑。,11,（4）固体燃料的组成 固体燃料的组成用各成分所占质量百分数表示。由于煤中所含水分及灰分量常随开采、加工、运输、储存乃至气候等条件的变化而变化，造成燃料组成的质量百分数变化，给燃料的研究带来不便。为此，常根据实际的需要，采用不同的“基”来表示燃料的成分。 （a)收到基 as received（应用基，以下角ar表示) 按实际进入燃烧装置的燃料来计算成分，包括燃料中的全部水分和灰分。即：,12,（b)空气干燥基 air dry(分析基，以下角标ad表示) 在实验室对煤进行分析研究时，必需对煤试样先进行风干，去掉不稳定的外在水分，避免在分析过程中水分不断发生变动，而影响实验结果。 （c)干燥基 dry(以下角标d表示) 对燃料进行干燥去掉全部水分，得到干燥燃料。 按干燥燃料计算燃料成分称为燃料干燥基成分。,13,（d)干燥无灰基 dry ash free(以下角标daf表示) 按去除燃料中所含全部水分及灰分后的燃料来计算燃料成分，称可燃基成分。 由于可燃基成分不会受到外界因素造成的水分和灰分变动的影响，故煤矿的煤质资料常以可燃基成分表示煤的组成。 （e)各种“基”成分间的换算,14,15,四种基准的换算:利用物料平衡关系,【例-1】已知Car 、Mar、Aar，求Cdaf 。 【解】Car Cdaf 100kg 100(Mar+Aar)kg,100Car=100(Mar+Aar) Cdaf,16,【例-】已知Cad、Mar、Mad，求Car。,【解】 ：Cad Cd 100 Cad=（100- Mad）Cd （1） CarCd 100 Car=（100- Mar）Cd （2） （1）（2）得：,17,4、液体燃料 常用的液体燃料为石油及其加工产品。元素组成碳含量约占8587，氢含量约占1114%，还常含有少量硫、氧、氮、钾、钠、钙、镁等元素。 根据含硫量将液体燃料分为低硫油(S0.5)、中硫油(S0.51)、高硫油(Sl)。由于液体燃料含氢量高，燃烧后生成大量水蒸气，所以液体燃料中所含硫比煤中含硫更有害。 液体燃料灰分很少（一般为0.05以下，即使重油也不超过0.3）。灰分主要由碱金属的氧化物和硫酸盐组成。 液体燃料中水分含量较低，一般规定不得超过2。,18,三、燃料的一般特性 1、气体燃料 气体燃料在各种工业炉窑、冶金炉及锅炉中得到广泛 应用。它具有以下优点： 燃烧方法比较简单，且能达到较高的燃烧效率； 易于控制燃烧过程； 可对燃料实现高温预热； 已净化的气体燃料，其烟气中几乎无固体灰渣； 某些气体燃料实际上是生产过程的副产品，如加以利用，可达到节能的效果。 但使用气体燃料时应注意： 对管道的腐蚀；对人的毒性；爆炸极限范围,19,2、液体燃料 目前主要为由石油炼制的各种不同石油产品。以及从油页岩和煤中生产出人造液体燃料。生物代用液体燃料，如甲醇、乙醇、酯化动植物油等等。 石油产品概述 由地层开采出的石油称原油。将原油加热，在不同温度范围内(称为馏程)可获得不同的石油产品。于40180馏出者为汽油，于150300馏出者为煤油，于200350馏出者为直馏柴油，余下者为高沸点的常压重油。 降低压力分馏的产品有重柴油及沸点较高的腊油(可作为生产润滑油的原料)，余下者称减压重油。,20,还可以采用裂化的方法使分子较大的烃类裂解为分子较小的烃类，用以增产轻质油产品。裂化方法又可分为热裂化和催化裂化。经过上述加工方法可获得可燃气、汽油和润滑油等产品，残留的高沸点重质油称裂化重油。 重柴油除作为中、低速柴油机和重型固定式燃气轮机的燃料外，有时亦作为锅炉及工业炉窑的燃料。用于锅炉和工业炉窑的燃料油主要是重油和渣油。须采取较多的技术措施方能正常燃烧，但价格较低。,21,3、固体燃料 主要指天然固体燃料煤。煤是世界上最重要燃料之一；是矿物能源资源中的最主要部分。 直接燃用煤无论从燃烧装置的复杂程度，能量转换效率及环境保护等方面考虑都逊于气体燃料和液体燃料。因此，改进目前的燃煤技术，研究煤的气化和液化技术，以及综合利用技术，是目前研究燃煤问题的主要方向。 其他固体燃料 油页岩主要作为炼油原料，油页岩灰分含量较高，如果直接用作工业燃料，通常要求其单位发热量7000 kJkg，否则折算至单位发热量后的灰分量过高而难以接受。石煤是由古代菌藻类植物形成，它拥有较高的挥发分和含氢及含氧量。石煤常含有大量的无机矿物杂质。,22,四、其他燃料 1、生物代用燃料 目前所指生物代用燃料主要是指用于内燃机的生物代用燃料，但在工业生产中也有其应用前景。可利用的生物代用燃料主要有以下几种: （1）能源植物 从某些树木树干中流出能用作燃料的碳氢化合物液体；或从其枝叶及种子中提炼出燃料。例如：巴豆树及多种松树等植物的枝、叶；油棕榈种子、油桐种子、黑皂树种子等都可提炼出类似石油的燃料等。 （2）常用植物油 常见的食用植物油如菜籽油、花生油、大豆油、向日葵油等经过技术处理后，可作为柴油的代用燃料。,23,（3）动物油 动物油包括牛油、猪油、羊油、鱼油等，将这些油经过甲醇醇解处理后，可作为在柴油机中燃用的动物油甲基酯。 2、醇类燃料 醇类燃料主要是指甲醇和乙醇，其生产原料极其丰富，甲醇还可由煤炭和天然气生产，甲醇和乙醇的生产工艺已相当成熟，故可大量提供。在内燃机中使用醇类燃料可获得良好的动力性和经济性，其排放污染物亦较低。国外还在锅炉及燃气轮机中进行了使用甲醇的实验研究，并获得相当进展。,24,4.1.2 燃料的热工性质 一、发热量(热值),(一)发热量的概念 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(kJNm3)或MJkg(MJNm3)。 高位发热量Qgr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蒸气和燃料中的氢燃烧时生成的水蒸气)全部凝结为水时所放出的热量；低位发热量Qnet则是指燃料完全燃烧后，其燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时所放出的热量。 实际燃烧时，燃烧产物中的水蒸气均以气态存在，故燃烧计算中应以燃料应用基低位发热量为基准。,25,低位发热量等于从高位发热量中扣除水的气化热后的热量。水的气化热约为2500 kJkg，则两者之差为： 式中 Qgr、ar应用基时燃料的高位发热量，kJkg； Qnet、ar应用基时燃料的低位发热量，kJkg； Mar、Har应用基时燃料中水、氢含量百分数。 不同基准时，发热量可以转换。 对于高位发热量，水分只是占据了质量的一定份额而使发热量降低；对于低位发热量，水分不仅占据了质量的一定份额，而且还要吸收汽化热，因此在低位发热量换算时，尚需考虑水分的汽化热。,26,(二)发热量的测定和计算 燃料的发热量可以用专门的量热计测定，也可根据燃料的组成计算。前者结果比较精确，但测定过程较复杂。 测定固体、液体燃料的发热量常采用氧弹量热计，测得的结果称为燃料的氧弹发热量。由于燃烧产物中的SO2和N2在富氧和高压下会生成SO3和NO2并溶解于水而生成H2SO4和HNO3且同时放出热量，故氧弹发热量的数值将大于高位发热量的数值。二者之差即为燃烧产物中的SO2和N2生成硫酸与硝酸的热效应。 测定气体燃料的发热量则可用气体量热计。,27,由燃料组成计算发热量时，可按下面经验公式进行。 对于固体、液体燃料，当已知燃料的元素分析值时： Car、Har、Oar、Sar、Mar应用基时燃料中C、H、O、S及水的百分含量。 若固体燃料仅有工业分析资料时，则可按下列经验公式进行计算。据我国煤炭科学研究院介绍，75的试样，计算值与测定值的误差约在400 kJkg以内。,28,1无烟煤 式中 Mad，Aad，Vad一分别为空气干燥基时燃料中水分、灰分、挥发分的百分含量； K0系数，从有关表中可查出。K0=3430035600，干燥灰分越少，K0越大。 2烟煤 式中 K1系数，随Vdaf及焦渣特征而异，可从有关表中查出。Vdaf，K1；随焦渣熔融粘结、膨胀性，K1略。 焦渣按特征分成八类：粉状；粘着；弱粘着；不熔融粘结；不膨胀熔融粘结；微嘭胀熔融粘结；膨胀熔融粘结；强膨胀熔融粘结。,29,3.气体燃料 不同种类的燃料其发热量差别很大，为便于统计和评比燃料消耗量，采用了“标准燃料”的概念。目前规定，标准煤的低位发热量(应用基组成)为29270 kJkg(即7000 kCalkg)；标准油或标准气的低位发热量为41820kJkg或41820kJNm3(即10000kCalkg或10000 kCalNm3)。（N代表“标准”）。,30,二、其他热工性质 燃料的某些热工性质，随不同燃料而异，分别叙述。 (一)固体燃料 1、挥发分 在隔绝空气的条件下，将一定量的煤样在温度900加热7分钟，所得到的气态物质(不包括其中的水分)称为煤的挥发物。挥发物占煤的质量百分数则称为挥发分。挥发物主要由煤的矿物结晶水、挥发性成分和热分解产物等构成，如部分碳氢化合物、碳氧化合物、氢气和焦油蒸气等。 一般说来，挥发物含量高时燃烧火焰长，着火温度低。,31,2、结渣性 煤中灰分的组成影响煤灰的熔融性。灰分中SiO2、Al2O3含量多，灰分软化温度高，FeO、Na2O、K2O等含量多时，灰分软化温度降低。灰分软化温度还与燃烧时的气氛有关。 将煤灰粉末制成小三角锥(边长7 mm，高20mm)，放在底座上，送至炭粒电炉中，按规定速度升温，变形温度(DT)；软化温度(ST)；熔化温度(FT)。判断燃料是否易结渣时，ST是重要的煤质指标。判断煤种是否能液态排渣时，常使用FT的数值。 燃烧易结渣的煤，操作困难，燃烧不易稳定，且灰渣中易带走未燃的燃料，使机械不完全燃烧热损失增加。,32,3水分 煤中水分不宜高。水分存在，会降低发热量，亦不利于着火，且使炉温降低，并增加烟气带走的热损失。但燃烧较碎的煤时，适当加入水分(8)对减少机械不完全燃烧热损失，以及使煤渣疏松、易于处理均是有利的。 4固定碳FC 从测定煤样挥发分的焦渣中移去灰分后的物质称为固定碳。也就是从煤的测试试样质量中减去其中的灰分、水分及挥发分含量，剩下的质量就是煤的固定碳含量。,33,5可燃硫含量 燃料中存在的可燃硫，燃烧后将会生成SO2和SO3气体。一般要求含硫量1。由于我国燃料中硫酸盐硫含量很小，所谓全硫含量即指可燃硫含量。 另外，煤中有微量氯的存在。烟气中氯的存在，亦易形成酸雾，腐蚀金属管道及设备。,34,(二)液体燃料（重油） 除了解重油的热值和硫分外，尚需了解下列各特性：1粘度 我国重油常用的粘度标准是以恩氏粘度(0E)来表示，即在测定温度下油从恩格勒粘度计中流出200 mL所需的时间(秒)与20蒸馏水流出200 mL所需的时间(约52秒)之比值。我国重油的牌号是以50时油的恩氏粘度来分类的。 温度高，粘度降低。若重油的温度过低，粘度过大，会使装卸、过滤、输送困难，雾化不良；温度过高，则易使油剧烈气化，造成油罐冒顶，发生事故，亦容易使烧嘴发生汽阻现象，使燃烧不稳定。,35,2闪点、燃点、着火点 油类加热到一定温度，表面即逸出油蒸气。当有火源接近时，若出现蓝色闪光，此时的油温称油的“闪点”. 若油温超过闪点，油的蒸发速度加快，用火源接近油表面时，在蓝光闪现后能持续燃烧(不少于5秒钟)，此时油温称油的“燃点”。 若再继续提高油温，则油表面的蒸气即使无火源接近也会自发燃烧起来，相应的油温称油的“着火点”。 燃油的密度越小，闪点就越低。测定闪点的方法有开口杯法(油表面暴露在大气中)和闭口杯法(油表面封闭在容器内)两种。开口杯法测定的闪点值一般比闭口杯法的测定值高1525。 燃点与闪点相差不大。重油的开口闪点约为80130，燃点一般比其闪点高10左右；而着火点约为500600。,36,3凝固点 当油类完全失去流动性时的最高温度叫凝固点。油的凝固点与其组成有关。含蜡量高的油，凝固点较高。重油中水分含量对凝固点也有影响。水分含量增加能使凝固点略有提高。 4密度 重油的密度与温度有关，常随温度的增加而密度略为减小。,37,5比热和导热系数 重油的比热为1.882.1 kJkg，常随重油的密度增加而减少，随温度增加而增大。可用下式近似计算： Ct=1.74+0.0025t 重油的导热系数与油品及温度有关，一般在0.1280.163 W/m之间。,38,6水分 重油中含水，不仅降低燃料的发热量，而且当水分过高时易产生“汽塞”现象，使燃烧火焰不稳定。 目前国内采用燃油掺水燃烧以节约油耗的经验，系将油与水充分混和呈乳浊状，这样在重油雾化后，油包在水的外围，当水汽化时，使油分散得很细，有利于完全燃烧。因此燃油掺水与重油含水不能相提并论。 7机械杂质 它的存在易磨损油泵及导致管路或喷嘴堵塞。,39,(三)气体燃料 1煤气的分子量和密度 煤气的分子量可按 Mgas=0.01xiMi式计算。 式中xi各气体成分在煤气中体积百分含量； Mi各气体成分的分子量。 煤气在标准状态下的密度(kgNm3)： 煤气在t、p(Pa)时的密度(kgm3)： 烟气的密度可根据烟气组成，按同样方法进行计算。,40,2煤气的平均比热 煤气的平均比热可按 C=0.01xiCi式计算。 发生炉煤气中含氮量在50左右，空气中的氮量约为79，燃烧后的烟气中氮含量很高，当有水汽存在时，即形成酸雾，造成大气污染。 3. 着火温度（即燃烧温度） 燃气开始燃烧时的温度称为着火温度。单一可燃气 体在空气中的着火温度见表6-11。 4. 爆炸浓度极限 当可燃气体或油气与空气的浓度达到某个范围时，一遇明火或温度升高到某一数值就会发生爆炸的浓度范围称为爆炸浓度极限。,41,4.1.3 燃料的选用原则,(1)根据国家当前的能源政策选用燃料。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，并需设法采用低质、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。 (4除了充分地合理地利用燃料资源外，还必须采取有效的措施节约燃料。,42,4.2 燃烧计算,计算的目的与内容： 两个目的：设计燃烧炉；合理操作燃烧炉。 计算的内容： （1）为了设计燃烧炉的需要，通常是已知燃料的组成及燃烧条件，计算单位质量(或体积)燃料燃烧所需的空气量、烟气生成量、烟气组成及燃烧温度。以及确定空气管道、烟道、烟囱、燃烧室的尺寸及风机选型时均需要这些数据。 （2）在生产的燃烧炉中，为了判断其燃烧操作是否合理，通常是根据烟气成分的测定进行计算及分析，以便及时进行调节。有时气体流量不易测定时，亦可根据燃料及烟气组成，计算空气量、烟气量。,43,4.2.1 燃烧空气量、烟气量及烟气组成的计算,计算方法主要有两种：分析计算法（根据燃料的成分分析来进行）；当燃料的组成无法获得时，可根据燃料的种类及发热量，进行近似计算，叫近似计算法。 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（22.4m3/Kmol） （3）空气组成：O2：21、N2：79 （4）计算温度的基准点：0,44,(一)分析计算法 1、空气量的计算 基本步骤： 可燃成分氧化反应氧气量干空气量湿空气量 (1)理论空气量 指理论上燃料中可燃组成完全氧化所需的空气量。 对于固体或液体燃料，理论空气量的单位是Nm3/kg燃料；对于气体燃料，其单位为Nm3空气/Nm3燃料。,45,固体、液体燃料 应用基组成为质量百分含量：Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar。其中可燃组成为Car、Har、Sar三者。 理论燃烧需氧量： 在标准状态下1 kmol气体占22.4Nm3体积，故l kg固体或液体燃料燃烧所需理论氧量 为： 理论燃烧所需空气量：,46,若考虑空气中带入的水蒸气量时，需知道空气的湿含量 x(kg水蒸气kg干空气)，可按下式计算理论湿空气量 Nm3kg燃料。 气体燃料 理论氧量 为： 理论空气量 (Nm3Nm3燃料)为：,47,(2)实际空气量(Va)： 实际燃烧过程中，一般情况下，为了防止产生不完全燃烧现象，实际使用空气量常较理论空气量多，两者的比值叫空气系数，即： 空气系数()的选择，与燃料种类、燃烧方式燃烧设备和燃烧气氛要求有关。根据实践经验总结得到的一些数据如下： 气体燃料=1.01.15；液体燃料=1.151.25；块状固体燃料=1.31.7；煤粉燃料=1.11.3。,48,2烟气量及烟气组成的计算 (1)理论烟气量V0及理论烟气组成 理论烟气量V0指当燃料与理论空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。 固体、液体燃料 1kg固体或液体燃料，理论烟气量V0(Nm3kg)： 理论烟气组成百分数，将各组成量除以理论烟气总量乘100即得，如：,49,气体燃料 1Nm3气体燃料，理论烟气量V0为： 理论烟气组成百分数按前述同样方法可求得。,50,(2)实际烟气量及烟气组成 固体、液体燃料 当1时，实际烟气量V(Nm3kg)为： 当1时，实际烟气量V(Nm3kg)为： 由于空气量(即氧量)供应不足，燃料中将有部分可燃物质不能完全燃烧。此时的燃烧产物中可能含有CO、H2及CH4等可燃气体。确定这些可燃气体数值的计算方法十分复杂。 一般的工程计算中，对此类的不完全燃烧可近似认为其燃烧产物中只含有CO一种可燃气体。这样的假设在实际应用中也已足够准确。,51,气体燃料 当1时，实际烟气量V(Nm3Nm3燃料)为： 此外烟气中尚有O2存在： 当1时，若煤气按比例燃烧，则： 式中 (1-)V燃气未燃煤气量，Nm3Nm3； v0燃烧生成烟气量，Nm3Nm3。,52,(二)近似计算 当燃料的化学组成无法知道时，可根据燃料种类及低位发热量利用经验公式来近似计算理论空气量及理论烟气量。再根据确定的空气系数()值进一步计算实际空气量及实际烟气量。当燃料的种类及组成一定时，理论空气量( )、理论烟气量(V0)与低位发热量(Qnet)间必然可以找到一定的关系，通过大量的实验，可以找到这种关系。国家标准总局推荐的公式于表4-15。,53,54,(三)估箅空气量与烟气量 当燃料的化学组成及发热量都不知道时，只能根据燃料种类按下表来粗略估计理论空气量( )及理论烟气量(V0)，然后根据值计算实际空气量及实际烟气量。,55,（四）生产中烟气量、空气量及过量空气系数的计算 空气量及烟气量可直接测定， 没有测定流量的仪器时，则可根据燃料及烟气组成计算出空气量。 两种方法获得的空气量数据可以互相校核。 根据燃料及烟气组成还可计算出过量空气系数（），以了解燃料与空气的配合是否正常，分析燃烧操作是否合适。,56,（1）实际烟气量与空气量的计算 已知燃料组成及烟气组成，可利用碳平衡计算烟气量，利用氮平衡计算空气量。 碳平衡：燃料中C=烟气中C+灰渣中C 氮平衡：燃料中N2 + 空气中N2 =烟气中N2 具体计算方法见【例6-5】,57,（2）过量空气系数（ a ）的计算 计算a值，常用的有氧平衡方法（适用于在空气、富氧空气或纯氧中燃烧时）和氮平衡方法（适用于在空气中燃烧时）。 氧平衡方法,58,氮平衡方法 当固体、液体燃料燃烧时，燃料中含氮量与燃烧空气中氮量比较，很小，可以忽略。因此可以看作烟气中氮量完全来自空气，则上式可转换成： （6-46） 式中：N2、O2、CO烟气中各组成的百分含量。,59,当燃烧中含氮量较高（如发生炉煤气），不能忽略时，而干烟气中又含有CO、H2、CmHn及O2时： （6-47） 式中：N2、O2、CO、H2、烟气中各组成的百分含量。 具体计算过程见【例6-6】,60,4.2.2 燃烧温度的计算,燃料燃烧时，燃烧产物被加热至的温度叫燃烧温度。 燃烧温度可通过分析燃烧过程中热量收入和热量支出的平衡关系来求出。 燃烧过程中的热平衡项目如下(1kg或1 Nm3燃料，0)： 收入热量： 燃料的化学热(即燃料的低位发热量) Qnet 燃料带入的物理热Qt=cftf 空气带入的物理热Qa=VaCata,61,支出热量： 燃烧产物所含的物理热Q=Vctp 由燃烧产物传给周围物体的热量Ql 由于机械不完全燃烧造成的热损失Qml 由于化学不完全燃烧造成的热损失Qch 燃烧产物中部分CO2和H2O在高温下热分解反应消耗的热量Qdi 灰渣带走的物理热Qa，s Cf、Ca、C分别表示燃料、空气和燃烧产物从0至各自温度下的平均比热，kJkg或kJNm3； tf、ta分别表示燃料和空气进入燃烧室时的温度； tp表示燃烧产物的实际温度，也称实际燃烧温度； Va、V分别表示实际空气量和烟气量，Nm3kg或Nm3Nm3。,62,为便于研究和分析问题，通常建立三种燃烧温度的概念，即实际燃烧温度、量热计式燃烧温度和理论燃烧温度。 (一)实际燃烧温度（tp) 由上式可知影响实际燃烧温度的因素很多，而且这些因素还会随燃烧炉的工艺过程、热工过程及炉子结构的不同而变化。所以用上式计算实际燃烧温度十分困难。,63,(二)量热计式燃烧温度(tm) 假定燃料在绝热系统中完全燃烧，并且不考虑燃烧产 物在高温下的热分解，则按经简化的上式计算出的燃烧 温度称为量热计式燃烧温度，即 当tf、ta均为0且=l时，则此时算出的燃烧温度称“燃料理论发热温度”或“发热温度”，“产热度”，用 表示： 与燃料性质有关，是从燃烧温度的角度评价燃料性质的一个指标。它越大的燃料，其燃烧温度也越高。,64,(三)理论燃烧温度(tth) 假定燃料在绝热系统中完全燃烧，则按上式计算出的 燃烧温度称理论燃烧温度。 Qdi取决于燃烧产物中CO2和H2O的分解程度。而分解 程度又与燃烧产物的温度以及CO2、H2O的分压有关。 温度越高、分压越小、分解程度越大、燃烧温度降低得 也越多。 在硅酸盐窑炉内的燃烧产物温度下，CO2和H2O的分 解量极小，故式中Qdi一项可忽略，改写成：,65,当已知燃料性质时，应用上式很容易求得tth。但在计算tth时，由于烟气平均比热c随烟气温度而变化，因此按前述公式进行计算时，须采用“试算法”，或用“内插法”。 实际燃烧温度可在理论燃烧温度的基础上估算。这是因为实际燃烧温度计算式中的各项热损失数据较难获得，但实际燃烧温度本身却较易测定。 一般均从不同窑炉的实际操作情况中总结出实际燃烧温度(tp)与理论燃烧温度(tth)的比值，这一比值称为窑炉的高温系数，用表示。于是 tp =tth,66,值与窑炉型式和结构，所用燃料的种类和燃烧方式，加工制品的种类，操作条件，机械化程度等许多因素有关。 设计窑炉时，一般根据燃料组成及燃烧条件，先计算理论燃烧温度tih，然后根据不同窑炉结构及条件，选择合适的高温系数，求得实际燃烧温度，看其是否符合工艺要求，如嫌温度过低，则应采取有效措施提高tp。,67,(四)提高实际燃烧温度的途径 1选用高发热量的燃料。Qnet增加，可使tp提高。但当Qnet增加与烟气量增加速度相对应时，则对tp的影响不显著。 2控制适当的空气系数。在保证完全燃烧的前提下，应采用较小的值，即值应略大于1。 3预热空气或燃料，提高tf或ta，使燃料或空气带入的显热增加，提高总收入热量，将使tp增加。 4减少向外界散失热量。加强燃烧室或窑炉的保温，以减少散热，可提高燃烧温度。,68,4.3 燃烧过程基本理论,燃烧是指燃料中的可燃物与空气发生剧烈的氧化反应，产生大量的热并伴随着有强烈的发光现象。 燃烧过程分为两种类型： 普通式燃烧，靠燃烧层的热气体传质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。正常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米。 爆炸性燃烧，靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为10004000m/s。 各种不同燃料的燃烧可归纳为两种基本形式：可燃气体和固态炭的燃烧。液体燃料的燃烧，可以看作是可燃气体及固态炭的燃烧。,69,4.3.1 燃烧化学动力学基础,1、化学反应速率 反应物或生成物的浓度C随时间的变化率。单位为kg m3s、kmolm3s。 在化学反应中可能有几种反应物参加反应并生成几种 生成物，各反应物与生成物之间存在以下关系： a、b、c、m、n分别为化学反应式中，反应物 A、B、C和生成物M、N的化学计算系数； CA、CB、CC、CM、CN分别为反应物A、B、C 和生成物M、N的浓度； dCA/d、dCB/d、dCC/d、dCM/d、dCN/d 反应物A、B、C和生成物M、N的化学反应速率。,70,2、化学反应速率和浓度的关系质量作用定律 在一定温度下，气相化学反应速率与当时的反应物浓度的乘积成正 比，这一关系被称为质量作用定律。 式中：x、y、z由实验测定的幂指数； k化学反应速率常数。 幂指数之和 n= x+y+z 称为反应级数。 一些燃料燃烧时的化学反应反应级数如下： 煤气n2；轻油n152；重油n1，煤粉n1。 化学反应速率常数k取决于反应物和温度T，并有以下关系： k0取决于反应物的系数； 该关系式被称为阿累尼乌斯(Arrhenius)定律。于是可将化学反应速率关系式写成,71,3、化学反应机理 （1）活化分子碰撞理论 作不规则热运动的分子之间有可能发生碰撞。在相互碰撞的能量超过一定的能级水平时才能进行化学反应。这个必须达到的最低能级水平E被称为活化能。 反应物A的化学反应速率为 由此式可以看出：根据分子运动学理论导出的化学反应速率公式与由实验得出的质量作用定律相同。 进一步研究后又发现，对一些分子结构简单的反应物，其化学反应速率与按活性分子碰理论计算出来的化学反应速率相符。但对分子结构较复杂的分子，则不仅要求活化分子相碰，而且还要求在分子结构较薄弱的位置处相碰，这样才会发生化学反应。必须将上式修改为 式中的p称为空间因素系数，取决于分子结构复杂程度。p1。 通过以上讨论，可以看出化学反应速率W=f（T、C、E）。,72,（2）链锁反应理论 该理论认为有很多化学反应是需要经过若干中间基元反应才能完成的复杂反应。在这些中间反应中会产生一些活性很高中间活性产物(简称活性中心)，再由这些活性中心与原始反应物进行化学反应，这时除产生最终生成物外，同时也再生出若干活性中心，因而可以使化学反应继续进行下去。 在这种化学反应中，活性中心起着一种中间链节的作用，故称它为链锁反应。 链锁反应有不分枝链锁反应与分支链锁反应两大类。当每一链锁反应基本环节完成后，如再生出来的活性中心数与反应开始时的活性中心数相同，称不分枝链锁反应；如每一链锁反应基本环节完成后，再生出来的活性中心数多于反应开始时的活性中心数(即活性中心增殖)，则称为分枝链锁反应。显然分枝链锁反应具有更高的化学反应速率。,73,4、影响化学反应速率的因素 已知化学反应速率 W=f(T、C、E) （1）温 度 化学反应速率与温度成指数函数关系，因此温度的变化对化学反应速率的影响十分显著。 （2）浓 度 当反应物浓度增加时，分子间的碰撞几率增加，故化学反应速率将增大。但由质量作用定律可以看出，浓度对化学反应速率的影响尚与反应级数有关。 （3）压 力 在气相化学反应中，压力的改变会引起反应物浓度的变化，因此压力对化学反应速率有直接影响。 对反应级数为n的化学反应可写出 因此压力对化学反应速率的影响与化学反应级数有关，一般化学反应n大于1，故反应级数越高，压力对化学反应速率影响也越大。,74,（4）其它因素 a）可燃混合气的配合比例 当可燃混合气中仅含有氧化剂(即燃料浓度为零)或燃料(即氧化剂浓度为零)，化学反应速率都将都为零。因为对燃烧化学反应，燃料与氧缺一不可。 b）混合气中惰性成分 惰性成分的掺入减少了有效碰撞次数，因此导致化学反应速率的下降，故惰性气体含量越高，反应速率下降越厉害。 c）反应物的性质 不同的反应物进行化学反应时所需活化能E不同。饱和分子间进行化学反应所需活化能最高；基于饱和分子间以及分子与离子间进行化学反应时，其所需活化能次之；基于离子间进行化学反应时，活化能趋近于零，化学反应速率极高。,75,4.3.2 着火理论 一、着火温度,由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应(即燃烧)的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。 设某一容器内盛有煤气与空气的混合物，氧化反应系放热反应，产生热量。单位时间内由于氧化反应放出热量(放热速率Q放)；单位时间内散失于外围的热量(散热速率Q散)与混合气体温度(T)的关系为： 式中 T0器壁温度，K、K系数。,76,见图中的曲线。当混合气体温度在TA与TB之间时，因散热速率大于放热速率，故温度不能稳定，必然不断下降，直至到TA点时才停止。 设当混合气体温度低于TA时，由于放热速率大于散热速率，故温度必然继续上升，直至到达TA点，因此A点是稳定点。此时混合气体的氧化反应速率慢。 当温度略低于TB时，由于散热速率大于放热速率，温度须不断降低；而当温度略高于TB时，则放热速率大于散热速率，温度须不断上升。因此B点是不稳定点。,77,当周围介质的温度T0逐渐升高时，曲线向右移动，当介质温度为T0 时，散热曲线与放热曲线I相切于C点，此时C点是稳定情况存在的极限点。如果周围介质温度比T0略高时，稳定情况就不可能存在，即放热速率总是大于散热速率，温度升高，反应加速，发生自燃现象。 放热曲线与散热曲线相切的点C叫着火点，该时的温度(Tc)叫着火温度，即在一定条件下燃料稳定燃烧的最低温度。 着火温度并不是一个定值。当氧化反应速率加大(即放热速率提高)或散热速率降低时，均能使着火温度降低。 着火温度不仅与可燃气体混合物的组成及参数有关，还与散热条件有关。,78,二、着火浓度范围 气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内，才能进行燃烧，这一范围叫着火浓度范围，或叫着火浓度极限。 当煤气与空气在容器内混合均匀，又在着火浓度极限范围以内，当有火花或明火存在时，由于瞬时产生了度很高的燃烧产物，压力急剧增加，可产生爆炸现象，故着火浓度极限又叫爆炸极限。 混合气体中可燃气体的含量低于下限或高于上限时均不能着火燃烧。低于下限时，局部的氧化反应所产生的热量不足以使邻近层气体加热至着火温度以上而燃烧；若高于上限。则由于氧量太少而同样使氧化反应所产生的热量不足以使邻层气体加热至着火温度以上而燃烧。,79,4.3.3 固定炭和可燃气体的燃烧 一、固态炭的燃烧,炭的燃烧是两相(气一固相)反应的物理化学过程。 对反应的机理，有不同的说法：氧气扩散至炭表面先氧化成C02，当炭表面温度高时，则C02又可被炭还原为CO。氧气扩散至炭表面时，先氧化生成CO，CO在扩散过程中遇到氧又生成C02。氧气扩散至炭表面时，被炭吸附生成结构不确定的吸附络合物Cx0y当温度升高时，或在新的氧分子的冲击下，可分解放出C0及C02。 上述说法共同点在于，要使炭迅速燃烧，氧气必须扩散至炭表面，在高温下与炭氧化生成碳氧化物，然后这些炭氧化物必须迅速从炭表面扩散出去，以使新的氧气再扩散至炭表面。 因此，炭的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合，其燃烧速度应与化学反应速度和扩散速度有关。,80,化学反应速度可近似地按下式计算： Vg单位时间单位炭粒表面上氧化反应消耗的氧量，g/cm2s； C02炭粒表面气相中氧的浓度gcm3； k化学反应速度系数，cms。 扩散速度可按下式计算： Vd单位时间扩散至单位炭粒表面上的氧量，g/cm2s； CO2气流中心氧的浓度，gcm3； d扩散速度系数，cms。 碳的燃烧速度为： 式中K总的燃烧速度系数。 常用单位时间内单位表面积燃烧的炭量来表示燃烧速度(Vc)，炭的消耗量与氧的消耗量之比决定于燃烧产物中C0及CO2的数量。,81,设Vc/V=m，则Vc=mV 故： 当燃烧产物中只有CO时，m=C/O=12/16=0.75 当燃烧产物中只有CO2时，m=C/2O=12/32=0.375 低温时(约800以下)，化学反应速度系数非常小，kd，1/ d项可忽略。 燃烧速度决定于化学反应速度系数k(化学反应能力)，燃烧速度随温度升高而急剧增加，与气流速度无关。该阶段叫动力燃烧区。 当温度升高至一定程度时(约1000以上)，kd，1/ k项可忽略。,82,燃烧速度决定于扩散速度系数d(扩散能力)，燃烧速度与温度的关系不大，而与气流速度的关系却很大，燃烧速度服从于扩散规律，该阶段叫扩散燃烧区。 在动力区与扩散区两个极限情况之间叫过渡区，此时扩散速度与化学反应速度相差不大。 实际情况下炭的燃烧过程是很复杂的，它不仅是氧化反应，还有二次反应(CO2+C=2CO)的存在。不仅在表面燃烧，也可能在内部孔隙中燃烧。而且炭粒的形状，气流的性质、 均对燃烧速度有影响。,83,二、可燃气体(H2、CO及烃类)的燃烧 可燃气体的燃烧过程是按链锁反应进行。 氢的燃烧是典型的链锁反应过程： 按分支链锁过程进行，H为链锁刺激物。总的反应是H+3H2+O2一2H2O+3H，即一个活性氢原子经反应可产生三个活性氢原子，因此燃烧速度增加极快。在上述的链锁反应过程中，以H+O2OH+O的反应最慢，它控制着整个链锁反应的总速度。,84,一氧化碳的燃烧与氢相似，也为链锁反应。 从上述反应中，可知H2或CO的燃烧，需要H、0H链锁反应的刺激物质，因此必须要有氢气或水汽的存在产生刺激物，加速反应的进行。氢燃烧时，反应本身产生水汽。而CO的燃烧，加入适量的水汽，对反应有利。 气态烃的燃烧，比氢或一氧化碳更复杂些，以甲烷为例，说明其链锁反应过程如下： 这里O活性原子是发生链锁反应的刺激物，甲醛的存在，能产生氧原子，对烃类的燃烧有利。,85,从上可知：气体燃料的燃烧，是按链锁反应进行，当气体燃料与空气的混合物加热至着火温度后，要经过一定的感应期后，才能迅速燃烧，在感应期内不断生成含有高能量的链锁刺激物(中间活性物)，此时并不放出大量热量，故不能立即使邻近层气体温度升高而燃烧，这一现象叫延迟着火现象。延迟着火时间不仅与气体燃料的种类有关，也与温度及压强有关。温度愈高、压强愈大，延迟着火时间愈短。,86,4.3.4 火焰传播速度,在静止的可燃气体与空气的混合物中，当某一局部着火燃烧，在该处就形成燃烧焰面。因燃烧产生大量的热，使该处温度提高，以热传导的方式传给邻近一层的气体，使其达到着火温度以上而燃烧，并形成新的燃烧焰面。这种焰面不断向未燃气体方向移动的现象叫火焰的传播(扩散)现象，传播的速度称火焰传播(扩散)速度(wf)。其方向与焰面垂直，故又称法向火焰传播速度(wn，f)。 燃烧反应只在极薄的一层内进行，这一层燃烧焰面将未燃气体与燃烧产物分开，称为火焰。火焰传播速度，是指单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积(m3m2s)，因此它也可以称为燃烧速度。 当气流速度与火焰传播速度方向相反，数值相等时，则可以得到稳定的火焰，这时所进行的过程与静止气体中的火焰传播完全相同。,87,各种气体燃料与空气混合物的火焰传播速度与混合物的组成、温度及燃烧管道的尺寸等有关。 图46表示各种单一的可燃气体与空气的混合物在直径为25.4mm管子中着火燃烧时，可燃气体含量与火焰传播速度的关系。 从图中可以看出： (1)H2的火焰传播速度远较CH4为大，主要因为H2的导温系数较CH4大所致。 (2)气体混合物中，只有在一定浓度范围内火焰才能传播，也就是存在着火焰传播的上、下限值。,88,(3)火焰传播速度随着可燃气体与空气混合物中可燃气体的含量而变化，有一极大值，常在值接近于1而略小于l。 另外，提高气体混合物的初温，使邻近层的混合气体较早地达到着火温度而燃烧，可以提高火焰传播速度；增加燃烧管的尺寸，使单位体积气体的散热量相对的减少，亦可提高火焰的传播速度。,89,采用烧嘴喷射燃烧，若在点燃处气体的流速大于其火焰传播速度时，则火焰根部不断向前移动，最后火焰根部将稳定于两者速度相等处。若气体喷出速度较火焰扩散速度小得很多时，则火焰根部可能移至烧嘴中，发生“回火”现象而有产生爆炸的危险。这种情况在无焰烧嘴时易发生。如果气体喷出速度较火焰传播速度大得很多时，则火焰根部远离烧嘴，使气体混合物喷出后不能预热至着火温度以上而燃烧，则发生“脱火”现象而又有吹熄的危险。 因此，火焰传播速度是决定可燃气体与空气混合物的最合适的喷射速度的必要参考数据，这亦说明了火焰传播速度在烧嘴设计及操作上的重要性。,90,4.4 气、液、固体燃料的燃烧 4.4.1 气体燃料的燃烧过程及设备,4.4.1.1气体燃料的燃烧过程 主要包括混合(燃料与空气的混合)、着火和燃烧三个阶段。其中混合过程远较着火、燃烧过程缓慢，为燃料燃烧过程的主要矛盾所在。 混合速度和混合完全程度对燃烧速度和燃烧完全程度起决定作用。 根据燃气和空气的混合情况不同燃烧方式可分为三类: (1)长焰燃烧(扩散式燃烧)；(