煤的燃烧基本理论研究.ppt

第一部分 煤的燃烧基本理论 河北联合大学 裴秀娟 2013.8,主要内容,1-1 煤的种类和组成 1-2 煤的发热量 1-3 燃烧计算 1-4 煤燃烧的基本理论,1-1 煤的种类和组成,一、煤的种类和特点,按其挥发分含量，煤可分为褐煤、烟煤和无烟煤三类。,1. 褐煤,性质：刚开采出的褐煤的水分约为2040，风干后为123，Ad=0.550，发热量约为130017000 kJ/kg。 用途：制造煤气，锅炉燃料。,褐煤的煤化程度低，外观多呈褐色，光泽暗淡，含有较高的内在水分和不同数量的腐殖酸，热值低。,挥发分含量高、灰分及水分较少，发热量高。可分为贫煤、焦煤、肥煤、气煤等。,2. 烟煤,性质：挥发分1045，固定碳3575，灰分730；水分318；发热量2100029000 kJ/kg；着火温度400500 。 用途：适合于作水泥回转窑燃料。,3. 无烟煤,性质：固定碳含量高，可达90以上；挥发分少，一般小于10； 水分和灰分一般也较低；发热量一般为2500029000 kJ/kg； 着火温度较高，一般为650700。 用途：现国内一些企业已成功采用无烟煤作为回转窑燃料，对提高水泥企业经济效益效果显著。,挥发份含量低，燃点较高，燃烧时没有粘结性。,二、煤的组成及其表示方法,(一) 元素分析法,即用元素表示燃料组成的分析方法。,1. 组成：主要包括C、H 、S 、O、N等五种元素和灰分(A)、水分(M) 。,C,C+O2,煤中含量最多的可燃元素，一般含量为1599%,可燃氢(净氢)：与碳和硫相结合的氢 不燃氢：与氧相结合的氢,H,2H2 + O2= 2H2O,CO2,CO,S,可燃组分,S + O2 = SO2,燃烧产物对设备及环境有害,M (moisture ),不燃组分，降低煤的品质, 灰分，可燃成分，发热量 灰分，燃烧速度及燃烧温度,A (ash),灰分是指煤中不能燃烧的矿物杂质,O、N,不可燃组分，降低了煤的燃烧能力,元素分析中的S、O、N、A、M 均为煤的有害成分。,2. 组成的表示方法,由于煤的开采、运输和贮存的条件不同，因此煤的组成往往有较大的变动，故表示煤的组成时，必须说明所选煤的基准。,表示煤的组成的常用基准有：,(1)收到基：,actualy received,Car+Har+Sar+Oar+Nar+Aar+Mar=100,即,注：在煤的燃烧计算中必须用此基准的组成 。,指实际使用的煤的组成，用下角标“ar”表示。,Mar,外在水(Mar, f )：在干燥过程中逸出的水分。（ free）,内在水(Mar, inh )：空气干状态下残留在煤中的水分。(inherent),Mar = Mar, inh + Mar, f,但是，Mar, inh Mad,(2)空气干燥基（又称为分析基）:,Cad+Had+Sad+ Oad+Nad+Aad+Mad=100,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 。,air dried,即,注：将煤样在20和相对湿度为70%的空气中连续干燥1h后质量变化不超过0.1%的煤样,即,指绝对干燥的煤的组成，用下角标“d ”表示。 (dry),Cd+Hd+Sd+Od+Nd+Ad=100,(3)干燥基：,这种基准的组成不受开采、运输和贮存过程中水分变化的影响。,指无水无灰的煤的组成，用下角标“daf ”表示。,Cdaf+Hdaf+Sdaf+Odaf+Ndaf=100,(4)干燥无灰基：,dried ash-free,一般地，同一矿井的煤，干燥无灰基的组成不会发生很大的变化，因此，煤矿的煤质资料常以此基准表示。,3. 组成的换算,1,1,1,1,燃料组成的换算系数,(二) 工业分析法,1. 组成：,包括挥发分(V)、固定炭(FC)、 水分(M) 和灰分(A)。,volatile-ness,fixed,2. 分析方法：采用称重法。,试样称重(m1),110,称重(m2),900干馏7min,称重(m3),燃烧,称重(m4),则：,1-2 煤的发热量（热值）,定义：单位质量的煤完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度(20)时所放出的热量，kJ/kg 。,高位发热量(Qgr )：指燃烧产物中的水蒸气全部凝结为20液态水时的发热量。 (gross总的 ),低位发热量(Qnet)：指燃烧产物中的水以20蒸气存在时的发热量。 (net实得的),根据产物中水的状态分为：,实际上，Qnet更接近于实际，因此，燃烧计算中用Qnet 。不特指时发热量一般均指Qnet 。,一、发热量（热值）的概念,二、发热量的测定和计算,1. 发热量的测定,对于固、液体燃料，用氧弹量热计测定。,2. 发热量的计算,根据煤的组成，可用经验公式计算发热量。,(1)当已知燃料的元素分析值时，经验公式为：,Qnet,ar = 339Car + 1030 Har-109 (Oar-Sar)-25 Mar,(2)当只有燃料的工业分析资料时：,Qnet,ad = Ko-360 Mad-385Aad-100Vad, 无烟煤（Vdaf 10 ）：,Ko根据,查下表,Ko与,的关系,a和b的取值与煤的干燥基灰分有关，如下表。, 烟煤（Vdaf 10 ）：,Qnet,ad=100K1-(K1+25.12)(Mad+ Aad)-12.56 Vad,K1 系数，随Vdaf 及焦油特征而异。,三、标准燃料,换算：,标准煤： Qnet,ar = 29270 kJ/kg = 7000 kcal/kg,标准油： Qnet,ar = 41820 kJ/kg = 10000 kcal/kg,标准气： Qnet,ar = 41820 kJ/Nm3 = 10000 kcal/Nm3,人为规定，标准燃料的低位发热量为：,作用：便于统计和评比产品的燃料消耗量。,1. 煤的热值越大越好，灰分越低越好，这样可以有利于达到要求的火焰温度。,四、回转窑用煤的质量要求,2. 挥发分要求： Vd=1830%。 若煤的挥发分过低(18%)，着火缓慢，形成的黑火头过长，使高温部分火焰变短，影响熟料质量； 若挥发分过高(30%)，火焰变长，同时在对煤进行烘干时，会有一部分挥发分溢出，造成浪费。,注意：当采取有效措施（如提高二次风温度、调整煤粉细度等）改善燃烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。,煤粉在窑内燃烧形成火焰过程示意图,1-3 燃烧计算,一、计算的目的、内容与基本概念,(一) 目的,为了设计窑炉的需要；为了操作窑炉的需要。,(二) 计算内容,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、烟囱、烟道等计算的依据。,3. 烟气成分的计算：烟气密度的计算依据。,5. 燃烧温度的计算：燃耗的计算依据，并分析影响因素，改进燃烧条 件，提高燃烧温度。,4.空气系数的计算 ：判断燃烧操作情况。,(三) 计算中的假设条件,(1) 计算所涉及的气体均为理想气体，即22.4Nm3/kmol；,(2) 空气中只有O2和N2，并且体积比为O2N2=2179 ；,(3) 计算温度的基准点是0。,(四) 基本概念,1.完全燃烧：燃料中的可燃成分与空气中的氧气反应生成最终产物。 （CCO2、HH2O、SSO2),2.不完全燃烧：燃料中的可燃成分没有被完全氧化为最终产物。,机械不完全燃烧：由于机械设备原因或机械操作不当而使燃料产生的不完全燃烧。,化学不完全燃烧：由于空气不足或燃料与空气混合不好而 造成燃料不完全燃烧。,危害：燃料损失，燃烧温度降低，影响炉内气氛和产品质量。,4.理论空气量( )：单位质量的煤在理论上完全燃烧时所需的空气量。,5.实际空气量(Va)：单位质量的煤燃烧时实际需要的空气量。,3.理论需氧量( )：单位质量的煤在理论上完全燃烧时所需的氧气量，Nm3/kg。,6. 空气系数()：实际空气量与理论空气量的比值。,数学表达式为：,影响因素,(1) 与煤的组成及细度有关；,(2) 与煤粉喷嘴的种类及结构有关。,水泥回转窑煤粉燃烧的空气系数一般为： 1.051.15。,7. 理论烟气量(V o)：用 使单位质量的煤完全燃烧时产生的烟气量。,8. 实际烟气量(V )：用Va使单位质量的煤燃烧时产生的烟气量。, 在窑炉设计及操作中的意义：,(1) 选择合理的空气系数有利于提高燃烧温度。这是因为即保证了燃料的充分燃烧，又使生成的烟气量尽可能少。,(2) 控制空气系数是控制烧成气氛的保证。,(3) 影响气体流动。当空气系数较大时，烟气量增大，则气体流速增大，阻力损失也随之增加。,(4) 对传热的影响。空气系数越大，则烟气中的CO2、H2O的含量相对降低，即分压减小，因此辐射力降低。,烧氧化焰时， 1,烧中性焰时， 1,烧还原焰时， 1,(5) 影响热利用率。空气系数越大，产生的烟气量增大，则烟气离窑时带走的热损失增加。,二、空气量、烟气量及烟气组成的计算,(一) 分析计算法,条件：已知煤粉的元素分析组成。,组成： Car 、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar,计算基准：1kg 煤粉。,1. 空气量的计算,燃烧反应：,理论需氧量：,(1) 理论需氧量的计算：,计算式：,Nm3/kg,(2) 理论空气量的计算：,(4) 实际空气量的计算：,(3) 理论湿空气量的计算：,若空气的湿含量为x kg水蒸气/kg干空气,2. 烟气量及烟气组成的计算,(1) 理论烟气量的计算：,理论烟气组成： CO2、SO2、H2O和N2,CO2来源于C 的燃烧，即：,SO2来源于S 的燃烧，即：,H2O来源于H的燃烧和燃料中的水，即,N2来源于燃料和空气，即,理论烟气量：,(2) 实际烟气量及烟气组成的计算：,当1时，实际烟气量计算式为：,实际烟气中各组成量的计算：,其他组分的计算类似,(二) 近似计算法,条件：已知煤的种类及低位发热量。,(三) 估算法,条件：只知道煤的种类。,方法：先估算出Vao及Vo ；再取值，计算出Va及V 。,经验公式：,方法：利用经验公式计算Vao及Vo ；再取值，计算Va及V。,Nm3/kg,Nm3/kg,对于烟煤：Vao=68 Nm3/kg，Vo=6.58.5 Nm3/kg。,N2、O2、CO均为烟气中含量,计算公式：,条件：已知烟气的组成 。,(四) 操作计算法,计算目的：检测窑炉工作是否正常，分析煤的燃烧操作是否得当。,1. 空气系数()的计算,2. 漏入空气量的计算,测定窑炉系统内不同负压处的烟气组成，则两测量点之间漏入空气量的计算式为：,Nm3/h,燃料量， kg/h,不同测点处计算所得的空气系，其中2测点在后,三、燃烧温度的计算,定义：燃料燃烧时，燃烧产物的温度叫燃烧温度。,分为：理论燃烧温度和实际燃烧温度。,燃烧过程中热量收支情况（基准：1kg煤粉，0)：,收入热量：, 煤的低位发热量，Qnet ；, 煤带入的物理热，Qf =cf tf ；, 空气带入的物理热，Qa=Va ca ta,支出热量：, 烟气所含的物理热，Q=V c tp ；, 传给周围物体的热量，Ql ；, 机械不完全燃烧的热损失，Qml ；, 化学不完全燃烧的热损失，Qch ；, 烟气中部分CO2和H2O在高温下分解消耗的热量，Qdi ；, 灰渣带走的物理热，Qa,s 。,列热量平衡：,(一) 理论燃烧温度 (tth) (theoreticai combustion temperture),定义：燃料在绝热系统中完全燃烧放出的热量，只考虑烟气中部分CO2和H2O在高温(1600)下分解消耗的热量时，所得燃烧产物的温度。,燃烧过程中的热平衡式为： Qnet + Qf + Qa = Q + Qdi, 有,在水泥工业窑炉内的燃烧温度下，CO2和H2O分解的量极小，故Qdi可忽略，则有：,(二) 实际燃烧温度 (tp) (practical combustion temperture),定义：燃料燃烧时，燃烧产物的实际温度。,燃烧过程中的热平衡式为： Qnet + Qf + Qa = Q + Ql + Qml + Qch + Qdi + Qa,s, 有,(三) 窑炉的高温系数 (),定义：实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值。,数学式为：,对于水泥回转窑， =0.700.75 。,由于Ql、Qml、Qch、Qdi、Qa,s 等不易获得，因此tp无法直接计算tp ，而是通过计算理论燃烧温度(tth)、选取值，再求出tp值。,(四) 提高实际燃烧温度的途径,由,分析得 ：,1. 选取Qnet 高而烟气量V小的燃料。但是当Qnet 的提高与烟气量V增加速度相对应时，Qnet 对 tp效果不明显。,2. 控制适当的空气系数。即在保证燃料完全燃烧的前提下，采用最小的 值。,3. 预热助燃空气， 。,4. 富氧燃烧。使Va ，则 V 。,5. 减少散热损失，加强窑体保温。,一般一次风不预热，因此其用量不宜过多。,从燃烧的角度分析，各种燃料的燃烧均可归纳为可燃气体和固态炭的燃烧。,一、着火温度,任何燃料的燃烧过程，都有“着火”和“燃烧”两个基本阶段。,定义：由缓慢的氧化反应转化为剧烈的氧化反应(燃烧)的瞬间叫着火， 转变时的最低温度叫着火温度。,燃烧的条件：除了要有燃料、空气外，尚需达到燃烧所需的最低温度着火温度。,1-4 煤燃烧的基本理论,燃烧：指燃料中的可燃物与空气中的氧气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随有强烈的发光现象。,固定炭的着火温度低于可燃气体的着火温度。 固定炭的燃烧速度低于可燃气体的燃烧速度。,二、固态炭的燃烧,C的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合。,要使C迅速燃烧，O2必须扩散至C表面，在高温下与C氧化生成碳氧化物，然后这些碳氧化物必须迅速从C表面扩散出去，以使新的O2再扩散至C表面。,碳燃烧速度与化学反应速度与扩散速度有关。,一般地,(1) 当温度800时，化学反应速度扩散速度，此阶段总反应速度由化学反应速度控制，称为动力燃烧区；,(2) 当温度为8001000时，化学反应速度与扩散速度相当，总反应速度由化学反应速度和扩散速度共同控制，此阶段称为过渡区；,(3) 当温度1000时，化学反应速度扩散速度，此阶段总反应速度则由扩散速度控制，称为扩散燃烧区。,在水泥工业窑炉中，固态炭的燃烧一般在扩散燃烧区内进行。,表面温度800时，为动力燃烧,表面温度1000时，为扩散燃烧,强化碳燃烧的主要方法：增大空气与煤的接触面积、加强煤与空气的混合。,煤粉愈细，或在喷煤管内加装风翅，以加强煤与空气的混合，或提高一、二次空气的温度，均能提高燃烧速度，而使火焰短。,以CH4的燃烧为例，其过程如下：,三、可燃气体的燃烧,主要反应机理是按链锁反应进行。连锁反应的产生必须要有链锁刺激物(中间活性物)存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞，气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。,可燃气体燃烧的特点：存在延迟着火现象。,延迟着火：可燃气体与空气混合并加热到着火温度之后，要经过一定的感应期后，才能迅速燃烧。,延迟着火时间与气体的种类、外界的温度及压力等有关。 T，P，则延迟着火时间越短。,四、煤的燃烧过程,(一) 准备阶段：,包括燃料的干燥、预热和干馏。,1. 干燥：在110左右，吸附水(即物理水)全部逸出，吸热过程，水分越多，Q吸，干燥时间越长。,2. 预热：干燥后，燃料温度继续升高。,3. 干馏：当温度升高到一定值时，便开始分解，放出挥发分，剩下固定炭。V，开始放出挥发分的温度越低。,煤的干馏温度：褐煤：130 ；烟煤130400 ；无烟煤400 。,此阶段不需要氧气，为吸热阶段，一般希望此阶段所需的时间越短越好。,包括三个阶段：准备阶段、燃烧阶段和燃烬阶段。,(二) 燃烧阶段：,包括挥发分V和固定炭FC的燃烧。,由于挥发分的着火温度FC的着火温度，通常把V的着火温度粗略地看作煤的着火温度，V，着火温度。,一般地，褐煤：250350；烟煤250400；无烟煤350500 。,在此温度下，虽然能着火燃烧，但其速度很慢，因此往往把燃料加热到较高的温度，并且供给充足的空气，才能加快燃烧速度和燃烧完全程度。,如，褐煤加热到550600；烟煤加热到750800； 无烟煤加热到900950 。,(三) 燃烬阶段（或称灰渣形成阶段)：,它是固体燃料所特有的阶段,由于焦炭将烧完时，外壳包裹了一层灰渣，阻碍了空气向里扩散，因而使燃烧速度变慢，尤其灰分高的煤更难燃烬。为了使燃烧完全，此阶段要保持一定的温度和时间。,火焰：指燃烧着的燃料与空气的混合气流。,火焰的特性：,通常用“五度”来描述,温度,长度,刚度,黑度,宽度（铺展性),五、燃烧火焰,煤粉在回转窑内燃烧的火焰应满足的要求,火焰温度分布要合理，温度要达到16001800；（保持高温）,火焰要有适当的长度；（保持物料高温时间）,处于适当的位置。（适合 的形成的反应，延长回转窑的运转周期）,为了使生成 的反应完全，确保水泥熟料的高质量和高产量，