第十章 冶金燃料装置.doc

第十章 冶金燃烧装置【本章重点】（1）燃料的组成与分类（2）燃料的燃烧过程，富氧燃烧技术及节能（3）常用燃料的燃烧计算（t、n、L、V、）【本章难点】（1）燃料的化学组成与换算燃料的种类有很多，但其状态只有三种：气体、液体和固体，其组成是由C、H、O、N、S、元素或化合物以及W（水分）和A（灰份），成分的表示方式也有很多种；在讲述燃料的成分时可以分别从其状态的来讨论，并重点掌握其换算关系：气体燃料 固、液体燃料 （2）理论燃烧温度 燃料是通过燃烧反应而释放热量，燃烧温度是指燃料燃烧时其气态产物（烟气）所能达到的温度。燃烧产物所含热量越多，它的温度就越高。由于燃烧条件不同，燃烧温度有理论燃烧温度tth和实际燃烧温度tc.p。在分析理论燃烧温度时强调绝热条件下燃料完全燃烧时所达到的温度，其值可根据燃料燃烧过程的热平衡关系求得。即：10.1.燃烧基础知识目前世界的能源使用情况看，燃料能仍然占90%左右，所以现代工业中的主要能源还是燃料燃烧后产生的热量，在冶金工业中所使用的天然燃料主要是煤、石油和天然气等。为了合理选用燃料，必须了解所用燃料的特性以及燃烧过程的各种参数（如发热量、空气需要量、燃烧产物量和组成、燃烧温度等）的计算。一、燃料的定义及种类1、燃料的定义 凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地被利用在工业和其他方面的物质统称为燃料。但通常所说的燃料是指那些能在空气中进行燃烧，以碳为主要成分的物质，一般称之为“碳质燃料”，如煤、燃气和重油等。2、燃料的种类 按来源天然和人造，按物态气、液和固态。二、组织燃烧过程和炉子工作关系 燃料的燃烧是各种炉子的主要热源。因此，使用燃料的炉子中，燃烧装置是炉子的重要组成部分，而燃料的燃烧过程是炉子热工过程的重要内容。在炉子设计与生产中考虑如何合理地选用燃料，如何选择和计算燃烧装置，以及如何保证冶炼所需的高温等是非常重要的。如：在炼铁的高炉及炼铅的鼓风炉中，热能来自于焦碳的燃烧； 在炼钢的转炉及炼锌竖罐中，热能来自于煤气或天然气或重油的燃烧；在炼铜的反射炉中，热能来自于粉煤或重油的燃烧，在闪速炉及基夫赛特炉等自热熔炼设备中，热能主要来自硫化矿精矿的燃烧等等。10.1.1燃料 燃料同自然界其它物质一样，具有其本身的基本特性，而燃料的化学成分和发热量是燃料的两个基本特性。也是评定燃料的两个主要指标。一、燃料的组成与换算1、气体燃料的化学组成与换算.气体燃料的化学组成 可燃组分有CO、H2、H2S、CH4和其它碳氢化合物CmHn。燃气中非燃烧的气体主要有N2、CO2、SO2、O2和H2O等。.气体燃料组成的表示方法和换算 气体燃料有湿成分和干成分两种表示方法，即湿燃气（又称实用燃气）的组成： （10-1）式中COs、H2s、N2s分别代表湿燃气中CO、H2、N2等在其中所占的体积百分数，上标“s”是燃气湿成分的标志。（10-2）式中 COg、H2g、N2g分别代表干燃气中CO、H2、N2等在其中所占的体积百分数，上标“g”是燃气干成分的标志。 将干成分换算成湿成分的通式为：（10-3）式中 Rs湿燃气中各成分的体积百分数，%；Rg干燃气中各成分的体积百分数，%；1m3干燃气含饱和水蒸气量，gm-3，它可根据燃气温度由附录查得。例10-1 已知煤气的干成分为（%）：COg29.84，H2g15.40，CH4g3.08，CO2g7.73，O2g0.35，N2g43.60。试确定此该煤气在平均温度为25时的湿成分。思路：查附录得高炉煤气在25时，根据式（10-3）求的各组分的湿成分。解 查附录得高炉煤气在25时=26.0gm-3，根据式（10-3）可求的各组分的湿成分为： 2、固体和液体燃料的化学组成与换算固体（液体）燃料的化学成分可用元素分析方法和工业分析方法测定。元素分析法测定结果所表示的为元素分析成分；工业分析法测定结果所表示的为工业分析成分。.固体和液体燃料的元素分析法 固体和液体燃料虽然物理状态不同，但它们都是由碳、氢、氧、氮、硫五种元素以及水分和灰分等杂质所组成。它们在燃烧过程中的变化及对燃烧的影响分述如下：碳（C）碳在固液体燃料中以单质和化合物状态存在，而在液体燃料中则完全以化合物形态存在。氢（H）氢在固液体燃料中以两种形式存在，一种是与碳、硫化合的氢，称为可燃氢或有机氢；另一种是与氧化合物的氢，称为水合氢，不可燃烧。氧（O）固液体燃料中的氧与碳、氢等元素化合。不能燃烧和助燃，含量越低越好。氨（N）氮是情性成分，不能燃烧。在高温（2100）下与O2生成NOx，NOx是有害气体。不过氮在固液体燃料中的含量仅为12。硫（S）固液体燃料中的硫以三种形态存在：有机硫，与碳、氢化合的硫；硫化硫；硫酸盐硫，存在于各种硫酸盐中。有机硫和硫化矿中的硫能燃烧，称可燃硫或挥发硫，其燃烧产物SO2有毒；硫酸盐中的硫不能燃烧。水分（W）水分是有害的，它不仅相对地降低可燃成分百分含量，而且使燃料发热量降低。液体燃料含水2以下，固体燃料较高且波动范围大。灰分（A）是燃料中不能燃烧的矿物质，其组成主要是SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等。.固液体燃料的元素组成表示方法和换算固、液体燃料各化学组成的质量百分含量通常用以下四种成分来表示：实用成分CyHyOyNySyAyWy=100（10-4）干燥成分CgHgOgNgSgAg=100%（10-5）可燃成分CrHrOrNrSr100（10-6）有机成分CjHjOjNj100（10-7）固、液体燃料各化学成分的换算系数如表1-2-2所示。表1-2-2 固、液体燃料各化学成分的换算系数已知的燃料组成换算成下列组成的换算系数有机成分可燃成分干燥成分实用成分有机成分1可燃成分1干燥成分1实用成分1例10-2已知烟煤的成分为（%）：Cr81.5、Hr5.00、Or10.00、Nr2.00、Sr1.50，Ag12.00，Wy15.00，求该煤的实用成分。思路：先求灰分的实用成分Ay，然后根据Wy和Ay求其它元素的实用成分。解 先求灰分的实用成分Ay，然后根据Wy和Ay求其它元素的实用成分：以上实用成分合计为100%。二、燃料发热量及计算1、燃料的发热量是指单位质量或单位体积的燃料在完全燃烧时所放出的热量，用Q表示，根据燃烧产物中水存在的状态不同又可分为高发热量QGW和低发热量QDW。2、 高位发热量QGW是指燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成0的水时放出的热量；而低发热量QDW是指燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成20的水时放出的热量。QGW与QDW之间的换算公式为：燃气优点燃气易与空气混合，燃烧较完全；燃气可进行预热，有利于提高燃烧温度；燃气燃烧过程便于控制，火焰长短、燃烧温度、炉气性质等便于调节；燃气便于输送，燃烧操作劳动强度小，劳动环境好。燃气质量主要取决于它的化学成分，含碳氢化合物愈多，则燃气的质量愈好。QGWQDW25.122(W9H)（10-9）3、标准燃料 规定发热量为29308kJkg-1（气体燃料为29308kJm-3）的燃料为标准燃料。4、发热量的计算 发热量可用量热计测量，但在炉子热工计算中，则根据成分进行计算。.气体燃料发热量的计算 燃气发热量是简单可燃气体燃烧放出热量之和，即QDW126.2COs107.8H2s359.1CH4s597.7C2H4s231.2H2Ss （10-10） .固液体燃料发热量根据元素组成进行计算 目前多采用经验公式，如门捷列夫公式：QDW339Cy1030Hy109（OySy）25Wy（10-11） .固液体燃料发热量根据分析结果进行计算 煤的发热量有以下计算公式，即褐煤 QDW（10F650010W5A）4.18Q（10-12） 烟煤 QDW（50F9AKQ）4.18（10-13） 无烟煤 QDW100F3（VW）K4.18Q（10-14）三、常用燃料1、气体燃料 冶金生产常用的燃气有高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、重油裂化气和天然气等。2、液体燃料 主要有重油、重柴油和轻柴油。特点：重油发热量高、燃烧时火焰辐射能力大和燃烧过程便于控制和调节。重油为褐色或黑色，是天然石油（原油）蒸馏后的常压、减压渣油和裂化渣油等残渣油的统称。重油的性能不仅和原油有关而且和加工方法有关。性能：粘度Et（oE）、密度t、比热Ct、导热系数t、熔化潜热、闪点和燃点、自燃点及凝固点。3、固体燃料 冶金生产使用的固体燃料主要是煤及其加工产品焦炭和煤。粉煤与块煤比较，粉煤的优点是：用劣质煤和煤屑加工的粉煤，可达到同样的燃烧效果；粉煤可采用流态化输送，而且燃烧操作劳动强度小；粉煤的粒度小，易于空气混合，；燃烧过程便于控制调节，燃烧较完全。.煤煤是古代植物在地下经长期碳化形成的。根据炭化的程度不同，煤分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四种。.焦炭焦炭是炼焦烟煤在炼焦炉内经高温（9001100）干馏形成的。优质冶金焦炭的断口为银灰色，具有金属般的响声，气孔率大（45%以上），发热量QDW约为2529103kJkg-1。.粉煤工业用的粉煤，其粒度为0.050.07，挥发物20%。制造粉煤的原煤一般是用烟煤或烟煤与其它煤配合。10.1.2燃烧计算一、概述燃料燃烧计算的内容有：燃烧需要的空气量、燃烧产物的生成量，成分和密度以及燃烧的温度。 在燃料的计算过程中，为了简便，有以下假设条件：气体的体积按标准状态（0，101325Pa）下的体积计算。在标准状态下，1kmol的任何气体其体积为22.4m3；.燃料的化学成分，按实际使用状态时成分计算，即固体（液体）燃料为应用成分，气体燃料为湿成分；.燃料完全燃烧，当温度不高于2100时，不计热分解消耗的热量和分解的产物；.燃料燃烧需要的氧气来自空气。空气的成分由O2和N2组成，不计其他气体。按体积，空气中O2的含量为21，N2的含量为79%。如果需要按湿空气计算时，则取饱和水蒸汽的含量。二、空气需要量、燃烧产物量及其成分的计算1、燃气燃烧空气需要量的计算 理论空气需要量和实际空气需要量。燃气燃烧的理论空气需要量是根据燃气完全燃烧反应计算出来的，实际空气需要量Ln与理论空气需要量L0之比，称为燃料燃烧的空气消耗系数，用n表示，即：（10-25）表1-2-6 标准状态下1m3燃气燃烧时的燃烧反应表湿成分/%反应方程式（体积比）需氧体积/m3m-3燃烧产物体积/m3m-3CO2H2OSO2N2O2COs1 1COsCOsH2s1 1H2sH2sCH4s1 2 1 22CH4sCH4s2CH4CnHms1 n H2Ss1 1 1H2SsH2SsH2SsCO2s不燃烧CO2sSO2s不燃烧SO2sO2s消耗-O2sN2s不燃烧N2sH2OsH2Os由表1-2-6可知，标准状态下，1m3气体燃料完全燃烧所需的空气量为： （10-26） 空气消耗系数n由表1-2-7选定，实际空气需要量按下式计算：LnnL0（10-27）式（10-25）（10-27）中 L0理论空气需要量，m3m-3燃气；Ln实际空气需要量，m3m-3燃气。n是组织燃料燃烧过程的重要参数。在确定n的大小时应考虑燃料的种类、燃烧方法和燃烧设备和影响。表1-2-7 各种燃料燃烧时空气消耗系数n的经验值燃烧过程烟煤无烟煤焦碳褐煤粉煤重油煤气人工操作1.501.701.401.451.501.801.201.251.201.251.151.20自动控制操作机械加煤：1.201.401.151.151.051.10采用燃料与空气混合良好的燃烧装置时n取低值，反之取高值。2、固液体燃料燃烧空气需要量的计算 其空气需要量的计算与燃气的计算方法一样表1-2-8 1kg固、液体燃料燃烧时的燃烧反应燃料各组分的含量反应方程式（摩尔比）需氧量/kmol燃烧产物量/kmol应用成分/%kmolCO2H2OSO2N2O2CyCO2=CO2111HyH2O2=H2O11SySO2=SO2111Oy消耗掉N2y不燃烧Wy不燃烧Ay不燃烧、无气态产物根据表1-2-8分析，1kg固液体燃料完全燃烧的所需理论空量为：（10-28）3、燃料燃烧产物的计算 气态产物的生成量、气态产物的成分和密度的计算。.燃烧产物生成量的计算 碳质燃料燃烧生成的气态产物主要有CO2、H2O（g）、SO2、N2和O2，它们是由燃料中的可燃物燃烧生成或非可燃物（除灰分）转入的，以及助燃空气带入的。标准状态下1m3的湿燃气完全燃烧时生成的产物量Vn为各成分生成量之和，即：（10-29a）或：固液体燃料燃烧产物量：式（10-29）中 Vn燃烧产物的量，m3m-3（或kg-1）；式中其它符号同前。.燃烧产物的成分燃烧产物成分是燃烧产物中各组分所占的体积百分数：（10-30）式中 VCO2、VSO2、为标准状态下燃烧产物中CO2、SO2、N2、H2O、O2的体积数，可分别由表1-2-6或由表1-2-8求得，单位为m3m-3或m3kg-1。.燃烧产物的密度燃烧产物密度是指标准状态下1m3燃烧产物所具有的质量，用0表示，单位是kgm-3。已知产物成分时，密度亦可根据燃料燃烧产物的成分按下式计算：（10-31a）三、燃烧温度的计算燃烧温度是指燃料燃烧时其气态产物（烟气）所能达到的温度。由于燃烧条件不同，燃烧温度有理论燃烧温度tth和实际燃烧温度tc.p。1、理论燃烧温度 指在绝热条件下燃料完全燃烧时所达到的温度，用tth表示。理论燃烧温度可根据燃料燃烧过程的热平衡关系求得。根据热平衡原理，燃料燃烧过程的热收入等于热支出，即：QDWQfQa=VnCc.ptc.pQt.d+Qi+Q.t.c（10-32a）式中 Cc.p燃烧产物的平均比热，kJ(m3)-1；tc.p实际燃烧温度，当燃烧温度不超过2100时，燃烧产物很少发生热分解，因此，在这种情况下，热分解热可忽略不计Qt.d=0；若在绝热条件下完全燃烧即Q.t.c=0、Qi=0。燃烧产物吸收的热量Qc.p按下式计算：Qc.p=VnCc.ptth（10-34）式中 tth理论燃烧温度，则（10-32）式为：QDWQfQaVnCc.ptth（10-32b） 或（10-35）为了计算简便，工程上往往利用It图图解法近似计算。如图1-2-1。2、实际燃烧温度 燃料在实际燃烧过程所达到的温度，用tc.p表示tc.p=tth（10-42）式中 炉温系数，为经验值，可由表1-2-11查得。表1-2-11 炉温系数的经验数据炉子型式炉子型式铜锍反射炉0.750.85蓄热式热风炉0.920.98离析窑燃烧炉0.820.88热处理炉(炉温1000)0.650.70重油炼钢平炉(QDW=3762041860kJkg-1)0.7050.74匀热炉0.680.73连续加热炉生产率500600kg(m2h)-10.700.75室式加热炉0.750.85生产率200300 kg(m2h)-10.750.85直通式炉0.720.76室式窑(间隙作业)气体燃料0.730.78带材加热炉0.750.80固体燃料0.660.70缓慢装料封闭结构的隧道窑0.750.82回转窑(粉煤、煤气、重油)0.700.75水泥煅烧回转窑0.650.75隧道窑(煤气、重油)0.780.83球团竖式焙烧炉燃烧室0.920.95例1-2-5某铜精练反射炉以重油为燃料，其化学组成（%）为：Cr88.2，Hr10.4，Or0.3，Nr0.6，Sr0.5，Wy1.0，Ag0.2。已知助燃空气在燃烧前预热到200，求实际助燃空气量；燃烧产物的体积、组成和密度；实际燃烧温度。思路 解：.燃料组成换算燃烧计算应按燃料的实用组成来进行，因此，需将可燃组成换算成实用组成。按表1-2-2的换算系数，先将Ag换算成Ay，再换算其它成分：同理可算得： Hy=10.28%；Oy=0.296%；Ny=0.592%；Sy=0.494%。则AyCyHyOyNySy=（0.19887.1410.280.2960.5920.494）%=100%.计算助燃空气 理论空气量按式（2-28）计算设此条件下选用高压重油喷嘴，其空气消耗系数由表1-2-7查得，取n=1.2，则实际空气需要量为：Ln=nL0=1.210.5=12.6m3标准kg-1.燃烧产物量 根据式2-29a和表1-2-8计算燃烧产物各成分的体积.燃烧产物组成.燃烧产物密度 按式（10-33）.重油的发热量 按式（10-11）为QDW =339Cy1030Hy109（OySy）25Wy=33987.14103010.28109（0.2960.494）251=40125.44kJkg-1.燃烧温度的计算 由式（1-2-40）计算燃烧产物的理论热含量I由于重油温度不高（常温）Qf可忽略不计；助燃空气预热至200，其物理热Qa按下式（1-2-42）计算，由附录查得，200时，干空气的平均比热Ca=1.306kJ(m3)-1。则Qa=LnCata=12.61.306200=3291.12kJkg-1重油Qa值也可按VL%=100%的那条线，从I-t图查得。于是，燃烧产物的理论热含量根据I和VL%由I-t图查得 tth=1940。若取炉温系数=0.75，则实际燃烧温度为tc.p=tth=0.751940=1455燃料的燃烧与燃烧器燃料的燃烧是急剧的氧化过程，并伴着放热和发光。燃料燃烧的必要条件是供给足够的助燃空气和加热到着火温度。（各种燃料的着火温度见表1-2-12）表1-2-12 各种燃料的着火温度/木柴烟煤无烟煤焦碳重油高炉煤气焦炉煤气发生炉煤气天然气300400500600700700580530500530530燃烧过程指燃烧与助燃空气混合、经加热着火、最后进行燃烧反应的过程。动力燃烧当燃烧过程受加热和燃烧反应速度的限制时的燃烧。扩散燃烧燃烧过程受混合速度限制时的燃烧。完全燃烧燃烧后不剩有可燃物。不完全燃烧燃料燃烧后产物中还含有可燃物的燃烧。10.2气体燃料的燃烧及烧嘴10.2.1燃气燃烧过程 燃气和空气的混合、混合后的可燃气体的加热和着火理论研究表明，燃气的燃烧反应机理是属于支链反应。氢气的燃烧反应是典型的支链反应，其反应过成如下：氢在高温下分解产生活性氢原子，即H2HH活性氢原子是支链反应的基础，它与氧分子碰撞产生活化氧原子和氢氧基，由其支链反应可知，一个氢原子能产生三个新的氢原子分别参与反应时产生九个氢原子。这样的结果，大大加速了燃烧反应的速度，且温度愈高，燃烧反应的速度愈快。10.2.2 燃气燃烧方法 有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧。10.2.3 燃气燃烧器 有焰烧嘴、无焰烧嘴。.有焰烧嘴 有焰燃烧所用的燃烧器称为有焰烧嘴。常用的有焰烧嘴有套管式烧嘴、低压涡流无焰烧嘴式烧嘴、扁缝涡流式烧嘴、环缝涡流式烧嘴等同。.无焰烧嘴目前工业上应用的无焰烧嘴多为喷射式烧嘴。它是以燃气作为喷射介质，按比例吸入助燃所需的空气，并在混合管道内充分混合，而后喷射燃烧。其结构示意图如图1-2-5所示。10.3 液体燃料的燃烧与烧嘴工业生产使用的液体燃料主要是重油。在组织重油燃烧时，预先应进行加热、加压和过滤处理。1、燃烧过程 重油雾化为油雾，油雾与空气混合，混合物加热到着火温度，再进行燃烧反应。在工业炉正常生产的过程中，重油燃烧的好坏，主要取决于重油的雾化和油雾与空气的混合。近些年来，为了强化油的燃烧过程，节约燃料，将一部分水加入到油中，经乳化使之成油水乳化液，然后经过油喷嘴燃烧。工业实践表明，在油中掺水率1030%的，可节油1020%，掺水量过多，由于水分过多地吸收热量而降低重油燃烧的效果。在油掺水乳化燃烧时，应采取低氧烧燃，即空气消耗系控制在1.021.05为好。2、重油烧嘴 燃烧重油的装置 对重油烧嘴的基本要求是：具有一定的燃烧能力，并有较大的调节范围；使重油乳化较好，并与空气进行混合；燃烧过程便于调节；结构简单，工作可靠，维修方便。重油烧嘴的形式很多，常用的有低压油烧嘴、高压油烧嘴和机械油烧嘴以及转杯式油烧嘴。燃油烧嘴分类概况及特点见表1-2-15。类型型号举例雾化理论特点及使用范围低压油烧嘴C型、K型、RK型、LDB型等利用低压空气使油雾化用一般的离心风机就能满足其压力要求，运行费用较低，燃烧过程易调节，噪声小；燃烧能力小，空气预热温度较低。广泛适用于小型炉子高压油烧嘴GZP型、GW型、GN型、LK型等利用蒸汽或压缩空气冲击油股使油雾化结构紧凑，燃烧能力和调节比较大，雾化较好，空气预热温度较高；运行费用较高，噪声大，点火比低压烧嘴难。适用于大型熔炼炉、加热炉、回转窑等机械式油烧嘴S2、S5利用高压油通过切向槽和旋流室时产生强烈旋转，再经喷孔喷出，因离心力的作用而被雾化结构紧凑，燃烧能力大，操作方便，噪声小，不需雾化剂；雾化质量差。适用于锅炉、回转窑等转杯式油烧嘴ZBF油受高速旋转杯离心力作用及一次空气摩擦冲击作用而被雾化雾化较好，管路简单，对油品适应广；设备笨重，构造复杂，噪声大。只用于锅炉、热处理炉和某些有色熔炼炉等10.4 固体燃料的燃烧根据国体燃料在燃烧过程中的运动方式不同，固体燃料燃烧的方法有层状燃烧、喷流燃烧、旋转燃烧和流态化燃烧。这里仅介绍前面两种燃烧方法。1、块煤的层状燃烧指在燃烧室的炉栅上放上具有一定厚度的块煤层，与由下部鼓入的空气进行燃烧的过程，是扩散燃烧过程；如图1-2-6所示。图1-2-7为沿煤层高度上燃烧时，气体成分的变化。炉栅的面积可按下式计算： (10-43)式中：F炉栅面积，；B燃烧室燃煤的消耗量，kgh-1；RA炉栅强度，kg（m2h）-1。燃烧室空间大小可按下式计算： （10-44）式中 V燃烧室空间的容积m3；QDW煤的低发热量，kJkg-1；B燃烧室煤的消耗量，kgh-1；qV燃烧室的容积热强度，kJ（m3h）-1，其数值可从有关设计手册选取。2、粉煤喷流燃烧 将粒度为0.200.70mm的粉煤用空气喷到炉内，使其在运动的过程中进行燃烧，它与煤气的燃烧相似，具有明显轮廓的火焰粉煤燃烧器 粉煤燃烧器的型式种类很多。按喷出口断面形状可分为圆型和扁