燃料及其燃烧过程与设备.doc

第三章 燃料及其燃烧过程与设备硅酸盐制品需要消耗大量的热量。热量的来源：1、燃烧燃烧产生，即化学能转化为热能。资源丰富，但价格低廉2、以电为热源，即电能转化为热能。效率高，但相对短缺。 目前硅酸盐行业热源以燃烧为主。第一节 燃料的种类及组成燃料：在燃烧过程中能过发出热量并能利用的可然物质燃料的种类按状态分：固体燃料：木碳，煤等。其中煤又分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。 液体燃料：石油及其制品。气体燃料：天然气、人造煤气。 按来源分：天然原料：人工原料：一、固体燃料：（一）煤的种类及特点： 按国家标准，分为三类:褐煤、烟煤、无烟煤1). 褐煤：外观褐色，光泽黯淡。水分含量高，热值低，密度较小，含氧量高，化学反应强，极易氧化和自然。常作为加压气化燃料，锅炉燃料2). 烟煤：挥发份含量高、灰分及水分较少，发热量高。可划分贫煤、焦煤、气煤3). 无烟煤：挥发份含量低，燃点较高，燃烧时没有粘结性。（二）、固体燃料的组成及换算 ：常用两种表示方法：（1）元素分析法：C、H、O、N、S、A （灰分） 、M（2）工业分析法：挥发分（V）、固定碳（FC）、A、M1、元素分析法： C、H、O、N、S、A、MC：煤中含量最多的可燃元素，一般含量为15-90%以两种形式存在：碳氢化合物：碳与氢、氮、硫等元素结合成有机化合物碳呈游离状态:H、可燃元素，一般含量为 3-6%以两种形式存在：化合氢（H2O)：与氧化合成结晶水形式(不可燃 ）自由氢：与化合物组成的有机物，如CnHm(可燃） O：不可燃元素，一般含量不等。它可与其它可燃物形成氧化物 N、煤中惰性气体含量为0.5-2%，在高温下与氧形成有害物质NOx,污染大气S：含量小于5% 以三种形式存在：有机硫：与碳氢化合物结合在一起硫化物中硫：主要存在于FeS2硫酸盐中硫：存在于各种硫酸盐中（CaSO4 , FeSO4 硫为有害物质。S+O2=SO2 、 SO2+O2=SO3 SO2+H2O=H2SO3 、 SO3+H2O=H2SO4 A：煤燃烧后的产物，为有害物质，降低煤的发热量，造成不完全燃烧损失。主要产物为：SiO2 、AlO3 、FeO3 、CaO、 MgOM：不可燃物质。水分含量增加即降低可燃物质的含量，也降低煤的发热量煤中水分以两种形式存在：外在水分（表面水分）：机械的附在煤表面的水分。经风干及外界条件变化可出去的水分。内在水分（固有水分）：达到风干后煤中残留的水分。（包括化学吸附水和结晶水）同种煤的组成成分是波动的，在表明煤的组成时，必须说明选用的基准。常用煤的基准：（1）收到基(应用基)（2）空气干燥基（分析基) （3）干燥基 (干燥基)（4）干燥无灰基（可燃基）1）收到基（应用基） ：以实际使用的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 收到基 （应用基）收到基水分Mar有两种：外在水Mar.f和内在水Mar.in2）空气干燥基（分析基 ）： 以实验室使用的风干煤样（用温度为20，相对湿度为70%的空气）为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 空气干燥基分析基 （3）干燥基（干燥基）： 以无水的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 干燥基干燥基（4）干燥无灰基（可燃基 ）：以无水、无灰的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。干燥无灰基（可燃基 ）各种基之间的转化例如：收到基与空气干燥基之间的转换。 设：已知Cad、Mar、Mad ，求 Car 。解：取100kg收到基煤为基准，相当于空气干燥基煤为：(100Mar.f)(kg)二者含碳质量相等：收到基含碳质量=空气干燥基含碳质量即：2、工业分析法：挥发分（V）+固定碳（FC）+A+M=100%工业分析规程：煤在隔绝空气的条件下加热，随温度升高发生的变化：100150：外部水分蒸发200450 ：碳氢化合物分解释放出可燃气体（CH4、H2、CmHn）。矿物结晶水逸出 -850 ：气体挥发停止10001100 ：完全停止一切气体逸出，残留下固体焦炭.二、液体燃料分类：天然原料：石油 人工原料：重油常用表示方法： 与固体的元素分析法(C、H、O、N、S、A 、M)相同三、气体燃料：工业上常用的气体燃料： 高炉煤气、发生炉煤气和天然气组成：用体积百分数来表示。 两种表示方法：干基：不含水蒸气；湿基：含有水蒸气。 气体燃料组分：CO 、H2 、CH4 CmHn、CO2、 O2等干基： (新国标） COd +H2 d+CH4d+ CmHnd、+ CO2 d+ O2d =100%（旧国标）COg +H2 g+CH4g+ CmHng、+ CO2 g+ O2g =100%湿基： (新国标）COv+H2 v+CH4v+ CmHnv、+ CO2 v+ O2v +H2Ov=100% （旧国标）COs +H2 s+CH4s+ CmHns、+ CO2 s+ O2s + H2Os=100%干基与湿基二者的换算关系： 第二节 燃料的热工性质及选用原则一、发热量：1、固体、液体的发热量（1）定义：单位质量的燃料完全燃烧时所放出的热量。 单位：kJ/kg煤高位热值Qgr.ar(QGW)：燃烧产物中的H2O已经冷凝为0的液态水。低位热值Qnet.ar(QDW)：燃烧产物中的H2O为20的水蒸汽。注：热值的组成与煤的组成相对应，分为应用基、分析基、干燥基、可燃基热值（2）高位热值Qgr.ar与低位热值Qnet.ar的关系例： Qgr.ar 与Qnet.ar 的转换设:1kg应用基煤中，含水分Mar/100 kg, Har/100 kg1kg固燃料生成的水量为：n 而1kg0的液态水变为20的水蒸汽所需要吸收的热量为2500 kJ/kg +忽略项:Cp(20-0) kJ/kg 同理n 不同基准时，高位热值之间的转换参见表41。n 低位热值之间的转换参见表44。 （3）、热值的测定与计算测定：固体燃料热值的测定通常采用氧弹量热仪计算：采用一些给定的经验公式。n 元素分析法的经验公式：nn 工业分析法公式，参见教材229页（4-9，4-10）。 标准燃料的概念n 规定: 热值为29300kJ/kg（约合7000kcal/kg）的煤为标准煤。热值为41820kJ/kg（约合10000kcal/kg）的煤为标准油。n 衡量工业用能源数量的多少通常看是消耗了多少标准煤。 2、气体燃料的发热量：（1）定义：单位体积的燃料完全燃烧时所放出的热量。单位：kJ/Nm3 气体燃料也有高位热值Qgr、低位热值Qnet之分：标准燃料的概念规定: 热值为41820kJ/kg（约合10000kcal/kg）的气体为标准气。二、其它热工性质1、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下加热7min，所得到的气态物质（不包括其中的水分）组分：含矿物结晶水、挥发性成分和热分解产物 煤中挥发物含量影响燃烧的火焰长度及着火温度。一般的：挥发物含量高时火焰长，着火温度低，易着火（2）煤的粘结性 指粉碎过的煤粒在规定条件下干馏成焦，煤粒或与外加物相粘结的强度。 粘结性强的煤：易结大块； 粘结性弱的煤：易堵塞炉栅。二、液体燃料（硅酸盐行业主要用重油性质）重油性质（1）粘度：（2）闪点、燃点、着火点、凝固点闪点：当油被加热到一定温度时，表面挥发逸出蒸汽。 当火焰接近时，油类会出现短暂的兰色亮光，此时油温为“闪点”。燃点：油温继续提高至点燃后连续不熄，此时油温为“燃点”。着火点：油温升高至表面油蒸汽自燃起来,此时油温为“着火点”凝固点：油类完全失去流动时的最高温度为凝固点。（3）水分 含水分高，容易降低燃料的发热量，但燃烧时需要掺加少量的水，以利于重油雾化。（4）机械杂质：重油中的杂质，易堵塞油泵及喷嘴。（5）密度、比热容、导热系数(P233)。三、气体燃料：工业上常用的气体燃料：高炉煤气、发生炉煤气和天然气煤气的分子量和密度、平均比热分子量：标准密度：平均比热:三、燃料的选用原则基本原则：书上236 在能够满足工艺、确保产品质量的前提下，尽可能用低品位的劣质燃料。 第三节 燃烧计算一、基本知识1、计算目的与内容：1）为设计窑炉需要：已知：燃料的组成及燃烧的条件计算：燃料燃烧所需要的空气量、烟气生成量、烟气组成及烟气温度。从而设计燃烧室、管道空气烟道 2）为操作窑炉需要已知：燃料的组成及烟气成分计算：燃料燃烧所需要的实际烟气量、空气量、空气过剩系数、漏气量等，从而评价燃烧的操作水平。 2、计算方法：1）分析计算法（设计计算）：根据燃料的成分分析进行计算2）近似计算法：在燃料组分未知时，根据燃料的种类及发热量进行近似计算3）估算法：在燃料组分及发热量未知时，根据经验估算。4）操作计算（检测计算）3、几个基本概念：1）理论空气量（Va0 ）：理论上燃料中的可燃成分完全燃烧所需的空气量。2）理论烟气量（V0 ）：燃料与理论空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。3）实际空气量（Va ）：实际燃烧过程中所加入的空气量。4）实际烟气量（V ）： 燃料与实际空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。5）烟气组成（体积百分数）：烟气中各组成量与总烟气量的比值。 6）空气过剩系数（）：实际空气量与理论空气量的比值。 =1:空气供给恰好,烟气中无多余氧气1:空气供给过剩,烟气中有多余氧气1；还原气氛，1时)、烟气组成实际烟气量烟气组成量：2）气体燃料（1）、理论烟气量、烟气组成烟气成分:理论烟气量：（2）、实际烟气量(1时) 、烟气组成实际烟气量:烟气组成量：例题：P242：4-2;4-3（二）、近似计算法近似计算法：在燃料组分未知时，根据燃料的种类及发热量进行近似计算。书上： P245：4-15(三）、估算法：在燃料化学成分及发热量未知时，根据燃料种类进行经验估算。书上： P245：4-16（四） 操作计算已知：燃料的组成及烟气成分计算：燃料燃烧所需要的实际烟气量、空气量、空气过剩 系数、漏气量等，目的：评价燃烧的操作水平1、实际烟气量及空气量的计算方法：根据质量守恒定律， 即燃烧前后某种元素的总质量保持不变。用碳平衡计算烟气量：燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的C用氮平衡计算空气量：燃料中的N+空气中的N=烟气中的N氧平衡：燃料中的氧（包括水）+空气中的氧=烟气中的氧（包括水）例题： 4-5：取100kg收到基煤为基准，所产生干烟气量为vg，所需实际空气量为Va列碳平衡计算烟气量：燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的C生成水蒸气量湿烟气量=954+71.7=1026（Nm3/100kgfuel)用氮平衡计算空气量： 燃料中的N+空气中的N=烟气中的N2、空气过剩系数的计算方法：1、定义式法2、氧平衡法若令RO2为烟气中CO2和SO2的半分含量之和，VO20， VO20”分别为生成每立方米RO2和H2O的需氧量，过剩氧量为O2则理论需氧量为：则式中：3、氮平衡法：利用N平衡，则：同除以干烟气量Vn 固、液体燃料中的含氮量很少，可以忽略。此时烟气中的N2可以看成全部来自空气则： 若烟气中又有CO， 则：n 若灰渣中有C，此时真正过剩的O2应该再减去灰渣中的C燃烧所需要的O2。 若气体燃料中的含氮量很高，且干烟气中又有可燃成分时，3、漏入空气量的计算n 若考虑燃料的消耗量Qf（ kg/h或Bm3/h），则如图：例题4-6分析：取1Bm3燃料为基准，设所产生干烟气量为v，列碳平衡计算烟气量：燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的C三、 燃烧温度的计算燃烧温度：燃烧产物的温度计算基准：1kg或1Bm3燃料，温度为0或室温（20）列热量平衡：（一）人为定义的几种燃烧温度值1、量热计式燃烧温度tm条件：绝热，Ql=0；完全燃烧，Qml=Qch=Qas=0；无热分解，Qdi=0。 2、理论燃烧温度tth条件：绝热， Ql=0；完全燃烧，Qml=Qch=0 ，Qas=0；n 对于硅酸盐窑炉，通常其温度低于1600，CO2、H2O很少分解，Qd=0，此时3、实际燃烧温度tp考虑各种散热： n 通常认为，tp=tth，n 为窑炉的高温系数。即在计算中先求tm, 再求tp。（二）计算燃烧温度时应该注意的问题因为：c=f(tp)所以：计算时采用试算法先求tth再求tp。步骤：求出收入热量：Q=Qnet+Qf+Qa设定一个tth，从而可以查出对应的c， 得到Q1= Vc tth ，并使Q1Q再设一个小一点的tth”（一般取tth与tth”应该是两个相邻的温度间隔），从而可以查出对应的c”， 得到Q2= Vc”tth”，并使Q2Q可以认为，tth必定位于tth与tyh”之间，且从而可以求出tth。tp=tth，即可求出实际燃烧温度tp。P252: 4-7,（三）提高实际燃烧温度的途径选用热值高的燃料，即提高Qnet。选用合适当的空气过剩系数。n 若1时，由于Va过多，导致V过多，从而tp下降。因此，在保证完全燃烧的前提下，应该使较小。预热空气和燃料，使ta和tf增大。但由于预热燃料受到一些限制，因此主要是预热空气。减少各种散热损失。（四）空气预热温度的计算书上例题4-8第四节 燃烧过程的基本原理n 燃烧的定义：燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量，并伴有强烈的发光现象。n 普通燃烧：正常燃烧，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的燃烧传播。火焰的传播速度较小，几m/s，属于等压过程。n 爆炸燃烧：靠压力波将冷可燃物加热至着火温度以上而燃烧。火焰的传播速度大，10004000m/s，高温高压下进行。n 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。 着火温度：由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间叫“着火”，转变时的最低温度叫作着火温度。着火温度范围表