材料工程第三章.ppt

3.1燃料的性质3.2燃料燃烧计算3.3燃烧过程的基本理论3.4固体燃料燃烧技术,3燃料及其燃烧,3.1燃料的性质,3.1.1燃料的种类和组成3.1.1.1燃料的种类,液体燃料,石油,汽油,煤油,柴油,常压渣油,减压渣油,裂化煤气,裂化汽油,裂化渣油,重油,3.1.1.2燃料的组成及表示方法1固体和液体燃料的组成（1）元素分析法用元素表示燃料组成的分析方法,C,C、H、O、N、S、A、M,元素分析中的O、N、S、M、A均为燃料的有害成分,灰分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3,(2)工业分析法,燃料中的碳氢化合物V，燃料着火温度低，燃烧速度快，燃烧火焰长,FC，燃料发热量高,空气干燥基:是指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成，角标“ad”表示。,2固体和液体燃料组成的表示方法,收到基:实际使用的燃料的组成，用下角标“ar”表示。,Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+Mar%=100,Cad%+Had%+Oad%+Nad%+Sad%+Aad%+Mad%=100,将煤样在20和相对湿度70%的空气下连续干燥1小时后质量变化不超过0.1%,干燥基：绝对干燥的煤的组成，用下角标“d”表示。,干燥无灰基：无水无灰煤的组成，用下角标“daf”表示。,不受燃料在开采、运输和贮存过程中水分变动的影响。,不受燃料在开采、运输、冼煤和贮存过程中水分、灰分变动的影响。,Cd%+Hd%+Od%+Nd%+Sd%+Ad%=100,Cdaf%+Hdaf%+Odaf%+Ndaf%+Sdaf%=100,M,O+N,H,C,S,A,收到基,空气干燥基,干燥基,干燥无灰基,燃料组成的换算系数,1,1,1,1,注：适用于除水分以外的各种成分及高发热量的计算,例：已知Cad、Mar、Mad，求Car,【例】已知煤的干燥无灰基组成（）为：CdafHdafOdafNdafSdaf80.26.111.61.40.7收到基时水分Mar=3.5，干燥基时灰分Ad=8.2求：收到基时Car的百分含量。,【解】由于三个基准不能同时转换，因此分两步进行计算：,（1）先由Cdaf换算成Cd（%）,（2）再由Cd换算成Car（%）,3气体燃料的组成及表示方法,不可燃成分N2、CO2、SO2和H2O等,换算,3.1.2燃料的热工性质及选用原则,3.1.2.1发热量（热值）1、燃料发热量的基本概念,燃料的发热量（热值）：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，单位为kJ/kg（kJ/Nm3）。,注：实际燃烧时，温度很高，燃烧产物中的水蒸气均以气态存在，不可能凝结成水而放出汽化热，故燃烧计算中应以燃料收到基低位发热量为基准。,水的气化热约为2500KJ/Kg,不同基准时，高位发热量的转换参考表4-1，低位发热量的转换参考表4-6。,对于气体燃料，1Nm3干气体燃料燃烧后生成的水量为：,2燃料发热量的计算,（1）用专门的量热计测定优点：结果比较精确缺点：测定过程比较复杂，且需特定的设备，一般工厂不易进行。固体、液体燃料的发热量氧弹量热计气体燃料的发热量气体量热计氧弹发热量-高位发热量=燃烧产物中的SO3和N2生成硫酸与硝酸的热效应（2）根据燃料的组成计算按经验公式计算,（1）固体和液体燃料发热量的计算,根据元素分析计算Qnet，ar=339Car+1030Har-109（Oar-Sar）-25Mar,根据工业分析计算,无烟煤（Vdaf10）；Qnet，ad=K0-360Mad-385Aad-100Vad,K据Vdaf=aVdaf-bAd查表4-7a和b值与煤的干燥基灰分有关，见表4-8,烟煤（Vdaf10）；,Qnet，ad=100K1-（K1+25.12）（Mad+Aad）-12.56Vad,据Vdaf及焦渣特性查出，见表4-9,（2）气体燃料发热量的计算,Qnet=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+637C2H6+806C3H6+912C3H8+1187C4H10+1460C5H12+232H2S,标准煤：Qnet，ar=29300kJ/kg标准油：Qnet=41820kJ/kg标准气：Qnet=41820kJ/kJ,3标准燃料,便于产品的燃料消耗的比较,换算：,【例】某厂使用煤的工业分析为：MadMarAadVad2.7110.0523.2026.41焦渣特征为5，这种煤折算为标准煤是多少？,【解】计算Vdaf,查表得K1=339，代入公式：,换算为收到基低位热值：,KJ/Kg,1t煤折算成标准煤为：,1固体燃料的热工性质（）挥发分,3.1.2.2燃料的其他热工性质,测定：在隔绝空气的条件下，将一定量的煤样在温度900下加热7分钟，所得到的气态物质（不包括其中的水分）。组成：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。,含量一般为：,挥发物含量，火焰长，着火温度，易着火。,（2）结渣性：煤燃烧后的残渣是否粘结的特性。,*与煤中灰分组成有关当灰分中SiO2、Al2O3含量多，灰分软化温度高；当灰分中FeO、Na2O、K2O等含量多，灰分软化温度降低。*灰分软化温度与燃烧时的气氛有关：在氧化性气氛中，FeO氧化成Fe2O3和Fe3O4，与SiO2形成软化温度高的硅酸盐质灰分；在还原性气氛中，Fe2O3被还原成FeO，FeO与SiO2形成软化温度低的硅酸盐质灰分。,*三角锥法：将煤灰粉末制成小三角锥（边长7mm，高20mm），放在底座上，送至炭粒电炉中，按规定速度升温，当角锥顶部尖端开始变圆或弯曲时变形温度（DT）；当三角锥尖端弯倒至底座平面时软化温度（ST）；当三角锥熔融在底座平面上时熔化温度（FT）。ST判断燃料是否易结渣；FT判断煤种是否能液态排渣结渣性可定性分为强、中、弱，对于结渣性强的煤，在燃烧过程中，操作较困难，燃烧不稳定，且灰渣中易带走未燃的燃料，使机械不完全燃烧损失增加。,（3）水分：煤中应存在少量水分（8），但不宜太高。水分存在，降低发热量，不利于着火，使炉温降低，增加烟气带走的热损失，且会腐蚀金属管道及设备。（4）可燃硫：一般要求硫含量小于1（5）氯：结皮现象：生成低熔点的氯化物，且会形成酸雾，腐蚀金属管道及设备。,2液体燃料（重油）的热工性质,（1）粘度：影响重油的装卸、存贮、过滤、输送及雾化。重油常用的粘度标准是以恩氏粘度（0E）来表示。恩氏粘度测定：在测定温度下油从恩格斯粘度计中流出200ml所需的时间（秒）与20蒸馏水流出200ml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。,热值、硫分,（2）闪点、燃点、着火点：重油的重要性能指标，它们关系到用油的安全技术及燃烧条件。闪点：当有火源接近时，出现蓝色闪光，此时的油温；燃点：用火源接近油表面里蓝光闪现后能持续燃烧（不少于5秒）；着火点：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，发生自燃，此时的油温。燃油的闪点与组成有关：油的密度越小，闪点越低。闪点的测定方法：开口杯法（油表面暴露在大气中）闪点较高的油类闭口杯法（油表面封闭在容器内）闪点较低的油类,（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。,（3）凝固点：当油类完全失去流动性时的最高温度。一般随蜡及水的含量的增加而提高，我国生产的重油的凝固点一般为3045，原油的凝固点在30以下。,值见书P233表4-11,重油的体积膨胀系数值与密度的关系,（6）水分：降低燃料的发热量，产生“汽塞”现象，使燃烧火焰不稳定，要求油中含水量在2以下。注意：燃油掺水与重油含水是两个不同的概念。,（7）机械杂质：易磨损油泵及导致管路或喷嘴堵塞。,（5）比热：随密度增加而减少，随温度增加而增大。,我国规定的重油质量标准,3气体燃料的热工性质,（）煤气的分子量和密度,煤气在t、p（Pa）时的密度（Kg/Nm3）,（）煤气的平均比热：c=0.01xiciCi见表4-13,煤气在标准状态下的密度（Kg/Nm3）,煤气的分子量Mgas=0.01xiMgas，i,3.1.2.3燃料的选用原则,来源充足，保证供应，能满足生产需要。,1从我国燃料资源的实际出发，根据国家当前的能源政策选用燃料。应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，并设法采用低质、劣质燃料。,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。,3.1.3硅酸盐工业常用燃料,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130017000kJ/kg。用途：制造煤气,3.1.3.1硅酸盐工业用固体燃料,2烟煤,性质：挥发物1045，固定碳3575，灰分730；水分318；发热量2100029000k/kg；着火温度400500。用途：适合于水泥回转窑作燃料。,无烟煤,性质：含固定碳高，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2500029000kJ/kg；着火温度较高（一般为650700）。用途：适用于水泥立窑作燃料。,劣质固体燃料：发热量低于12600kJ/kg的煤。用途：可以同优质燃料搭配使用，有的可作为原料与配制生料。,3.1.3.2硅酸盐工业用液体燃料,液体燃料：石油及石油加工产品。硅酸盐工业用：重油。,3.1.3.3硅酸盐工业用气体燃料,硅酸盐工业用:天然气、液化石油气和发生炉煤气。,3.2燃料燃烧计算,3.2.1计算的内容及基本概念3.2.1.1计算内容目的：为了设计窑炉的需要；为了操作窑炉的需要。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、烟囱计算的依据（3）烟气成分的计算：通过空气系数判断燃烧操作情况（4）燃烧温度的计算：分析影响因素，改进燃烧条件，提高燃烧温度,3.2.1.2基本概念1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（22.4Bm3/Kmol）（3）计算温度的基准点是0（4）空气看成由氧气和氮气组成体积比：O2：N221：79,2、几个基本概念（1）完全燃烧与不完全燃烧,不完全燃烧的危害,造成燃料损失,降低燃烧温度、影响炉内气氛、影响产品质量,（2）过剩空气系数,影响过剩空气系数的因素：燃料的种类,燃料燃烧前的加工状态,燃烧设备的构造和操作方法,实际空气量Va与理论空气量Va0的比值：,COQQ1，则：,（四）影响燃烧温度的因素1燃料的发热量或产热度1，tf=ta=0条件下的理论燃烧温度称为产热度，即：,2燃料和空气的温度由公式可知：tf，ta，tL。,3、过剩空气系数，空气量不足，tL；，过剩空气量大，tL,4燃烧速度与散热损失Qs=KAt燃烧速度快，散热时间短，燃烧温度高；散热面积大，散热速度快，燃烧温度低；火焰与周围环境的温度差大，散热系数大，燃烧温度低加强窑炉保温，减少散热损失，燃烧温度高。5氧气浓度O240%，O2，tL，成本6、烟气的体积V,3.3燃烧过程的基本理论,概念可燃物质组成：可燃气体、固定碳燃烧：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随着有强烈的发光现象。燃烧的两种类型：1、普通的燃烧；2、爆炸性燃烧。燃烧条件：燃料、空气、着火温度,3.3.1着火温度燃烧过程两个阶段：“着火”及“燃烧”着火温度：由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应的瞬间，转变时的最低温度。着火、燃烧过程：热源燃料局部被加热、引燃传热给周围的燃料温度升高到着火温度周围燃料持续燃烧影响着火温度的因素：燃料性质、散热条件,Q放或Q散,温度T，K,Q放,Q散,Q散,Q散,A,B,C,T0,TA,T0,TC,T0,TB,着火点,3.3.2着火浓度范围,概念：气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限。影响因素：混合物温度，着火浓度范围气体燃料组成：着火浓度范围随燃料组成变化而变化着火浓度范围计算,3.3.3固态碳的燃烧,3.3.3.1固态碳的燃烧机理反应机理一C+O2=CO2（一次反应）CO2+C=2CO（二次反应）反应机理二2C+O2=2CO（一次反应）2CO+O2=2CO2（二次反应）,=mCO+nCO2,xC+yO2=CxOyCxOyCxOy+O2,m、n与温度有关9001200：4C+3O2=2CO+2CO21450以上：3C+2O2=2CO+CO2C的燃烧过程：,反应机理三：,3.2.3.2固态碳的燃烧速度,表面温度1000时，为扩散燃烧,化学反应速度：,扩散速度：,平衡时碳的燃烧速度：,燃烧速度VC：单位时间内单位表面积燃烧的炭量。,m的数值在0.3750.75范围内变化：当燃烧产物中只有CO时，m=0.75;当燃烧产物中只有CO2时，m=0.375.,低温时，约800以下，化学反应速度系数非常小：,当温度位于8001000时，扩散速度与化学反应速度相差不大：,动力燃烧区,扩散燃烧区,高温时，约1000以上，扩散速度系数非常小：,过渡区,复杂,3.3.4可燃气体的燃烧,可燃气体的燃烧按链锁反应的方式进行的。H、O、OH等为连锁反应刺激物，是反应进行的必要条件生成连锁刺激物的反应如下：H22HO22OH+O2OH+OO+H2OH+H,3.3.4.1氢的燃烧,速度最慢,3.3.4.2一氧化碳的燃烧,H和OH为链锁刺激物,连锁反应过程,总反应2CO+O2+H2C2O+H,氢气和水气所产生的刺激物H、OH可加速一氧化碳的燃烧,3.3.4.3气态烃的燃烧,CH4的连锁反应过程,总反应：O活性原子为链锁反应的刺激物O+CH4+2O22H2O+CO2+O气体燃烧特点：延迟着火混合并加热到着火温度之后，要经过一定的感应期，才能迅速燃烧,3.3.5火焰传播速度,火焰传播燃烧焰面不断向未燃气体移动的现象称为火焰的传播（扩散）现象火焰传播速度单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积。方向与焰面垂直，又称为法向火焰传播速度。获得稳定火焰的条件：流速与火焰传播速度大小相等、方向相反影响火焰传播速度的因素：混合物的组成、温度、压力、水分及燃烧管道的尺寸等,可燃气体的含量与火焰传播速度之间的关系A、H2的火焰传播速度比甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）大的很多，因H2的导热系数远大于后者；B、存在着火焰传播的极限值；C、空气过剩系数接近于1而略小于1时，速度最大；D、提高气体混合物的温度、增加燃烧管的尺寸、减少燃烧的热损失，均能使邻近的可燃气体较快地达到着火温度而燃烧，从而提高火焰传播的速度。E、回火与脱火,几种可燃气体组成的可燃气体，其最大法向火焰传播速度,见图4-6,见例4-9,3.4.1固体燃料的燃烧过程,3.4固体燃料燃烧技术,准备阶段：燃料的干燥、预热和干馏,燃料,干燥（110，物理水）,预热升温,干馏400,分解,挥发物,焦炭,Vt,准备阶段，燃烧尚未开始，基本上不需要空气，是吸热过程，一般希望准备阶段越短越好。,燃烧阶段：挥发物和焦炭的燃烧。,挥发物：主要是C、H化合物，比焦炭易着火，先于焦炭着火燃烧。决定着火温度。,焦炭：主要燃质，是燃烧过程中放出热量的主要来源。,保证：要保持较高的温度条件，供给充足的空气，并且要使空气和燃料很好地混合（高温、富氧）。,燃烬阶段（灰渣形成阶段）,固体燃料所特有的,保证：高温，一定时间（粉状可缩短时间）,层燃燃烧法,粉煤喷流燃烧法,3.4.2层燃燃烧,3.4.2.1层燃的燃烧过程,层燃：把煤块放在炉篦上堆成一定厚度的煤层进行燃烧。,燃烧过程：,新燃料层加入燃烧室时,开始处于燃料层表面,随后由于燃烧的进行逐渐下沉,自上而下依次进行准备、燃烧和燃烬三个阶段，完成燃烧过程。,还原层：CO2+C2CO,主要与燃料粒度大小、挥发分和灰分多少及燃烧层温度高低等因素有关,层燃燃烧的三项主要操作：加煤、拨火和除渣。,按机械化程度：机械化燃烧室半机械化燃烧室人工操作燃烧室,一次空气,炉篦,灰渣层,焦碳层,新燃料层,火焰,3.4.2.2层燃的方式,在燃料层中，发生氧化放热反应：,C+O2CO2+热量2C+O22CO+热量2CO+O22CO2+热量,1直火式（完全燃烧式）,直火式层燃的特点：,（1）燃料层薄,（2）一次空气量充足：占总空气量的85%90%左右,（3）燃烧室空间大：供挥发物及细煤粒燃烧,2.半煤气式,半煤气层燃的特点：,（4）燃烧室空间小：温度约10001100的半煤气产物去窑炉与二次空气混合后燃烧。,（1）燃料层较厚：为直火式的23倍，,（2）一次空气量不足：占总空气量的40%70%；,（3）燃料层内的温度比直火式低：氧化层内约为1200；,半煤气的成分：,CO7%20%；H25%12%；CH402%；N250%60%；CO210%15%；Qnet,ar25004000kJ/Bm3,3.全煤气式(固体燃料的气化),全煤气式层燃的特点：,（1）燃料层厚度为直火式三倍以上，一次空气不足，二次空气为零，燃烧产物中可燃气体占35%48%；（2）将煤制成煤气，易满足窑炉内火焰的气氛和温度要求，燃烧温度较直火式、半煤气式温度高；（3）劳动条件好，环境污染少；（4）可使用劣质煤，燃料费用低。,氧化层：厚度与直火式基本相同,3.4.2.3层燃燃烧室,1人工操作燃烧室,（1）水平炉栅燃烧室,工作过程：如图。,设混合室的人工操作水平炉栅燃烧室1炉膛；2看火孔；3加煤口；4清灰门；5灰坑；6炉栅；7冷风门；8混合室；9挡火墙；10喷火口；11回转烘干机,炉栅（炉篦）的作用：用于支撑燃烧的燃料层；并使一次空气均匀的穿过燃料层；灰渣从炉栅孔排出。,炉栅的有效面积：通风孔隙的总面积,有效面积与炉栅总面积的比：,自然通风：2025%机械通风：710%,炉栅的通风空隙的大小和多少，对通风的均匀性及燃烧室的操作有很大的影响。,人工加煤燃烧室的炉条（a）（b）梁式炉条；（c）（d）板式炉条；,（2）倾斜炉栅燃烧室,炉栅由阶梯倾斜炉条和水平炉条组成，炉栅的倾斜角度约3050。,（1）着火条件好，对燃料的适应性强，设备简单，金属耗量少。（2）加煤、拨火、清灰等操作全靠人工进行，劳动强度大，煤的不完全燃烧损失大，过剩空气系数大（=1.31.7），炉温呈周期性波动，因此热效率低，燃烧不稳定,工作过程：如图。,倾斜炉栅燃烧室1-炉膛；2板状炉条；3梁式炉条；4水池；5，8横梁；6加煤口；7抽砖（清灰用）,人工操作燃烧室的特点：,2机械操作燃烧室,（1）回转炉栅燃烧室（链条炉）,主要结构部件：一条无端的链状炉栅,工作过程：借助炉栅的回转作用进行加煤、拨火及除渣的操作。如图：,回转炉栅燃烧室中燃烧过程示意图新燃料干燥预热区；挥发物逸出、燃烧区；a焦炭燃烧氧化区；b焦炭燃烧还原区；灰渣燃烬区,燃料是在随炉栅不断运动过程中依次进行干燥、预热、着火、燃烧和燃烬等过程的。,（2）倾斜推动炉栅燃烧室,主要结构部件：倾斜推动炉栅,工作过程：借助炉栅的推动作用进行加煤、拨火及除渣的操作。,水平炉栅：供灰渣燃烬之用,活动炉条的往复运动使煤沿炉栅而缓缓地向炉栅下端移动中依次进行干燥、预热、燃烧和燃烬过程。,3.4.2.4层燃燃烧室的计算,1.燃烧室的热力强度,炉膛容积热力强度qV,燃烧室炉栅面积热力强度qF(kW/m2),炉膛容积热力强度qV一般为290350kW/m2。燃用烟煤时可取低值，而燃用无烟煤时可取高值。,2.燃烧室的计算步骤,（1）确定燃烧室发出热量或燃煤量；需考虑燃烧室的热效率。,（2）按要求选择燃烧室的型式：,燃煤量0.3-1.0m,3.4.3喷燃燃烧,优点：,燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。,喷燃：把块煤磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。,回转窑内的喷燃,3.4.3.1煤粉的制备,比较：（1）球磨的结构简单、操作可靠、对煤种的适应性好；（2）立式磨设备体型小，系统简单、噪音低、单位电耗低、但不宜磨硬质煤。,HRM立式磨,球磨机,比较：,（1）直吹式,特点:流程简单，占厂房面积小，动力消耗也较低；但煤磨与窑互相牵制，两者的操作要很好的配合，煤磨往往不能满负荷运转。,特点:煤磨操作不受窑的干扰，可额定负荷下运转，粉磨效率高，较易控制，且煤粉细度较稳定，但该系统需要较多的设备和较大的厂房，风管流体阻力比直吹式系统大。,3.4.3.2煤粉的燃烧过程,煤粉随空气喷入窑炉或燃烧室后呈悬浮状态，煤粉一边随气流流动，一边依次进行干燥、预热、挥发分逸出及燃烧、焦炭粒子燃烧及燃烬等过程。,1燃烧过程：,煤粉在窑内燃烧形成火焰过程示意图,2煤粉喷燃时的注意事项,（1）一、二次空气的比例要合适,（3）控制适当的过剩空气系数,（2）恰当的一、二次空气的温度,（4）控制合适的一次风喷出速度,一次风速：黑火头长，一次风速过大，产生离焰，甚至“熄火”；一次风速：产生“回火”。,黑火头：煤粉和空气的混合物从烧嘴喷出到着火燃烧所走过的轨迹。燃焰：着火以后，炽热的炭粒所走过的轨迹。,一般回转窑：W一次=4080m/s,一次风速对火焰长度的影响：,（8）炉膛空间的大小和形状要适当,（5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉,（6）保持较高的炉膛温度炉内温度高，煤粉燃烧速度快，才能保证燃烧在炉内基本燃烬。（7）使用合适的煤粉烧嘴合适的煤粉烧嘴能加强风煤混合，加速燃烧。,煤粉细