燃料燃烧-陈敏课件

耐火材料与燃料燃烧讲义,1,耐火材料与燃料燃烧,第11章燃料,11.1概述凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地利用在工业和其他方面的物质统称为燃料。燃料按其物态可分为气体燃料、液体燃料和固体燃料，按其获得的方法可分为天然燃料和人造燃料。表11-1给出了燃料的一般分类。,2,第11章燃料,11.1.1世界能源利用概况在世界燃料构成中，各种燃料的使用比例是不断变化的。18世纪60年代世界能源结构发生了第一次大转变，即从木材转向煤炭。到20世纪20年代世界能源发生第二次转变，即从煤炭转向石油和天然气。20世纪50年代，煤一度成为燃料的主角，之后其所占比重日益下降，而石油所占比重则日益增加。到20世纪80年代，石油已成为燃料中的主角。然而，由于现有能源的资源有限，特别是新的技术革命的兴起，促使新兴工业（电子和电脑工业、空间工业、海洋和生物工程等）蓬勃发展，将使世界能源结构经历第三次大转变，即从油、气为主的能源系统转向可再生的、分散的和多样化的能源。表11-2给出了专家们对世界能源情况及可使用年代的估计值。,3,第11章燃料,11.1.2我国能源工业现状和能源政策11.1.2.1能源产量迅速增长，需求压力依然很大经中华人民共和国成立后50多年特别是改革开放以来20多年的持续努力，我国能源产量逐步增加，供需矛盾有所缓解（见表11一3）。2003年，我国一次能源总产量16.03亿吨标准煤，约占全球能源生产总量的11%，是世界第三大能源生产国，其中煤炭16.67亿吨，位居世界首位；原油1.7亿吨，是世界第五大石油生产国；天然气350108m3，居世界第17位；水电2800 x108kwh，居世界第4位。2011年我国一次能源消费量达34.8亿吨标准煤。首次超过美国成为了世界第一大能源消费国。2011年我国能源生产构成中，煤炭占78.6%，石油占9.2%，天然气占3.9%，水电和核电占8.3。可见我国的能源结构以煤炭为主。2014年全国非化石能源发电量已占到25%左右（火电量占75%左右）,4,第11章燃料,11.1.2.2能源结构逐步优化，结构调整任重道远在我国一次能源消费中，煤炭消费比重由1990年的76.2%，下降到2003年的67.1%（2011年78.6%）；原油、天然气、水电等的比重分别由1990年的16.6%，2.1%，5.1提高到2003年的22.7%,2.8和7.4%，新能源和可再生能源开发进一步得到重视。与世界平均水平比较，我国一次能源消费结构中，煤炭比重过高，多年来保持在65%以上。在电力结构方面，水电占有一定比例，可开发潜力还很大；核电比重过小；燃气电站刚刚起步。同时，受天然气价格制约，竞争力不高；采用清洁煤技术的发电装机在煤电中的比例很小；风能、太阳能等新能源发电存在成本高、技术特性差等问题，大规模开发利用需要强有力的组织规划和政策支持。,5,第11章燃料,11.1.2.3能源技术水平不断提高，与国际先进水平仍有差距(1）煤炭工业。已具备设计、建设、装备及管理千万吨级露天煤矿和大中型矿区的能力，综合机械化采煤等现代化成套设备广泛使用，拥有了一批世界先进水平的大型煤矿。但与国际先进水平比较，我国多数煤矿规模小、生产技术水平低、装备差、效率不高。2003年我国平均单井产量约6万吨，采煤机械化程度仅45%，远低于国际先进水平。,6,第11章燃料,11.1.2.3能源技术水平不断提高，与国际先进水平仍有差距(2）电力工业。总体装备水平进步很快，300,600MW等极大型机组正在成为发电装备的主力军，水电设备达到国际先进水平。形成了以区域电网为主，比较完备的500kv和330kv主网架750kv示范工程启动，电网运行基本实现了自动化、现代化管理；电网发展进入大规模跨区送电和全国联网的新阶段，并向高效、环保、安全、经济的更高目标迈进。全国供电标准煤耗从1975年的4719/(kwh）下降到2003年的3819/(kwh）。我国制造600MW及以下常规燃煤发电设备的性能价格比具有明显的国际竞争优势。另一方面，我国电力工业还存在关键技术设备自主开发生产能力弱等问题。清洁煤发电、核电、大型（超）临界机组、大型燃气轮机、大型抽水蓄能电站和高压直流输电设备技术开发和设备生产与国际先进水平还有相当差距。,7,第11章燃料,(3）石油天然气工业。建立了从科学研究、勘探开发、地面工程建设到装备制造的完整体系，复杂断块勘探开发、提高油田采收率等技术达到国际领先水平。同时，我国石油天然气技术发展也面临着严峻挑战：近些年来，石油地质理论一直没有大的突破，地球物理勘探技术还不适应复杂地区、南方海相地层和深海勘探需要，巫待理论发展和技术创新。(4）新能源与可再生能源。我国在小水电设计、施工、管理和设备制造方面处于国际先进水平，但在风力发电、太阳能发电等具有大规模开发利用潜力的新能源和可再生能源技术方面，与世界先进水平差距很大。目前，世界风力发电的主力机型为1000一2000kw,4000kw以上风电机组已在试运行，而我国刚刚掌握单机容量750kw及以下风电机组的制造技术。另外，世界主要国家都在抓紧研究有可能成为新一代主力能源技术的氢能技术、天然气水合物开发技术和核聚变发电技术等，我国在此方面的重视程度和投入力度相对不够。,8,第11章燃料,11.1.2.4能源体制改革取得突破性进展，体制约束尚未完全消除煤炭生产、销售已全面市场化，煤炭价格基本取决于市场供求状况。石油天然气行业已经形成了几个上下游、内外贸一体化的大型企业集团。国家战略石油储备等石油安全保障体系和应急机制建设已起步。电力体制改革方面，明确了改革的总体目标是“打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系”；提出了厂网分开、重组国有电力资产，组建电网、发电公司及竞价上网、实行电价新机制等改革方案。根据“总体设计，分步实施，积极稳妥，配套推进”和“先主后辅，先上后下，先易后难”的原则，2002年底，国家电力监管委员会、两大电网公司、5个发电集团和4个辅业公司相继成立，标志着厂网分开在中央层面的改革基本完成。目前，电力体制改革正稳步推进，电价机制和电力项目审批制度改革也在积极进行中。政府宏观调控，企业自主经营、适度竞争，市场在资源配置中起基础性作用的新型能源工业体制正逐步形成。,9,第11章燃料,但必须清醒地认识到，我国能源体制约束尚未完全消除，许多工作需要进一步深入。煤炭工业体制存在的间题，一是企业机制转换滞后、不适应建立社会主义市场经济体制的要求，主要表现在产业集中度低、社会负担沉重、大多数企业竞争力不强；二是煤炭流通的市场化体制尚未建立铁路运输改革、建立煤炭交易市场等配套改革滞后；三是宏鼓励优势煤炭企业跨区经营的体制环境没有完全形成。石油天然气领域，油气资源市场准入，建设适应WTO要求的原油、成品油和天然气市场体系及完善政府宏观调控与监管体系等方面还有大量需要解决的问题。全面落实国务院发布的电力体制改革方案）还需要做大量艰苦细致的工作，付出较长时间的努力。,10,第11章燃料,11.1.2.5能源可持续发展逐步受到重视能源与资源、环境和社会发展的矛盾日益突出与世界发达国家主要表现在几个方面：一是能源开发利用技术落后仍是造成环境污染的重要因素；二是资源利用率低，损失浪费严重；三是能源生产安全形势严峻。11.1.2.6农村能源建设成绩显著，偏远地区农村生活用能状况亟待改善。为解决广大农村能源供应问题求实效”的方针，国家先后实施了改灶节柴、推广沼气、农村电气化县、农村能源综合建设试点县、农村电网改造和送电到乡等一系列重大工程，使我国农村能源面貌发生了巨大变化。农村生产用能发展存在的主要问题是：第一，生活用能商品化程度总体偏低，多数农民仍以薪柴和秸杆为主要生活燃料，不仅影响生活条件的改善，而且导致植被严重破坏，使农村生态环境日趋恶化；第二，地区发展不平衡，西部农村普遍存在生活能源短缺间题，东中部山区和贫困地区农村生活用能状况也需要进一步改善。,11,第11章燃料,11.1.2.7节能成效明显，能源效率与国际先进水平差距较大通过经济结构调整、技术进步和加强管理，我国节能提效工作取得了显著成绩。万元GDP产品能耗由1990年的5.32t标准煤减少到2002年的2.68t标准煤，下降了50%；主要用能单位能耗与国际先进水平差距明显缩小；能源加工、转换、贮运和终端利用综合效率达到33%，比1990年提高5个百分点。12年来我国以年均增长3.6的能源消费支持了9.7的经济发展速度。但与世界先进水平比我国能源效率还有很大差距。目前，我国综合能源利用效率比发达国家低10个百分点，钢铁、有色、建材、化工等八大行业主要产品单位能耗平均比国外先进水平高40%；锅炉、电机、机动车等主要用能设备和建筑物普遍存在能效低的问题。根据有关专家测算，不考虑产业结构调整因素，仅通过改进技术装备，我国节能潜力就有26以上。按2003年能源消费水平可减少能源消耗4.36亿吨标准煤，相当于3亿吨石油。,12,第11章燃料,11.1.2.7节能成效明显，能源效率与国际先进水平差距较大通过经济结构调整、技术进步和加强管理，我国节能提效工作取得了显著成绩。但与世界先进水平比我国能源效率还有很大差距。目前，我国综合能源利用效率比发达国家低10个百分点，钢铁、有色、建材、化工等八大行业主要产品单位能耗平均比国外先进水平高40%；锅炉、电机、机动车等主要用能设备和建筑物普遍存在能效低的问题。根据有关专家测算，不考虑产业结构调整因素，仅通过改进技术装备，我国节能潜力就有26以上。按2003年能源消费水平可减少能源消耗4.36亿吨标准煤，相当于3亿吨石油。,13,第11章燃料,11.1.3我国主要能源政策(l）大力优化能源结构。(2）不断提高能源利用效率。（3）高度重视环境保护。(4）切实保障能源安全。(5）积极开发西部能源。,14,第11章燃料,11.2燃料的组成及其表示方法燃料是由多种可燃与不可燃物质组成的混合物。由于不同燃料的组成差别很大，因此对气体燃料、液体燃料和固体燃料分别介绍。11.2.1气体燃料任何一种气体燃料都是由多种可燃性气体成分（如CO，H2，CH4,C2H2，H2S等）、不可燃性气体成分（如CO2，N2，O2等）以及水蒸气等组成的混合气体。含不可燃气体成分量越高，气体燃料的热值就越低。表11-6列出了常用气体燃料的成分。,15,第11章燃料,16,第11章燃料,17,第11章燃料,11.2.2固体燃料本节主要介绍能源工业中最常使用的固体燃料煤。煤是由多种有机可燃质、不可燃的无机矿物（灰分）及水混合组成。11.2.2.1可燃质(1）碳。碳是煤中的主要可燃元素，它在燃烧时放出大量的热。煤的含碳量越高，其碳化程度越高。(2）氢。氢也是煤的主要可燃元素，它的发热量约为碳的3.5倍，但它的含量比碳小得多。(3）氧和氮。煤中的氧和氮都是不可燃成分。氧使发热量降低（结合可燃成分）；氮以自由状态转入燃烧产物（氮气）。(4）硫。有机硫、黄铁矿硫。,18,第11章燃料,11.2.2.2灰分灰分是指煤中所含矿物杂质（主要是硫酸盐、钻土矿物质及微量稀土元素）在燃烧过程中经过高温分解和氧化后生成的固体残留物。煤中灰分是一种有害成分，对煤的发热量有较大影响，由此而引起的燃烧装置堵塞、磨损、恶化传热等问题也更多，这给设备的维护与运行增加了困难。在燃煤装置中，灰分的熔点对运行的经济性与安全性有很大影响。11.2.2.3水分水分是燃料中不可燃杂质，它不仅降低了燃料的可燃质，而且在燃烧时还要消耗热量使其蒸发和将蒸发的水蒸气加热。将煤中所含水分划分为外部水分与内部水分。外部水分指不被燃料吸收而机械地吸附于煤炭表面的水分，其含量与大气湿度和外界条件有关，并可用自然干燥的方法去除。随运输和储存条件变动很大。内部水分指达到风干状态后吸附于燃料内部的水分。结晶水中H计入可燃氢。,19,第11章燃料,11.2.2.4成分表示法及其换算固体燃料的组成通常用各组分的质量分数表示。各种煤都是由C,H,O,N,S、灰分、水分7种组分组成。(1）应用基成分（以上角标用表示）。按实际进入燃烧装置的燃料来计算成分，计入燃料中全部水分和灰分，即C用%+H用%+O用%+N用%S用+A用%+W用%=100%式中，以C用%、H用%、O用%、N用%、S用、A用%、W用%分别表示燃料中C、H、O、N、S、灰分和水分的应用基质量分数。(2）干燥基成分（以上角标干表示）。按干燥燃料计算燃料成分称为燃料干燥基成分。即C干+H干%+O干%+N干%S干+A干%=100%,20,第11章燃料,21,第11章燃料,11.2.3液体燃料冶金常用的液体燃料为石油加工产品，它的元素组成主要是碳和氢。其中碳的质量分数为8587%（液体燃料均以质量分数表示其化学组成），氢的质量分数为1114。此外，还常含有少量S,N,Na,Ca,Mg等元素。其中包括多种烷烃、环烷烃、芳香烃等。液体燃料的组成中含水分量较低，一般规定不超过2。液体燃料的组成用其应用基质量分数表示。,22,第11章燃料,23,11.3各种燃料的发热量燃料的（高）发热量（又称热值），是指在某一温度下（通常为1525）,1kg液体（或固体）燃料或1Nm3气体燃料，在与外界无机械功交换条件下，完全燃烧后，再冷却至原温度时所释放的热量（水蒸气冷凝为液态水），其单位为kJ/kg或KJ/Nm3。用Q高表示。实际燃烧过程水蒸气为气态，此时放出热量为低发热量。用Q低表示。,第11章燃料,24,Q高Q低25.12(9H+W)(kJ/kg)(11-10)式中Q高燃料应用基低位发热量，kJ/kg;Q低燃料应用基高位发热量，kJ/kg;2512水的气化潜热，KJ/kg;,第11章燃料,25,第11章燃料,11.4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。(1）燃烧方法比较简单，且能达到较高的燃烧效率；(2）易于控制燃烧过程，使炉温、炉内气体成分等参数达到生产工艺要求；(3）可对燃料实现高温预热，这不仅有利于回收烟气余热，且能达到较高的燃烧温度；(4）对已净化的气体燃料，其烟气中几乎无固体灰渣，这不仅大大减少了设备的磨损，而且降低了对环境的污染；(5）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。,26,第11章燃料,11.4气体燃料气体燃料在使用时，应注意以下问题。(l）对管道的腐蚀。由于NH3在水中呈碱性，H2S,HCN,SO2及CO2在水中呈酸性，O2在水中会引起氧化性腐蚀。因此，当燃料中含有上述成分并含有水分时将会腐蚀管道，为此应去除燃料中所含水分。(2）对人的毒性。气体燃料中常含有H2S,HCN,CO,SO2及CO2等有毒成分，当其超过毒性极限时可致死，在使用气体燃料时必须十分重视这一问题。(3）爆炸极限范围。气体燃料中某些气体成分，当它与空气达到一定的混合比例时，就可能达到爆炸极限范围。,27,第11章燃料,常用气体燃料特性：(l）天然气。天然气是由低分子的碳氢化合物、硫化氢（H2S）以及少量的N2、CO2、水蒸气和矿物杂质组成的。其热值很高，一般均在3350054400kJ/Nm3。由于产地不同，天然气成分存在很大区别。气田气是从地下气层中引出的，其主要成分是甲烷，体积分数可高达9598%，还有23的相对分子量稍大的烷类化合物，如乙烷、丙烷等。气田气中的CO2,N2和H2S的体积分数很少，通常在12以下。油田气主要产于油田附近，为石油的伴生物，是伴随石油一起开采出来的，主要成分仍是甲烷，但其体积分数比气田气稍低些，约为7587%；乙烷、丙烷等稍重的碳氢化合物约占10%,CO2约占510%，氮和硫的的体积分数一般较低。,28,第11章燃料,(2）焦炉煤气：焦炉煤气是用煤炼焦时的副产品。煤在1000高温的焦炉炭化室内进行干馏，得到的可燃气体称为焦炉煤气。其中所含氢气的比例最大，约为4661。甲烷约为2130、一氧化碳约为58。焦炉煤气的热值很高，低位热值约为1320020900kJ/Nm3。焦炉煤气可作为生活用煤气，也可以和高炉煤气混合成热值约为8360kJ/Nm3的混合煤气作为锅炉和加热炉的燃料。,29,第11章燃料,(3）高炉煤气：高炉煤气是高炉炼铁时的副产品。其主要可燃成分是CO（约占2531%)，其次是H2（约占23%)，甲烷的体积分数不超过1%，并含有大量的N2（约占5760%）和CO2（约占410%)，因而高炉煤气的热值不高。低位热值约为34504180kJ/Nm3。高炉煤气中还含有相当多的灰尘，因此使用前应当净化，例如用水洗涤。煤气中水分量会达到煤气在某温度下的饱和含水量。高炉煤气主要作为热风炉、锅炉和加热炉的燃料，也可用于发电。高炉煤气是一种较难燃烧的气体燃料。注意人身安全。,30,第11章燃料,(4）液化石油气大部分液化石油气是炼油过程中的副产品，其主要成分是具有34个碳原子的烃类化合物，例如丙烷、丁烷、丁烯等。这些烃类化合物在常温下加压（约1.01MPa）便可使其液化。然后由高压罐储存、运输。在使用时令其减压气化，因而它既具有气体燃料的燃烧组织方便的特点，又具有液体燃料的存储与运输方便的特点。液化石油气的热值相当高。当处于液态时低位热值约为4520046100kJ/kg。液化石油气除了可在石油炼制过程中获得外，还可以在开采石油和天然气时分离得到。(5）转炉煤气在纯氧顶吹转炉炼钢过程中会产生大量的转炉煤气。其主要成分为CO，体积分数达4565%，其低位发热值约为63007500kJ/Nm3，所以是一种较好的燃料。在冶金工业中常作为混铁炉、热风炉、钢包烘烤设备的燃料，也可作为化工原料。,31,第11章燃料,(6）发生炉煤气。在高温下气化剂与煤的化学反应，可使煤转化为可燃气体，这一过程称为煤的气化。目前常用的气化剂有空气、水蒸气、空气加水蒸气三种。由此产生的煤气称为空气发生炉煤气、水煤气以及混合发生炉煤气。(7）地下气化煤气。对某些不宜开采的薄煤层及混杂大量硫和矿物杂质的煤矿，可利用地下气化法使其转化为可燃气地下气化煤气。这是一种合理利用煤矿资源的方法。地下气化煤气组成变化范围较大，其Q低干33004200kJ/Nm3，属低发热量煤气。(9）氢。氢是一种很有应用前景的气体燃料，可以生产氢的水资源极其丰富，而且可以利用氢作为“能”的载体，将不能储存运输的太阳能、风能、水能及核能等能量转换成氢能，储存并输送到用户。,32,第11章燃料,11.5液体燃料主要指石油加工产品。11.5.1石油产品概述原油一般不宜直接作为燃料使用。常压重油；减压重油；裂化重油。,33,第11章燃料,11.5.2液体燃料的主要特性11.5.2.2粘度恩氏粘度表示温度为t的200ml燃油通过恩氏粘度计标准容器流出时所需时间，与同体积20蒸馏水由同一标准容器流出所需时间之比，单位为E。重油的品种就是按它们在50时的恩氏粘度值划分为20号、60号、100号及200号4个牌号。,耐火材料与燃料燃烧讲义,34,第11章燃料,11.5.2.5闪火点（简称闪点）和燃点燃油由常温加热到适当温度后，其中沸点较低的成分将先蒸发。这时如果有火源接近，则油蒸气就会着火燃烧，出现瞬间即灭的蓝光，此时的油温称为该油的闪点。闪火点是燃油受热时的安全防火指标。对开式容器，最高加热温度应低于闪火点1020，对闭式压力容器加热温度虽允许超过闪火点，但随温度的升高，防火安全性将降低，因为一旦管道破裂，仍有着火的危险。闪火点用专门的仪器测定，其测定方法有开口杯法与闭口杯法。,耐火材料与燃料燃烧讲义,35,第11章燃料,11.6固体燃料11.6.1煤的分类11.6.1.1按炭化程度分类分为泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤四大类。(1）泥煤(2）褐煤(3）烟煤一般烟煤中所含水分、灰分量均不高，故发热量较高。(4）无烟煤。无烟煤是炭化程度最高的煤种，含碳量可达90以上，且几乎全由固定碳组成，挥发分极低（Vr仅为39%)，水分、灰分量都较低，发热量则较,耐火材料与燃料燃烧讲义,36,第11章燃料,11.6.2煤的挥发分和焦炭在隔绝空气的条件下对煤加热，则煤中的水分将首先蒸发逸出，其后煤中的有机物开始热分解，并逐渐逸出各种气态产物。这些气态产物称为挥发分，余下的固体残余物称为焦炭，它主要由非挥发性碳（固定碳）与灰分组成。,耐火材料与燃料燃烧讲义,37,第11章燃料,11.6.3煤的工业分析水分、灰分、挥发分和固定碳。（1）（2）（3）（4）煤的工业分析步骤如下。11.6.3.1取样及制备试样11.6.3.2分析测定,耐火材料与燃料燃烧讲义,38,第11章燃料,(1）水分的测定。外在水分的测定。取200g（精确至0.1g）试样放入4550烘箱内干燥8h，取出后在室温下冷却称重。煤干燥后失去的质量占煤样原有质量的百分比即外在水分。分析基水分的测定。取1g（精确至0.001g）分析试样放入去盖的坩埚中，置于干燥箱内。对烟煤及无烟煤在105110下干燥1-1.5h；褐煤在1455下干燥1h。然后将坩埚取出加盖，放入干燥器中冷却至室温后迅速称量。然后去盖再次放入干燥箱中干燥，并加盖冷却后再称量。重复上述过程，直至所称质量不再变化为止。这时失去的质量占分析试样原有质量的百分比即分析基水分wf。,耐火材料与燃料燃烧讲义,39,第11章燃料,(2）灰分的测定。在预先灼烧并称出空重的矩形坩埚中加入粒度小于0.2mm的煤样10.1g，称量时准确至小数点后4位。将坩埚置入已预热到850的马弗炉中，在81510下灼烧40min,取出坩埚在空气中冷却5min后，放入干燥器内冷却至室温（约20min)，称重。称重后的样品再进行每次20min的检查性灼烧，直至质量变化小于0.001g为止（当灰分的质量分数小于15时可不进行检查性灼烧），并取最后一次测定质量进行计算。最后一次称得的质量占分析试样质量的百分数即分析基灰分Af,耐火材料与燃料燃烧讲义,40,第11章燃料,(3）挥发分的测定。由煤干馏出的挥发物并非煤中不变的一种确定的物质，而是煤在一定的时间内，在一温度下的热分解气态产物。在测定煤的挥发分时所规定的条件为：取1g分析试样（精确至0.001g）两份，分别放入经精确称量的带盖坩埚内，盖好坩埚，然后放入90010的高温电炉恒温区内灼烧7min后取出，在空气中冷却片刻再放入干燥器冷却至室温。称出所失去的质量占分析试样原质量的百分比，再减去该煤样的wf%，所得即为该煤样的分析基挥发分。在实验时如果两份试样实验结果的差别小于0.5%，则取基平均值作为最终结果，否则应重做。在实验的后4min内，如果炉温变化超过91010，实验亦需重做。,耐火材料与燃料燃烧讲义,41,第11章燃料,耐火材料与燃料燃烧讲义,42,第11章燃料,11.7燃煤新技术概述11.7.1煤的气化11.7.1.1煤制气的传统方法利用气化剂与煤在高温下的化学反应，可使煤转化为气体燃料，这一过程称为煤的气化，所使用的气化设备称为煤气发生炉。前常用的气化剂有三种：空气、水蒸气、空气+水蒸气，由此产生的煤气分别称为空气发生炉煤气、水煤气以及混合气发生炉煤气。,耐火材料与燃料燃烧讲义,43,第11章燃料,现以混合气发生炉煤气为例说明煤的气化原理。按照煤气发生炉内气化过程，可以将发生炉内部分为六层，即六个区域（混合煤气发生炉结构如图118所示）：灰渣层，氧化层（又称火层），还原层，干馏层，干燥层，空层。,耐火材料与燃料燃烧讲义,44,第11章燃料,11.7.1.2煤的气化新技术(l）加氢气化和煤气甲烷化法。(2）流化床气化法。11.7.2煤的液化加氢。11.7.3煤浆燃料,耐火材料与燃料燃烧讲义,45,第12章常用工程的燃烧计算,概念：完全燃烧；不完全燃烧。燃料燃烧时所需供给的空气量；燃烧产物（简称烟气）生成量及成分；根据燃烧装置测出的烟气成分，求出燃料与空气的配合比例和不完全燃烧损朱；燃烧温度。,耐火材料与燃料燃烧讲义,46,第12章常用工程的燃烧计算,为了简化计算，在工程计算准确度允许的范围内作以下假定：将空气和烟气中所有成分，包括水蒸气都作为理想气体处理，这种处理能够满足工程计算的需要；当温度不超过2000时，在计算中不考虑烟气的热分解，亦不考虑固体燃料中灰分的热分解产物，因为这些热分解产物的数量是很少的；略去空气中微量的稀有气体和CO2。,耐火材料与燃料燃烧讲义,47,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,48,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,49,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,50,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,51,第12章常用工程的燃烧计算(0.7979),耐火材料与燃料燃烧讲义,52,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,53,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,54,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,55,第12章常用工程的燃烧计算,耐火材料与燃料燃烧讲义,56,作业,1已知煤的下列成分，将其换算为应用成分：Cr=83.38%，Hr=4.92%，Or=9.87%，Nr=1.12%，Sr=0.71%，Ag=11.23%，Wy=7.65%。2某天然气的干燥成分为CH4g=90.80%，C2H4g=5.78%，C3H8g=1.59%，CO2g=0.40%，N2g=1.43%，求25时的湿成分。,耐火材料与燃料燃烧讲义,57,耐火材料与燃料燃烧讲义,58,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,59,常用的气体燃料有天然气、液化石油气和人工煤气三大类，其可燃成分主要是H2，CO,CH4和低分子碳氢化合物。13.1扩散燃烧和动力燃烧气体燃料的燃烧为均相燃烧。定义：预混燃烧：燃料与氧化剂预先按一定比例均匀混合，形成可燃混合气后燃烧，故燃烧速率决定于化学反应速率，燃烧受化学动力学因素控制。非预混燃烧的：燃料与氧化剂在燃烧装置内边扩散混合边燃烧，这时燃烧过程受到化学动力学因素与扩散混合因素的影响。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,60,在气体燃料、液体燃料与固体燃料的燃烧过程中，根据燃烧条件可能会出现动力燃烧和扩散燃烧，或处于两者之间的过渡燃烧。燃烧所需的全部时间通常包括两部分：气体燃料与氧化剂混合所需时间mix以及燃料进行化学反应所需时间che。整个燃烧时间就是上述两种时间之和，即=mix+che,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,61,如果mixche，则che，即燃烧过程受化学动力学因素控制，而为动力燃烧工况。这时燃烧速率将强烈地受化学动力学因素控制，可燃混合气的性质、温度、压力、浓度等的变化将强烈地影响燃烧速率而气流速度、气流流过的物体形状和尺寸等与扩散混合有关的因素，对燃烧速率并无显著影响。反之，如果mixche，则：mix，即化学反应进行得很快，燃烧过程受混合扩散因素控制，为扩散燃烧工况，这时燃烧速率与化学动力学因素的关系不大，而流体动力学因素对燃烧速率起决定作用。这种混合过程是通过分子扩散或气团扩散完成的。实际上，有些燃烧过程可能处于上述两种极端情况之间，这时mix与che相差不大，故燃烧过程同时要受到化学动力学因素与流体力学因素影响，这是一种最复杂的燃烧工况。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,62,13.1.11的情况1时为纯动力燃烧（图13-1中1和2两种工况）。这时只有一层动力燃烧火焰前锋，并且随着的增加，动力燃烧火焰前锋将伸长。有焰燃烧，实际上是指非预混燃烧，这是由于燃料在进行边混合边燃烧过程中，因燃料经受较长时间的加热而分解，在火焰中生成较多的固体炭粒，炭粒的发光效应使火焰明亮且有鲜明轮廓。无焰燃烧，实际上是指1的预混气燃烧火焰中含发光炭粒较少且火焰较短，在炽热的炉壁背景下几乎看不出火焰。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,63,13.1.21的情况对于1的情况，由于可燃混合气中空气不足，在燃烧火焰中将出现动力燃烧火焰前锋I与扩散燃烧火焰前锋两层火焰前锋。当发生极端情况=0时（即非预混燃烧），燃烧过程就变为纯扩散燃烧。这时只有一层扩散燃烧火焰前锋n。这种现象如图131上的3,4,5和6所示。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,64,13.2.3扩散火焰的主要特点13.2.3.1扩散火焰的稳定性稳定性是指火焰既不会脱火，也不产生回火，而始终“悬挂”在管口的情况。扩散燃烧时由于燃料在管内不与空气预先混合，因此不可能产生回火，这是扩散燃烧的最大优点。但管口流出速率超过某一极限值时，火焰可能脱离管口并最终熄灭。此外，扩散火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。湍流扩散燃烧是当前工业上广泛采用的燃烧方法之一，并常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,65,13.3气体燃料燃烧器作用：应能保证燃料（煤气）和空气进行充分的混合，为混合提供必要的条件，并应在规定的负荷变化范围（调节比）内保证着火，燃烧稳定既不脱火也不回火，还应保证在规定的负荷条件下燃烧效率高。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,66,13.3.1有焰燃烧器(1）按煤气的发热量分为高发热量煤气烧嘴（天然气、焦炉煤气、石油气烧嘴），中发热量煤气烧嘴（混合煤气烧嘴），低发热量煤气烧嘴（发生炉煤气、高炉煤气烧嘴）。(2）按烧嘴的燃烧能力分为小型烧嘴（100m3h以下），中型烧嘴（100500m3h)，大型烧嘴（5001000m3h）。(3）按火焰长度分为短焰烧嘴和长焰烧嘴。(4）按火焰长度的可调性分为火焰长度固定（煤气量不变时）的烧嘴和火焰长度可调的烧嘴。(5）按煤气和空气的混合原理。(6）按空气和煤气的预热情况分为空气和煤气不预热的烧嘴，空气和煤气预热的烧嘴。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,67,(l）直管式燃烧器,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,68,(2）套管式扩散燃烧器。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,69,(3）旋流式燃烧器。带旋流片的旋流式燃烧器，又称低压涡流式烧嘴（Dw一I型）,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,70,扁缝旋流式燃烧器，又称扁缝涡流式燃烧器（DW型）,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,71,环缝旋流式燃烧器。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,72,扁缝旋流式燃烧器，又称扁缝涡流式燃烧器（DW型）,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,73,13.3.2无焰燃烧器13.3.2.1无焰燃烧的主要特点燃料与空气在进入燃烧室之前已进行预先混合。燃料完全燃烧时所需空气系数很小，一般=1.051.15，而燃尽程度却很高，其化学不完全燃烧损失接近于零。燃烧温度很高，容积热强度（指在单位燃烧室体积内单位时间的燃烧放热量）很高。燃烧火焰很短，在炽热的燃烧道背景下，甚至看不到火焰，其火炬的热辐射力较差。燃烧稳定性较差，容易回火。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,74,13.3.2.2无焰燃烧器的结构混合部分、喷头和燃烧道。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,75,13.4火焰的稳定性、火焰监测和保焰技术13.4.1火焰的稳定性所谓火焰的稳定性，是指在规定的燃烧条件下火焰能保持一定的位置和体积，既不回火，也不脱火。回火是火焰传播速度大于气流喷出速度所致。火焰传播速度。影响火焰传播速度的因素：温度、浓度。,第13章气体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,76,13.4.2火焰的监视和保焰技术,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,77,在液体燃料（燃油）的燃烧中，燃料和氧化剂分属不同物态，是非均相燃烧。液体燃料燃烧时，其化学反应速率比其扩散和混合的速率快得多，因此它属于一种非均相的扩散燃烧。在燃油炉中，液体燃料通过供油系统输送到炉前，需经过雾化器雾化成细滴后进入燃烧室燃烧。在管路中设有加热器加热液体燃料，降低其粘度，以保证良好的雾化效果和流动性。雾化器又称喷油嘴或烧嘴，它与燃烧室等组成燃烧系统。,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,78,14.1液体燃料燃烧过程的特点(1）液体燃料在蒸汽或气化状态下燃烧。(2）液体燃料具有扩散燃烧的特点。(3）液体燃料需雾化后再燃烧。(4）液体燃料的热分解特性,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,79,14.2液体燃料的雾化过程14.2.1液体燃料的雾化机理14.2.2雾化质量的主要指标14.2.2.1雾化粒度(1）质量中间直径法。(2）索太尔（Sauter）平均直径法。,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,80,14.2.2.2雾化均匀度14.2.2.3雾化锥角14.2.2.4流量密度,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,81,14.2.3雾化器（喷油嘴）简介雾化器按其工作原理分为机械雾化式与介质雾化式两大类。14.2.3.1机械雾化式喷油嘴,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,82,14.2.3.2介质雾化喷油嘴介质雾化喷油嘴是利用高速喷射的雾化介质的动能将燃油粉碎成细滴。雾化介质：蒸汽：空气。(l）蒸汽雾化喷油嘴。外混式蒸汽雾化喷油嘴；内混式蒸汽雾化喷油嘴。,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,83,(2）空气雾化喷油嘴。空气雾化喷油嘴是以空气作雾化介质，油嘴和高压空气雾化喷油嘴。根据雾化空气压力的高低可分为低压空气雾化喷油嘴和高压空气雾化喷油嘴。,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,84,(2）空气雾化喷油嘴。空气雾化喷油嘴是以空气作雾化介质，油嘴和高压空气雾化喷油嘴。根据雾化空气压力的高低可分为低压空气雾化喷油嘴和高压空气雾化喷油嘴。,第14章液体燃料的燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,85,14.3油滴燃烧和油雾燃烧14.3.1油滴燃烧概述14.3.2油滴的然烧速率和燃尽时间14.3.3油雾的燃烧14,3.4乳化油及其燃烧,第15章固体燃料的燃烧,分解燃烧。对于热分解温度较低的固体燃料常发生这种情况。由热分解产生的挥发分在离开燃料表面后，与O2进行气相燃烧反应。木材、纸张和煤挥发分的燃烧就属于此类燃烧。,耐火材料与燃料燃烧讲义,86,第15章固体燃料的燃烧,15.1.2按燃烧方式分类15.1.2.1火床式燃烧,耐火材料与燃料燃烧讲义,87,第15章固体燃料的燃烧,火床燃烧的优点是燃料的点火热源比较稳定，燃烧过程也比较稳定。缺点是鼓风速度不能太大，而且，机械化程度低，燃烧强度不能太高，只适用于中小型的炉子。,耐火材料与燃料燃烧讲义,88,第15章固体燃料的燃烧,15.1.2.2火室式燃烧火室式燃烧是将煤磨成煤粉，使煤粉在炉膛空间以悬浮状态进行燃烧过程，故又称悬浮燃烧。,耐火材料与燃料燃烧讲义,89,第15章固体燃料的燃烧,火室式燃烧有以下优点。(1）燃烧效率高；(2）可使用含灰分及水分高的劣质煤和无烟煤煤屑；(3）可实现运行操作的全部机械化和自动化；(4）单机容量可以大型化，适用于大型电站锅炉。火室式燃炉存在以下不足之处。(l）金属受热面易磨损；(2）烟气中含飞灰量较高；(3）受热面积灰和结渣问题较严重；(4）需设置专用的制粉系统，且制粉尚需耗能；,耐火材料与燃料燃烧讲义,90,第15章固体燃料的燃烧,火室式燃烧有以下优点。(1）燃烧效率高；(2）可使用含灰分及水分高的劣质煤和无烟煤煤屑；(3）可实现运行操作的全部机械化和自动化；(4）单机容量可以大型化，适用于大型电站锅炉。火室式燃炉存在以下不足之处。(l）金属受热面易磨损；(2）烟气中含飞灰量较高；(3）受热面积灰和结渣问题较严重；(4）需设置专用的制粉系统，且制粉尚需耗能；(5）对炉子的运行操作要求很高。,耐火材料与燃料燃烧讲义