材料热工基础燃烧

1、3.3.燃烧学燃烧学研究燃烧基本理论与燃烧技术的一门科学。研究燃烧基本理论与燃烧技术的一门科学。通过学习，达到最合理地、最有效的组织燃烧过程通过学习，达到最合理地、最有效的组织燃烧过程和控制燃烧过程。和控制燃烧过程。内容内容3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成3.2 3.2 燃料的热工特性燃料的热工特性3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算3.4 3.4 燃烧过程的基本理论燃烧过程的基本理论3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成主要介绍燃料的主要介绍燃料的分类分类及及化学组成化学组成的表示方法。的表示方法。燃料：指通过燃烧能获得大量热能，且这些燃料：指通过燃烧能获得大量热能，且

2、这些热能能为人们以各种方式所利用的可热能能为人们以各种方式所利用的可燃物质。燃物质。 工业上选作为燃料的仅是指燃烧过程中以氧工业上选作为燃料的仅是指燃烧过程中以氧气气( (空气空气) )作氧化剂的物质，故这些物质应当作氧化剂的物质，故这些物质应当是由那些是由那些能与氧化合能与氧化合的元素所组成。的元素所组成。热量的获得形式热量的获得形式燃料燃烧燃料燃烧电为热源电为热源按状态分按状态分固体固体：木柴、煤和可燃页岩。最常用是煤，有泥煤、：木柴、煤和可燃页岩。最常用是煤，有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。褐煤、烟煤和无烟煤。液体液体：石油及石油加工产品。常用加工产品重油。：石油及石油加工产品。常用加工产品

3、重油。气体气体：天然气及人造煤气。常用天然气、液化石：天然气及人造煤气。常用天然气、液化石 油气及发生炉煤气。油气及发生炉煤气。按来源分按来源分天然燃料天然燃料：自然界的原煤、石油、天然气、木柴等：自然界的原煤、石油、天然气、木柴等人工燃料人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、发生炉煤气等。发生炉煤气等。1 1、燃料的种类、燃料的种类( (依状态、来源分依状态、来源分)()(理解理解) )3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成2 2、燃料的化学组成及表示方法、燃料的化学组成及表示方法( (掌握掌握) )( (固液体，气体固液体，气体) )(1

4、)(1)、固体和液体、固体和液体( (元素分析法，工业分析法元素分析法，工业分析法) )元素分析法元素分析法固体和液体燃料组成可由化学分析获得，它们固体和液体燃料组成可由化学分析获得，它们是是碳碳(C)(C)、氢、氢(H)(H)、氧、氧(O)(O)、氮、氮(N)(N)、硫、硫(S)(S)五种五种元素和部分的矿物杂质元素和部分的矿物杂质 灰分灰分(A)(A)、水分、水分(M)(M)根据不同的条件，固体和液体燃料的元素组根据不同的条件，固体和液体燃料的元素组成表示方法可分为下列四种：成表示方法可分为下列四种：收到基：收到基：使用单位收到煤的组成，即实际使使用单位收到煤的组成，即实际使用煤的组成，在

5、各组成的右下角用煤的组成，在各组成的右下角“arar”Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+Mar%=100%3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成空气干燥基空气干燥基：指分析实验室里所用的煤样组成，在指分析实验室里所用的煤样组成，在各组成的右下角各组成的右下角“adad”表示。表示。Cad%+Had%+Oad%+Nad%+Sad%+Aad%+Mad%=100%空气干燥空气干燥基准煤中的水分为两部分组成：基准煤中的水分为两部分组成：Mar=Mar,f+Mar,inh空气干燥过程逸出的水分空气干燥过程逸出的水分空气干燥状态残留的水分空气干燥状态残留的水分或表示如下

6、：或表示如下：100-Mar,fMar=Mar,f+Mad1003.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成干燥基：干燥基：指绝对干燥的煤的组成。指绝对干燥的煤的组成。“d d”Cd%+Hd%+Od%+Nd%+Sd%+Ad%=100%干燥无灰基干燥无灰基：指假想的无水无灰的煤的组成。指假想的无水无灰的煤的组成。在各组成的右下角在各组成的右下角“dafdaf”Cdaf%+Hdaf%+Odaf%+Ndaf%+Sdaf%=100%说明说明根据质量平衡原理，上述四种组成表示方根据质量平衡原理，上述四种组成表示方法，可以相互进行换算。表法，可以相互进行换算。表4-14-13.1 3.1 燃料的种类和

7、组成燃料的种类和组成工业分析法工业分析法主要是确定煤中的主要是确定煤中的灰发分灰发分(V)(V)、固定碳、固定碳(FC)(FC)、灰分、灰分(A)(A)和水分和水分(M)(M)的含量作为控制煤的质量指标。的含量作为控制煤的质量指标。同样可用上述四种标准：同样可用上述四种标准：Var+FCar+Aar+Mar=100%Vad+FCad+Aad+Mad=100%Vd+FCd+Ad=100%Vdaf+FCdaf=100%收到基收到基空气干燥基空气干燥基干燥基干燥基干燥无灰基干燥无灰基3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成(2)(2)、气体燃料、气体燃料( (湿成分，干成分湿成分，干成分)

8、)气体燃料是由气体燃料是由可燃成分可燃成分COCO、H2H2、CH4CH4、H2SH2S、CmHnCmHn等等和和不可燃成分不可燃成分CO2CO2、H2OH2O、N2N2、SO2SO2、O2O2等组成的混等组成的混合气体。其中合气体。其中SO2SO2和和H2SH2S是有害气体成分。是有害气体成分。组成用体积百分含量表示，有组成用体积百分含量表示，有干成分和湿成分干成分和湿成分二种：二种：湿成分上标用湿成分上标用“ ”“ ”, ,干成分上标用干成分上标用“d d”。区别是否包括区别是否包括水蒸汽水蒸汽。24mn22222CO %+H%+CH%+C H%+H S %+CO %+N%+O %+H O

9、 %=100%湿成分湿成分3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成干成分干成分ddddd24mn2ddd222CO %+H%+CH%+C H%+H S %+CO %+N%+O %=100%干、湿成分的换算干、湿成分的换算：2100%100dH Oxx100m100m3 3湿气体燃料中所含水蒸汽的体积。湿气体燃料中所含水蒸汽的体积。3.1 3.1 燃料的种类和组成燃料的种类和组成3.2 3.2 燃料的热工性质及选用原则燃料的热工性质及选用原则1 1、发热量、发热量( (概念，种类，测定，标准燃料概念，种类，测定，标准燃料) )概念概念单位体积或单位质量的燃料单位体积或单位质量的燃料完全燃

10、烧完全燃烧，当当燃烧产物冷却燃烧产物冷却到燃烧前的到燃烧前的温度温度时所放时所放出的出的热量热量称燃料的发热量或热值。称燃料的发热量或热值。种类种类高位发热量高位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水：燃料完全燃烧，产物中的水蒸汽全部凝结为水时所放出的热量；蒸汽全部凝结为水时所放出的热量；低位发热量低位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水：燃料完全燃烧，产物中的水蒸汽仍以气态存在时所放出的热量。蒸汽仍以气态存在时所放出的热量。内容内容 发热量发热量( (掌握掌握) ) 燃料的其它热工特性燃料的其它热工特性( (理解理解) ) 燃料的选用原则燃料的选用原则( (理解理解) ),92500259100100

11、arargr arnet arararMHQQMH则收到基高、低位热值之差为：则收到基高、低位热值之差为：其它基准为：其它基准为：,22525225225gr adnet adadadgr dnet ddgr dafgr dafdafQQHMQQHQQH181001002MarHarkg1kg1kg固体或液体燃料燃固体或液体燃料燃烧后生成水量为：烧后生成水量为：差别差别3.2 3.2 燃料的热工性质及选用原则燃料的热工性质及选用原则测定和计算测定和计算专门的量热计测定：固体用氧弹量热专门的量热计测定：固体用氧弹量热计；气体用气体量热计。计；气体用气体量热计。计算采用经验公式，见教材计算采用经验

12、公式，见教材4-84-84-114-11公式公式标准燃料标准燃料标准煤的收到基低位发热量为标准煤的收到基低位发热量为29270kj/kg(7000kCal/kg);29270kj/kg(7000kCal/kg);标准油或标准气的低位发热量为标准油或标准气的低位发热量为41820kj/kg41820kj/kg或或kj/Nmkj/Nm3 3(10000kCal/kg,Nm(10000kCal/kg,Nm3 3) )2422421250020.804100220.122grnetnmnmnQQHCHH SC HnHCHH SC H1NM1NM3 3气体燃料，高、低位热值的差别为：气体燃料，高、低位热

13、值的差别为：3.2 3.2 燃料的热工性质及选用原则燃料的热工性质及选用原则挥发粉；结渣性；水分；可燃硫含量。挥发粉；结渣性；水分；可燃硫含量。固体燃料有：固体燃料有：液体燃料有：液体燃料有：粘度；闪点、燃点、着火点；凝固点；密度；比热粘度；闪点、燃点、着火点；凝固点；密度；比热和导热系数；水分；机械杂质。和导热系数；水分；机械杂质。气体燃料有：气体燃料有：煤气的分子量和密度；煤气的平均比热。煤气的分子量和密度；煤气的平均比热。3 3、燃料的选用原则：、燃料的选用原则：教材教材P241P241随燃料的种类不同而不同。有以下几种：随燃料的种类不同而不同。有以下几种：2 2、燃料的其它热工特性：、

14、燃料的其它热工特性：3.2 3.2 燃料的热工性质及选用原则燃料的热工性质及选用原则3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算本节主要介绍燃烧计算的目的、内容、计算方法本节主要介绍燃烧计算的目的、内容、计算方法。内容内容 燃烧计算的目的、内容和基本概念燃烧计算的目的、内容和基本概念( (掌握掌握) ) 燃烧的分析计算法燃烧的分析计算法( (掌握掌握) ) 燃料的近似计算法燃料的近似计算法( (了解了解) ) 估计空气量及烟气量估计空气量及烟气量( (理解理解) ) 操作计算操作计算( (掌握掌握) ) 燃烧温度的计算燃烧温度的计算( (理解理解) )1 1、燃烧计算的目的、内容和基本概念、燃烧计算的目的

15、、内容和基本概念( (掌握掌握) )目的是在目的是在给定的条件下给定的条件下求出燃料燃烧需求出燃料燃烧需用的用的空气量空气量，燃烧产物生成量燃烧产物生成量和和成分成分，以及燃烧可能达到的以及燃烧可能达到的温度温度；为设计工业窑炉和设备选型提供原始数为设计工业窑炉和设备选型提供原始数据或对正在运行的热工设备进行热工标据或对正在运行的热工设备进行热工标定，确定工作效率。定，确定工作效率。(1)(1)目的和内容目的和内容3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算 气体的体积都用标准状态气体的体积都用标准状态(0,101325Pa)(0,101325Pa)； 气体看作理想气体，即气体看作理想气体，即1kmol1

16、kmol的体积都是的体积都是22.422.4升；升； 温度基准：温度基准：00； 忽略空气中稀有气体的含量，将空气看成是由氮忽略空气中稀有气体的含量，将空气看成是由氮气和氧气二种所组成，其体积比为气和氧气二种所组成，其体积比为79:2179:21。 机械不完全燃烧机械不完全燃烧：由于机械设备的原因而燃料由于机械设备的原因而燃料未能参加燃烧的部分称。未能参加燃烧的部分称。 化学不完全燃烧化学不完全燃烧：由于空气供应量不足或燃料由于空气供应量不足或燃料与空气混合不好而造成部分燃料未参加反应称。与空气混合不好而造成部分燃料未参加反应称。(2)(2)几个假设几个假设(3)(3)几个基本概几个基本概念念

17、3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算 空气过剩系数空气过剩系数：通常实际供给的助燃空气量与按化通常实际供给的助燃空气量与按化学反应式计算出的燃料燃烧所需的空气量之比称。学反应式计算出的燃料燃烧所需的空气量之比称。aoaVV 的经验值如下：的经验值如下：气体燃料：气体燃料：液体燃料：液体燃料：固体燃料：固体燃料：煤粉：煤粉：1.051.151.151.251.31.71.11.3 3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算火焰的气氛火焰的气氛：根据燃烧产物的气氛性质，其燃：根据燃烧产物的气氛性质，其燃烧后的火焰有氧化焰、中性焰和还原焰之分。烧后的火焰有氧化焰、中性焰和还原焰之分。氧化焰：氧化焰： 11，燃烧产

18、物中有，燃烧产物中有过剩的氧气过剩的氧气O O2 2。中性焰：中性焰：1 ，燃烧产物中没有过剩的氧气，燃烧产物中没有过剩的氧气，也疫有未燃烧的也疫有未燃烧的COCO、H H2 2和和CHCH4 4等可等可燃气体。燃气体。还原焰：还原焰：1 ，燃烧产物中含有，燃烧产物中含有COCO、H2H2和和CH4CH4等等可可燃气体燃气体。说明说明除特殊工艺需要外除特殊工艺需要外( (如陶瓷制品的烧成如陶瓷制品的烧成) )，燃烧的火焰一般都是氧化焰燃烧的火焰一般都是氧化焰。3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算2 2、燃烧的分析计算法、燃烧的分析计算法( (固液体，气体固液体，气体) )( (掌握掌握) )(1)

19、(1)固体和液体燃料固体和液体燃料( (掌握计算过程掌握计算过程) )已知燃料的收到基组成如下：已知燃料的收到基组成如下：%+%+Oar%+Nar%+%+Aar%+MCarHarSaar%=r100%燃料中可燃成分按下列氧化反应进行。燃料中可燃成分按下列氧化反应进行。221222222COCOHOH OSOSO2222 1kmolC1kmolO1 1kmolHkmolO2 1kmolS1kmolO即需即需即需过程如下过程如下3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算理论燃烧需氧量理论燃烧需氧量(V(Vo2o2o o) ) 23%22.4/1243232OOCarHarSarOarVNmkg理论空气需要量

20、：理论空气需要量：(V(Va aOO) )21000.0890.2670.03321OaOOVCarVHarSar Oar3/Nmkg燃料实际空气需要量：实际空气需要量：(V(Va a) )3 Nm /kgOaVaV 燃料3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算理论烟气生成量：理论烟气生成量：(V(VOO) )理论烟气量中：理论烟气量中：O3CO2O3H2OO3SO2OO3N2O2Car%CO2V22.4 (Nm /kg)12Har%Mar%H2OV:+22.4 (Nm /kg)218Sar%SO2V:22.4 (Nm /kg)32Nar%79N2V:22.4+V Nm /kg2821含量：含量含量含

21、量3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算OOOOOCO2H2OSO2N2OO2CarHarMarSarNar22.479=+V12218322810021=0.089Car+0.323Har+0.0124Mar+0.033V =V+Sar+V+0.008Nar-0.0263OVVar+实际烟气生成量：实际烟气生成量：(V)(V)当当11时时OOaV=V +-1 V 3Nm /kg3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算3CO23H2O3SO2O3N2O2O3O2O2Car%CO2 V=22.4 Nm /kg12Har%Mar%H2OV=(+)22.4 Nm /kg218Sar%SO2V=22.4 Nm /k

22、g32Nar%79N2 V=22.4+V Nm /kg2821O2V=-1 V Nm /kg 量：量：量：量：量：烟气各组成量为：烟气各组成量为：3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算当当11时时各烟气组成量：各烟气组成量：当当111时，计算方法同前。时，计算方法同前。当当11时时CO2CO2、H2OH2O和和SO2SO2与理论烟气中相同，与理论烟气中相同，仅仅N2N2量不同，此外还有过剩的量不同，此外还有过剩的O2O2。ON2a79V =N2%+V100 各烟气组成量：各烟气组成量：33Nm /Nm3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算O33O2O2V =-1 V Nm/Nm 当当116001600）时

23、燃烧产物中部分时燃烧产物中部分CO2CO2和和H2OH2O分解反应吸收掉的热分解反应吸收掉的热量后，用于加热燃烧产物所得的温度，称。量后，用于加热燃烧产物所得的温度，称。netffaa adithQC tV C tQtVCCO2CO2和和H2OH2O分解吸收的热量分解吸收的热量kJ/NmkJ/Nm3 3netffaaathQC tV C ttVC在一般硅酸盐窑炉中，燃烧产物温度下，在一般硅酸盐窑炉中，燃烧产物温度下，CO2CO2和和H2OH2O的的分解量极小，可忽略，故上式或写成：分解量极小，可忽略，故上式或写成：3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算（3 3）、）、实际燃烧温度：（实际燃烧温度：（

24、t tp p）燃料在燃烧室或窑内燃烧时，由于各种因素，收燃料在燃烧室或窑内燃烧时，由于各种因素，收入的热量不能全部用来加热燃烧产物，则实际燃入的热量不能全部用来加热燃烧产物，则实际燃烧温度较理论燃烧温度低。烧温度较理论燃烧温度低。,netffaa apchmela sMQC tV C tVCtQQQQQ散热散热 灰渣带走热灰渣带走热 燃烧产物吸热燃烧产物吸热,()netffaa achmela sMpQC tV C tQQQQQtVC3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算说明说明在实际操作过程中，在实际操作过程中，t tp p较容易测定，较容易测定，Q Qchch、Q Qmlml、Q Ql l、Q

25、Qa,sa,s、Q Qm m不易测定，因此，不易测定，因此，根据实际操作可得出不同窑炉的实际根据实际操作可得出不同窑炉的实际操作中总结出实际燃烧温度与理论燃操作中总结出实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值烧温度的比值 高温系数高温系数。pthtt pthtt 2-17 值见表3.3 3.3 燃烧计算燃烧计算计算计算在计算理论燃烧温度时，由于烟气的平均在计算理论燃烧温度时，由于烟气的平均比热比热C C随温度的变化而变化，依上述公式随温度的变化而变化，依上述公式计算时，须采用计算时，须采用“试差法试差法”。为了减少计算次数，可用为了减少计算次数，可用“内插法内插法”：即设：即设t t1 1 C C1

26、1 Q Q1 1，若，若Q Q1 1QQ，另设较小的，另设较小的t t2 2 C C2 2 Q Q2 2, ,使使Q Q2 2QTTTA A或或TTTTA A时，放热速率大于散时，放热速率大于散热速度及散热速率大于放热速率，则温度均不稳定。热速度及散热速率大于放热速率，则温度均不稳定。此时氧化反应速度低，属缓慢的氧化反应。此时氧化反应速度低，属缓慢的氧化反应。B B点是不稳定点，点是不稳定点，因为当混合气体温度因为当混合气体温度TTTTTTB B时，时，放热和散热速率均不相等，气体温度均要发生相应的放热和散热速率均不相等，气体温度均要发生相应的变化。变化。3.5 3.5 燃烧过程的基本理论燃烧

27、过程的基本理论 周围介质温度：周围介质温度：当周围介质温度当周围介质温度T TO O T TO O/ /时，时，曲线右移，当到达曲线右移，当到达曲线位置时，放热与散热速度曲线位置时，放热与散热速度相切，二者速度相等，相切，二者速度相等，则则C C点是稳定情况存在的极点是稳定情况存在的极限点。限点。当当T TO O继续升高而且继续升高而且TTO O/ /时，放热速度总是大时，放热速度总是大于散热速率，温度升高，反应加速，发生于散热速率，温度升高，反应加速，发生自然现象自然现象。C C点叫着火点，点叫着火点，T TC C叫着火温度。叫着火温度。结论结论着火温度不是一个定值；着火温度不是一个定值；与

28、燃料的组成及其参数、散热条件等有关。与燃料的组成及其参数、散热条件等有关。教材表教材表4-204-203.5 3.5 燃烧过程的基本理论燃烧过程的基本理论3 3、着火浓度范围、着火浓度范围气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内才能气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内才能着火燃烧，这一范围称着火浓度范围。着火燃烧，这一范围称着火浓度范围。在着火浓度范围内的可燃气体与空气的混合物，遇在着火浓度范围内的可燃气体与空气的混合物，遇到明火时可能产生爆炸现象，所以着火浓度极限又到明火时可能产生爆炸现象，所以着火浓度极限又叫爆炸极限。混合气体中可燃气体的含量低于下限叫爆炸极限。混合气体中可燃气体的含量

29、低于下限或高于上限时，在一般情况下不会着火燃烧或爆炸或高于上限时，在一般情况下不会着火燃烧或爆炸。爆炸极限由实验测定。教材表爆炸极限由实验测定。教材表4-214-214 4、固定炭的燃烧、固定炭的燃烧炭的燃烧是炭的燃烧是气气- -固两相反应固两相反应的物理的物理- -化学过程。化学过程。特点特点3.5 3.5 燃烧过程的基本理论燃烧过程的基本理论 氧气扩散至炭粒表面；氧气扩散至炭粒表面； 氧气与炭粒表面反应；氧气与炭粒表面反应； 生成物生成物COCO、CO2CO2从表面炭粒扩散出来。从表面炭粒扩散出来。过程过程机理机理（几种说法）（几种说法）氧气扩散至炭粒表面先氧化成氧气扩散至炭粒表面先氧化成

30、CO2CO2，当炭粒，当炭粒表面温度高时，则表面温度高时，则CO2CO2又可被炭还原面为又可被炭还原面为COCO，其过程是：其过程是： CO2+C=2CO22COCO一次反应二次反应3.5 3.5 燃烧过程的基本理论燃烧过程的基本理论氧气先扩散至炭粒表面生成氧气先扩散至炭粒表面生成COCO，COCO在扩散过程中在扩散过程中遇到氧又生成遇到氧又生成CO2CO2，其过程是：，其过程是：2222C+O =2CO2CO+O =2CO一次反应二次反应氧气扩散至炭料表面时，被炭吸附生成结构不氧气扩散至炭料表面时，被炭吸附生成结构不确定的吸附络合物确定的吸附络合物C CX XO OY Y，当温度升高时或在新的氧，当温度升高时或在新的氧分子的冲击下，分解放出分子的冲击下，分解放出COCO及及COCO2 2，其过