燃料及燃料燃烧计算

第二章燃料及燃料燃烧计算燃料：能用来燃烧以取得热量的物质，是锅炉的根本能源

表3－1燃料的分类天然燃料人工燃料固体燃料木材、煤、页岩木炭、焦碳、煤粉液体燃料石油汽油、煤油、柴油、重油气体燃料天然气高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气、气化煤气、沼气等气体燃料：天然气，液化石油气，沼气，焦炉煤气，高炉煤气及发生炉煤气等。§2－1气体燃料和液体燃料天然气煤矿矿井气：52～60％CH4，>35％N2，热值18800kJ/Nm3气田煤气：94～98％CH4，压力高，热值36000kJ/Nm3油田煤气：75～87％CH4，>10％的C2H6和C3H8，5~10%CO2，热值45000kJ/Nm3凝析气田气：含有石油的轻质馏分用途：制取合成氨、炭黑、乙炔等化工产品的原料气，优质的燃料气高炉煤气：炼铁时的副产品，主要成分CO，其余为惰性气体CO2和N2，热值为3360～4200kJ/Nm3

沼气：60%CH4，35%CO2，还有少量的H2和CO，热值为14630kJ/Nm3

液化石油气：开采和炼制石油过程中而获得的一局部炭氢化合物，主要成分为C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，习惯上称C3,C4，热值为91960～121220kJ/Nm3炼焦炉煤气：冶金工业炼焦炉的副产品，是煤受热所析出的挥发分，主要成分50～60％H2，20%CH4，其余为少量CO2和N2，热值为15000～20000kJ/Nm3

空气煤气：煤在空气缺乏的条件下燃烧，所生成的CO，主要成分30%CO，56%N2，<10%H2，热值小于6000kJ/Nm3发生炉煤气水煤气：用水蒸汽与炽热的煤反响，可生成水煤气，主要成分40～50%CO，45～55%H2，其余为少量的CO2和N2，热值为8300～10500kJ/Nm3锅炉燃用的油主要是重油和柴油重油：由不同成分的炭氢化合物组成的复杂混合物，由碳、氢、氧、氮、硫、灰份、水分等组成，Car＝81～87％，Har＝11～14％，Sar，Oar，Nar总量约为1～3％，Mar=1～3%，Aar<1%，Qar,net,p=37.6～42MJ/kg粘度：温度对粘度的影响最大，影响流动和雾化主要性质液体燃料：项目重油牌号2060100200恩氏粘度（°E）（80℃不大于）5.011.015.5恩氏粘度（°E）（100℃不大于）5.5～9.5闪点（开口）（℃）不低于80100120130凝固点（℃）不高于15202536灰分（％）不大于0.30.30.30.3水分（％）不大于1.01.52.03.0硫含量（％）不大于1.01.52.03.0机械杂质（％）不大于1.52.02.52.5煤是远古植物在地质变化中形成的，因此，它含有一般植物所含的形成有机物的炭、氢、氧、氮、硫等元素，以及灰份和水份等惰性物质。§2－2煤的成分及性质煤的分类过去煤分类多沿用煤的气化、炼焦、煤化工等分类方法分类〔包括褐煤、长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、不粘煤、无烟煤〕，根据锅炉设计、运行的经验，发现该法不适于动力用煤的分类，于是按枯燥无灰基挥发份的含量分类为无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤等种类煤种干燥无灰基挥发份含量Vdaf[%]燃烧特性无烟煤≤8难着火及燃烧完全贫煤>8-19较难着火及燃烧完全低挥发份烟煤20-30易着火及燃烧完全高挥发份烟煤30-40易着火及燃烧完全褐煤40-50易着火及燃烧完全动力燃料用煤的分类方法C+H+O+N+S+A+M=100%可燃质惰性质用百分比表示煤的成份：氧(O)不能产生热量，形式上为有机成分，实为燃料内部杂质，地质年代高的煤含氧量低，相反那么高。硫(S)

是煤中可燃成分之一，但也是有害的成分。发热量9100kJ/kg，燃烧产物为SO2、SO3气体。煤中硫可以分为有机硫和无机硫，我国煤中大约60～70％的硫为无机硫，30～40％为有机硫还有磷(P)〔含量不超过1％〕和其它稀有元素，如汞〔Hg〕、砷〔As〕、硒〔Se〕、锗(Ge)、镓(Ga)、铍(Be)、锂(Li)、钒(V)及放射性元素铀(U)等，一般含量甚微。煤种元素炭氢氧氮褐煤(ligniteorbrowncoal)60～756～530～103～1烟煤bituminouscoal75～905～410～23～1无烟煤anthracite90～98<423～1炭、氢、氧、氮四种元素在不同煤中的含量〔％〕水分(M)：外部水分内部水分煤样置于105～110℃的烘箱中使枯燥至恒重，失去的水分化合结晶水分：石膏CaSO4•2H2O，高岭土Al2O3•2SiO2•2H2O

水分对锅炉运行的影响煤种褐煤烟煤无烟煤在地下自然状态60～3015～44～2在空气中风干之后40～108～12～1煤中的水分含量(%)煤中所含的矿物杂质燃烧后的固体残留物灰分(A)：煤中的不可燃成分，降低煤的发热量，灰份每增加1％，燃料消耗即增加1％使受热面受污染影响传热，导致排烟温度升高，降低热效率使受热面磨损易产生炉内结渣，并会腐蚀金属管壁除灰渣系统任务重灰分对锅炉运行的影响：灰熔点—表示了灰的熔化特性，一般在1000～1600℃之间， 变形温度DT（DeformationTemperature) 开始软化温度ST（SofteningTemperature） 熔化温度FT(FluidTemperature)注：同一煤质，在复原性气氛中要比在非复原性气氛中的熔化温度低，是由于Fe2O3被复原为FeO，形成了低熔点的2FeO·SiO2物质易熔灰：ST<1200C，适于液态排渣炉难熔灰：ST>1400C，适于固态排渣炉煤的成分通常用质量百分数表示，由于灰份和水份因外界条件而变化，为了实际应用的需要通常采用如下四种基准：枯燥无灰基(dryandashfree):即可燃基，以可燃质的成份作为100%枯燥基(dry)：以除去水分之外的可燃质和灰份为100%收到基〔asreceived〕：即应用基，以包含水分、灰分和可燃质为100%空干基〔airdry〕：即分析基，煤样在试验室中放置，在室温20℃相对湿度60％〔颗粒<0.2mm〕的一般正常条件下，它会失去一些水份，以这种空气枯燥过的分析用试样为100%§2－3煤的成分基准及换算收到基：Mar+Var+FCar+Aar=100[%]空干基：Mad+Vad+FCad+Aad=100[%]枯燥基：Md+Vd+FCd+Ad=100[%]枯燥无灰基：Mdaf+Vdaf+FCdaf+Adaf=100[%]煤的元素分析成份不同基准的表达：收到基：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100[%]空干基：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100[%]枯燥基：Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100[%]枯燥无灰基：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100[%]煤的工业分析成份不同基准的表达：注：一般煤的元素分析、工业分析以及发热量等测定都要求煤的分析基试样。不同基之间的换算关系(以C元素为例)：收到基，计算分析基成份：收到基，求枯燥无灰基的成份：1kg收到基：还包括发热量Q、焦渣特性、灰熔点、颗粒度煤的工业分析气态物质固态物质灰分Aad（%）－测定值固定炭FCad（%）－求定值水分Mad(%)－测定值挥发分Vad（%）－测定值§2－4煤的工业分析和燃烧特性煤在隔绝空气的情况下加热至一定温度时，煤中的局部有机物和矿物质便发生分解，析出的气态产物。实验室测试:900±10C加热7min主要成分：H、CmHn、CO、CO2、少量O和N。煤的种类析出温度泥煤100～110℃褐煤130～170℃烟煤～190℃贫煤～390℃无烟煤380～400℃挥发分开始析出的温度随煤的种类而变化煤的挥发分：煤种褐煤烟煤贫煤无烟煤挥发分Vdaf40～6020～4010～20<10不同煤种的挥发分〔％〕煤受热析出挥发分后余下产物的焦结程度。一般炼焦煤〔Vdaf=18～26%〕的焦结性最大，适于炼焦炭。对层燃炉燃烧的影响：结焦性过强，导致通风不均，难于燃尽；结焦性过弱，易受热而松散，落到炉排下面，而损失掉。焦结性：发电用煤的分类：VAMSST及Q分类方法

例如：V4A1M1S2ST1元素分析与工业分析间的关系：煤单位质量完全燃烧时所放出的热量煤的发热量注：我国在有关的锅炉计算中以低位发热量为准高位发热量Qgr：计入燃烧后水蒸汽的潜热低位发热量Qnet：不计入燃烧后水蒸汽的潜热高位发热量与低位发热量间的换算关系：注：高位发热量之间才能乘换算因子在缺少氧弹测热器的测试数据时，可用下式近似地求出可燃基低位发热量：该式的精确度与煤的折算灰份含量有关：当折算灰份≤6％时，误差＜±630KJ/kg当折算灰份＞6％时，误差＜±840KJ/kg氧弹所测发热量换算为分析基低位发热量Qad,net,p煤的折算成份科学地比较不同煤种的水份、灰份、硫份，以1兆焦为基准时所含成份的克数〔SI〕。过去以发热1000大卡为标准折算水份：折算灰份：折算硫份：标准煤：便于比较不同燃煤装置耗煤量或效率，以标准煤为比较基准，假定发热量7000kcal/kg，无具体成分。项目挥发份（％）82.3221.7231.6873.78固定炭（％）16.3566.2240.3214.95灰份（％）1.3312.0628.011.27炭（％）48.4572.9951.7244.8氢（％）5.854.643.555.35氧（％）43.897.3214.7638.19氮（％）0.470.720.790.38硫（％）0.012.271.180.01灰份（％）1.3312.0628.011.27高位发热量（kJ/kg）19380297812077617330杨树大同烟煤元宝山褐煤蔗渣固体燃料枯燥基成份比较O2－20.95％，N2－78.09％，Ar－0.93％,CO2－0.03％工程计算中近似为：O2－21％，N2－79％空气性质：标准条件下空气密度1.293kg/m3,空气中也含有水蒸汽，一般假定每标准立方米干空气带来0.0161标准立方米的水蒸汽，或者是10g/(kg干空气)。空气容积组成：§2-5燃烧所需的理论空气量每1kg燃料中可燃质完全燃烧，且空气中的氧完全用完情况下所需的空气量，V0以C为例：C+O2 CO2123244因此，1kgC完全燃烧需氧32/12=8/3kg同理，1kg硫完全燃烧需1kg氧；1kg氢完全燃烧需要8kg氧，理论空气量其中，ρO2=1.4286kg/Nm3因此，1kg燃料所需氧的容积为：理论空气量为：V0=V0O2×1/0.21V0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar即在缺少元素分析成份时，可根据燃料的低位发热量近似地估算理论空气量液体燃料贫煤及无烟煤〔〕烟煤（）劣质烟煤α=Vα/V0

实际空气量〔Vα〕与理论空气量〔V0〕之比值称为过量空气系数，以α表示过量空气系数空燃比＝空气质量/燃油质量空燃比：混合气中的空气与燃料的质量比如,1kg汽油约需要14.8kg空气，空燃比为14.8，此时称为汽油机的理论混合气烟道中任一截面处的过量空气系数：燃料完全燃烧时燃烧产物：CO2，SOx，H2O蒸汽，NOx，N2和O2在燃烧不完全时，还会有未燃尽的CO,CH4及H2等，一般CH4，H2很少，可忽略，只分析CO即可。§2-6燃料燃烧产物一、理论烟气量理论烟气量：燃料在供给理论空气量的情况（即）下完全燃烧后所产生的烟气量C+O2 CO21232441kg碳完全燃烧产生Nm3的CO2，碳产生的CO2为1kg硫完全燃烧产生Nm3的CO2，硫产生的SO2为于是其中为当量炭燃料氮空气中的氮气氮气的来源〔1〕燃料中水份带来的水蒸汽容积〔2〕燃料中氢燃烧生成的水蒸汽容积〔3〕理论空气量带入的水蒸汽容积注：一般认为1kg干空气中含有10g水蒸汽水蒸汽有四个来源于是，蒸汽雾化重油时的理论水蒸汽容积为当没有蒸汽雾化时，就不考虑最后一项〔4〕在燃油炉中，当采用蒸汽雾化重油时，那么喷入的水蒸汽容积其中为雾化用蒸汽消耗率，单位为kg/kg二、实际烟气量燃烧是在过量的空气条件（）下进行的，于是实际烟气量为烟气中水蒸汽的总量为烟气的总体积为其中，为干烟气的容积三原子气体容积分数和分压力为水蒸汽容积分数及分压力烟气中飞灰浓度（kg/kg）烟气质量Gy即从烟气分析知道干烟气中〔RO2+CO〕的容积百分比，因此干烟气的总体积Vgy为1kg当量炭Kar燃烧后产生22.4/12=1.867Nm3的RO2和CO，三、根据烟气分析结果推算烟气体积燃料的水份Mar，氢Har，再计入空气带来的水蒸汽，那么可求出水蒸汽的总体积VH2O，于是求出烟气的体积四、根据烟气分析结果推算过量空气系数α=Vα/V0，那么有式中N2α-1为与过量氧对应的过量氮，该式忽略了燃料中的Nar。现烟气分析中RO2+O2+CO+N2=100%，CO完全燃烧还要体积为0.5CO的氧，因此过量的氧为O2–0.5×CO,空气中氧氮比例为21/79，故与过量氧对应的氮为N2α=N2N2＝100－〔RO2+O2+CO〕,代入上式得，无CO时，该式为奥氏烟气分析方法假设燃料中Har’>0，一局部氧与自由氢化合生成水蒸汽，那么RO2+O2+N2=100[%]假设计入与自由氢结合的氧，那么假设燃料中没有自由氢，只有当量炭，那么RO2+O2=21[%]RO2+O2<21[%]