燃料及燃料燃烧计算

1、第二章 燃料及燃料燃烧计算,2-1 燃料的成分及其主要特性 2-2 燃料燃烧计算 2-3 烟气分析方法 2-4 空气和烟气焓的计算,2-1 燃料的成分及其主要特性,燃料总类,核能燃料可控核裂变与和聚变 有机燃料以各种形式在自然界存在的碳氢化合物,一、煤的成分及分析基准 可燃成分和不可燃成分组成的复杂组合物，结构非常复杂。 各组成元素并不单独游离存在，而是以复杂的化合物存在，成分十分不均匀。 煤的化学分析（元素分析）成分分为： c，h，o，n，s，a(ash)，m(moisture),可燃成分c，h，部分s 不可燃成分n，水分，灰分,c： 最主要的可燃质，煤是富含碳的燃料 一般含量：20%70%

2、 碳含量取决于碳富集程度，炭化及年龄。 燃烧产物主要是co2 碳的发热量：7800 kcal/kg，4.1827800 kj/kg 关于热量单位： kcal（工程），kj（国际）， btu（英制）,h： 发热量很高，达28600 kcal/kg，极易燃烧， 煤中含量很少，仅为2%5%， 液体燃料中可达到14%， 天然气中最多。,o： 1.氧不可燃，且不助燃，氧不以游离状态存在于煤中，与煤中的氢和碳组成化合物，占据部分可燃质，使煤发热量降低。 2.氧的含量115%，木柴中的氧含量达到20%25%。,n： 氮是一种不利的元素，在高温环境下，与氧形成氮氧化物，对环境危害极大。 煤中氮的含量1%。,s

3、: 部分s属于可燃质， 发热量仅2160 kcal/kg， 对锅炉设备及环境的危害很大， 硫的含量0.25%，甚至更高，超过2%，既为高硫煤。,灰分（ash）： 煤中不可燃矿物杂质，成分十分复杂，大多数煤的灰分含量7%40%。 1） 可燃物减少， ，着火困难，灰渣量增加，运行操作繁重； 2） ，炉内易结渣，使受热面传热恶化， 3）,水分(water、moisture)： 燃料中的主要杂质，约占560%。 内部水分（固有水分）105110 外部水分（表面水分）4550 化合水分（结晶水）灰分的一部分 瓷土 1） 水分进入炉内吸热汽化成水蒸气，对燃烧不利； 2）在烟气露点时，水蒸气与so2、so3

4、生成亚硫酸和硫酸，造成低温腐蚀； 3）,挥发份： 失去水分的煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度时，煤分解逸出的部分可燃质和矿物质。 主要成分是co、co2、cmhn、h2等。 收到基挥发份含量在5%40%之间。 挥发份的测定 挥发份对煤的着火、燃烧的影响 焦炭的性质焦结性 焦炭煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出后固体残余物质。 焦结性由于煤种不同，焦炭的物理性质、外观等各不相同焦结性状,焦炭结构特征 1） 粉状 2） 粘结 3） 弱粘结 4） 不熔融粘结 5） 不膨胀熔融粘结 6） 微膨胀熔融粘结 7） 膨胀熔融粘结 8） 强膨胀熔融粘结 焦结性对层燃炉燃烧过程的影响 1）粉状焦炭堆积

5、紧密，妨碍空气流动 烟气流速过大，易被气流携带，形成火床火口； 烟气流速过小，燃烧通风不畅，易从通风孔隙中漏入灰坑 2）强焦结性煤挥发分逸出后，焦炭呈熔融状态，粘结成片 内部固定碳难于空气接触而燃尽； 燃烧层通风不畅,煤的成分分析基准及其换算 用各个成分的质量百分数来表示; 水分和灰分所占质量较大，且随外界条件有较大的波动; 采用四种不同的“基”准的质量成分表示: 1.收到基ar； 2.空气干燥基ad； 3.干燥基d； 4.干燥无灰基daf.,1.收到基ar； 表示燃料中全部成分的质量百分数总和 是锅炉燃料燃烧计算的原始依据。 car+har+oar+nar+sar+aar+mar=100%

6、2.空气干燥基ad； 表示在不含外在水分的条件下，燃料各组成成分的质量百分数总和， 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。 cad+had+oad+nad+sad+aad+mad=100%,3. 干燥基d； 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百分数总和 干基中各成分不受水分变化的影响 cd+hd+od+nd+sd+ad=100% 4. 干燥无灰基daf； 表示在不含水分和灰分的条件下，干燥无灰燃料各组成成分的质量百分数总和， 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分，各成分不受水分和灰分变化的影响， 煤炭交易。 cdaf+hdaf+odaf+ndaf+sdaf=100%,图2-1,二、煤 的

7、主要特性,1燃料的发热量q：单位质量的固体、液体燃料，在完全燃烧时所放出的热量(kj/kg)；单位容积的气体燃料在完全燃烧时所发出的热量（kj/nm3） 2 高位发热量 ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量，含所生产水蒸汽汽化潜热，(kj/kg) 3低位发热量 ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量，扣除随烟气带走的水蒸汽的汽化潜热的热量，(kj/kg) 水分来自：h与氧的反应；燃料中的含水量mar 4各成分分析的高、低位发热量间的关系 5发热量的测定：采用氧弹测热仪 6发热量的计算,标准煤 单纯以燃煤量的多少来比较不同锅炉的经济性不妥，须折算到统一标准， 标准煤的概念，规定低位发热量为7000kc

8、al/kg（或者kj/kg，mj/kg）的煤为标准煤， 将发热量不是7000 kcal/kg的煤统一折算到7000 kcal/kg来进行比较。 用于计算和比较标准煤耗等,折算水分、折算灰分与折算硫分的概念 硫分、灰分与水分对锅炉工作的影响 1）降低煤的发热量 2）降低燃烧温度，不利于燃料的着火与燃烧 3）增加烟气容积，排烟温度升高，排烟损失增加， 锅炉效率下降 4）加剧锅炉受热面的低温腐蚀与积灰 5）增加通风电耗。 采用折算成分的目的 比较锅炉燃烧不同煤时，带入炉内的水、灰和硫的质量。 定义：每送入炉内1mj热量，随燃料带入炉内的某成分的质量。,折算成分的表达式 要产生同样的热量，带入锅炉的灰

9、量取决于煤灰分含量与发热量， 与灰分含量成正比，与发热量成反比。 采用此比例式来代表带入的灰量， 因该比值很小，故乘1000。,折算水分,折算灰分,折算硫分,灰的熔融特性 炉膛内温度很高，煤中灰颗粒一般呈熔化或软化状态，对锅炉工作影响极大。 对锅炉的主要危害是造成锅炉受热面结渣，传热恶化，掉渣灭火或事故。 灰分成分不同，发生熔化的温度也不同。 高熔点成分+低熔点成分，无固定的熔点， 灰分的组成：sio2、al2o3、各种氧化铁、cao、mgo、k2o、na2o等，不是单一物质，无固定熔点，采用角锥法测定特征温度 将灰制成特定形状的灰堆，加热升温1300以上，采用三个特征温度来表示灰的熔融特性。

10、 变形温度dt，软化温度st，流动温度ft 灰的熔融特性判别 长渣，短渣,变形温度：测试角锥开始变园或弯曲时的温度 软化温度：灰锥顶弯曲道平盘上或呈半球形时的温度 流动温度：灰锥熔融倒在平盘上，并开始流动时的温度 煤的可磨性衡量煤的机械强度的特性 可磨性系数：以风干状态下的硬质标准煤（一般以难磨的无烟煤kkm=1为基准）与待磨煤在相同颗粒度的情况下，磨制成相同细度的煤粉，各自电耗量之比。 为易磨煤 为难磨煤 煤的磨损指数,三、发电用煤的分类 根据煤的燃烧特性， 以挥发份、灰分、水分、硫分和灰熔融特性作为主要的分类指标， 以煤的发热量作为辅助分类指标 无烟煤：vdaf10%，含碳最多，发热量高，

11、难以 点燃； 贫煤： vdaf =1020%，灰分较多； 烟煤： vdaf =2040%，含碳多，灰、水少，发热量高 褐煤： vdaf 40%，水分与灰分高，发热量低，着火 与燃烧容易。 vamst分类标准,四、液体燃料和气体燃料 锅炉燃用的液体燃料主要是重油和渣油。 重油是石油提炼汽油、煤油和柴油后的剩余物， 渣油是进一步提炼后的剩余物。 重油 重油的成分与煤一样，也是由碳、氢、氧、氮、硫和灰分、水分组成。它的主要元素成分是碳和氢，其含量甚高(car=8187%，har=1114%)，而灰分、水分的含量很少，其发热量高而稳定,通常 = 4060043100kj/kg。,燃料油的特性指标 1）

12、粘度 粘度是液体对其自身流动具有的阻力，是表征流动性能的特性指标。粘度大，流动性能差，在管内输送时阻力就大，装卸和雾化都会发生困难。 恩氏粘度是以200ml试验重油在温度为t时，从恩氏粘度计中流出的时间与 200ml温度为20的蒸馏水从同一粘度计中流出的时间之比。 （1）重油的粘度和它的成分、温度、压力有关。加热温度愈高，重油的粘度愈小。因此，重油在运输、装卸和燃用时都需要预热。 （2）通常要求油喷嘴前的重油温度在100以上，粘度不大于4。,2）闪点和燃点 闪点在大气压下，重油表面油气和空气的混合物在标准条件下接触明火时，发生短暂的闪光（一闪即灭）现象的最低油温。 燃点当油面上的油气与空气的混

13、合物遇明火能着火持续燃烧（持续时间不少于5s）的最低油温。 重油的上闪点为80130，燃点比闪点高1030。 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标，因此燃料油的预热温度必须低于闪点。对于敞口容器中的油温至少应比闪点低10，对于封闭的压力容器和管道内的油温则可不受此限。 3）凝固点重油在倾斜45的试管中，经过1min不发生流动变化的最低温度。 重油凝固点与所含石蜡含量有关,含蜡量越高,油的凝固点越高。,气体燃料 气体燃料的种类,气体燃料的主要成分 1）天然气 甲烷约占8098%，其次是烷属重碳氧化合物和h2s，还含有少量n2、co2、h2o和矿物杂质，发热量很高， = 3349037680kj/n

14、m3。 2）高炉煤气 是炼铁的副产品，产量大。可燃气体co约占2030%，h2约占515%；惰性气体co2约占515%，n2约占4555%， =42006300 kj/nm3。 aar含量高达6080g/nm3。 3）焦炉煤气 是冶金企业炼焦的副产品，h2月占4661%，ch4=2130%，n2=78%，co2=23%, =1630017200 kj/nm3。 4）液化石油气,2-2 燃料燃烧计算,一、燃烧所需空气量及过量空气系数,计算前提 1空气量与烟气量的计算均以1kg燃料的收到基为基础； 2空气和烟气的所有组成成分（包括水蒸汽，分压很小），均可作理想气体，每摩尔气体在标准状态的容积是22

15、.4nm3； 3. 空气中只有o2和n2成分，其容积比为： 4. 气体容积计算的单位均为nm3/kg。,理论空气量,过量空气系数、实际空气量和漏风系数 1）过量空气系数燃烧时实际供给空气量与理论空气量之比： 炉膛出口处过量空气系数为平均值，与燃烧设备、燃料种类、燃烧方式等有关。层燃炉 ； 室燃炉 。 2）实际空气量： nm3/kg 3）漏风系数 锅炉运行时，炉中处于负压工作状态，炉外冷空气从炉墙、门孔几个受热面贯穿墙处漏入炉内，使炉内过量空气系数烟烟气流程逐渐增大，其值为：,要点 烟气侧：炉膛后直至排烟处，过量空气系数逐渐增大， 烟气侧过量空气系数， 存在一个最佳的过量空气系数，通常用炉膛出口

16、的过量空气系数表示; 空气侧：由锅炉送风机开始，均为正压， 空气侧过量空气系数; 逐渐减小，向外的漏风逐渐减少,二、燃烧产生的烟气容积计算,理论烟气量 计算理论烟气量中的各项气体的容积： 1、三原子气体烟气量 2、理论氮气量 3、理论水蒸气量,1、三原子气体烟气量,2、理论氮气量,3、理论水蒸气量 （1）由煤中的水分 （2）煤中氢元素转换的水分 （3）由理论空气量v0带入的水分，即相对于每kg燃煤带入的水蒸气容积 0.0161dv0 nm3/kg,实际烟气量 过量空气中的水蒸气容积,每kg燃料燃烧后产生的烟气的质量,三原子气体的容积份额 在辐射换热计算中，三原子气体ro2，h2o均参与辐射换热

17、。,烟气中的飞灰浓度 对辐射换热有较大的作用，即每kg烟气中飞灰的质量。 afh烟气携带出炉膛的飞灰占总灰量的份额 （afh=0.850.95）。,2-3 烟气分析方法,烟气分析的目的 对于一台正在运行中的锅炉，如何知道实际送入锅炉的空气量？如何知道空气量是否合适？锅炉燃烧调整？ 答案：通过实时、在线监测锅炉过量空气系数。 炉膛出口及烟道各处的过量空气系数？烟气分析测出某处的烟气成分，再由过量空气系数的计算式算出。,理论上烟气分析成分 1）=1，每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分： ro2、n2、h2o； 2）1，每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分： ro2、n2、h2o、o2； 3）1，每kg燃料不完全燃烧时产生的烟气成分： ro2、n2、h2o、o2、co； 烟气分析仪 1）奥氏分析仪 koh或naoh溶液吸收ro2 ，（%） 焦性没食子酸的碱性溶液吸收o2及ro2，（%） 氯化亚铜氨溶液吸收co及o2，（%） 2）色谱层析仪 3）红外线烟气分析仪,2-4 空气和烟气焓的计算,焓值的概念与计算 描述流动介质进行能量交换的关系时，焓是最有用和有效的； 单位质量的物质所含的全部热能，仅与状态有关，而与途径无关； 实际计算中需要知道燃烧产