燃料燃燒陳敏

1、耐火材料與燃料燃燒耐火材料與燃料燃燒11 . 1 概述凡是在燃燒時能夠放出大量的熱，并且此熱量能夠經(jīng)濟地利用在工業(yè)和其他方面的物質(zhì)統(tǒng)稱為燃料。燃料按其物態(tài)可分為氣體燃料、液體燃料和固體燃料，按其獲得的方法可分為天然燃料和人造燃料。表11-1給出了燃料的一般分類。11 . 1 . 1 世界能源利用概況在世界燃料構(gòu)成中，各種燃料的使用比例是不斷變化的。 18 世紀 60 年代世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了第一次大轉(zhuǎn)變，即從木材轉(zhuǎn)向煤炭。到 20 世紀 20 年代世界能源發(fā)生第二次轉(zhuǎn)變，即從煤炭轉(zhuǎn)向石油和天然氣。 20 世紀 50 年代，煤一度成為燃料的主角，之后其所占比重日益下降，而石油所占比重則日益增加。到

2、 20 世紀 80 年代，石油已成為燃料中的主角。然而，由于現(xiàn)有能源的資源有限，特別是新的技術革命的興起，促使新興工業(yè)（電子和電腦工業(yè)、空間工業(yè)、海洋和生物工程等）蓬勃發(fā)展，將使世界能源結(jié)構(gòu)經(jīng)歷第三次大轉(zhuǎn)變，即從油、氣為主的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向可再生的、分散的和多樣化的能源。表 11-2 給出了專家們對世界能源情況及可使用年代的估計值。11. 1 . 2 我國能源工業(yè)現(xiàn)狀和能源政策11. 1 . 2 . 1 能源產(chǎn)量迅速增長，需求壓力依然很大經(jīng)中華人民共和國成立后 50 多年特別是改革開放以來 20 多年的持續(xù)努力，我國能源產(chǎn)量逐步增加，供需矛盾有所緩解（見表 11 一 3 ）。 2003 年，我國一

3、次能源總產(chǎn)量 16 . 03 億噸標準煤，約占全球能源生產(chǎn)總量的 11 % ，是世界第三大能源生產(chǎn)國，其中煤炭 16 . 67 億噸，位居世界首位；原油 1 . 7 億噸，是世界第五大石油生產(chǎn)國；天然氣 350 108 m3 ，居世界第 17 位；水電 2800 x 108kw h ，居世界第 4 位。2011 年我國一次能源消費量達 34.8 億噸標準煤。首次超過美國成為了世界第一大能源消費國。2011 年我國能源生產(chǎn)構(gòu)成中，煤炭占 78.6% ，石油占 9.2% ，天然氣占3.9% ，水電和核電占8.3。可見我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主。2014年全國非化石能源發(fā)電量已占到25%左右（火電量占

4、75%左右）11.1.2.2 能源結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，結(jié)構(gòu)調(diào)整任重道遠在我國一次能源消費中，煤炭消費比重由1990年的76.2%，下降到2003年的67.1%（2011年78.6%）；原油、天然氣、水電等的比重分別由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開發(fā)進一步得到重視。與世界平均水平比較，我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭比重過高，多年來保持在65%以上。在電力結(jié)構(gòu)方面，水電占有一定比例，可開發(fā)潛力還很大；核電比重過小；燃氣電站剛剛起步。同時，受天然氣價格制約，競爭力不高；采用清潔煤技術的發(fā)電裝機在煤電中的比例很??；風能、太陽能等新能

5、源發(fā)電存在成本高、技術特性差等問題，大規(guī)模開發(fā)利用需要強有力的組織規(guī)劃和政策支持。11.1.2.3 能源技術水平不斷提高，與國際先進水平仍有差距(1）煤炭工業(yè)。已具備設計、建設、裝備及管理千萬噸級露天煤礦和大中型礦區(qū)的能力，綜合機械化采煤等現(xiàn)代化成套設備廣泛使用，擁有了一批世界先進水平的大型煤礦。但與國際先進水平比較，我國多數(shù)煤礦規(guī)模小、生產(chǎn)技術水平低、裝備差、效率不高。2003年我國平均單井產(chǎn)量約6萬噸，采煤機械化程度僅45%，遠低于國際先進水平。11.1.2.3 能源技術水平不斷提高，與國際先進水平仍有差距(2）電力工業(yè)?？傮w裝備水平進步很快，300,600MW等極大型機組正在成為發(fā)電裝備

6、的主力軍，水電設備達到國際先進水平。形成了以區(qū)域電網(wǎng)為主，比較完備的500kv和330kv主網(wǎng)架750kv示范工程啟動，電網(wǎng)運行基本實現(xiàn)了自動化、現(xiàn)代化管理；電網(wǎng)發(fā)展進入大規(guī)模跨區(qū)送電和全國聯(lián)網(wǎng)的新階段，并向高效、環(huán)保、安全、經(jīng)濟的更高目標邁進。全國供電標準煤耗從1975年的4719/(kwh）下降到2003年的3819/(kwh）。我國制造600MW及以下常規(guī)燃煤發(fā)電設備的性能價格比具有明顯的國際競爭優(yōu)勢。另一方面，我國電力工業(yè)還存在關鍵技術設備自主開發(fā)生產(chǎn)能力弱等問題。清潔煤發(fā)電、核電、大型（超）臨界機組、大型燃氣輪機、大型抽水蓄能電站和高壓直流輸電設備技術開發(fā)和設備生產(chǎn)與國際先進水平還有

7、相當差距。(3）石油天然氣工業(yè)。建立了從科學研究、勘探開發(fā)、地面工程建設到裝備制造的完整體系，復雜斷塊勘探開發(fā)、提高油田采收率等技術達到國際領先水平。同時，我國石油天然氣技術發(fā)展也面臨著嚴峻挑戰(zhàn)：近些年來，石油地質(zhì)理論一直沒有大的突破，地球物理勘探技術還不適應復雜地區(qū)、南方海相地層和深?？碧叫枰?，巫待理論發(fā)展和技術創(chuàng)新。(4）新能源與可再生能源。我國在小水電設計、施工、管理和設備制造方面處于國際先進水平，但在風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等具有大規(guī)模開發(fā)利用潛力的新能源和可再生能源技術方面，與世界先進水平差距很大。目前，世界風力發(fā)電的主力機型為1000一2000kw,4000kw以上風電機組已在試運行，

8、而我國剛剛掌握單機容量750kw及以下風電機組的制造技術。另外，世界主要國家都在抓緊研究有可能成為新一代主力能源技術的氫能技術、天然氣水合物開發(fā)技術和核聚變發(fā)電技術等，我國在此方面的重視程度和投入力度相對不夠。11.1.2.4能源體制改革取得突破性進展，體制約束尚未完全消除煤炭生產(chǎn)、銷售已全面市場化，煤炭價格基本取決于市場供求狀況。石油天然氣行業(yè)已經(jīng)形成了幾個上下游、內(nèi)外貿(mào)一體化的大型企業(yè)集團。國家戰(zhàn)略石油儲備等石油安全保障體系和應急機制建設已起步。電力體制改革方面，明確了改革的總體目標是“打破壟斷，引入競爭，提高效率，降低成本，健全電價機制，優(yōu)化資源配置，促進電力發(fā)展，推進全國聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建政府

9、監(jiān)管下政企分開、公平競爭、開放有序、健康發(fā)展的電力市場體系”；提出了廠網(wǎng)分開、重組國有電力資產(chǎn)，組建電網(wǎng)、發(fā)電公司及競價上網(wǎng)、實行電價新機制等改革方案。根據(jù)“總體設計，分步實施，積極穩(wěn)妥，配套推進”和“先主后輔，先上后下，先易后難”的原則，2002年底，國家電力監(jiān)管委員會、兩大電網(wǎng)公司、5個發(fā)電集團和4個輔業(yè)公司相繼成立，標志著廠網(wǎng)分開在中央層面的改革基本完成。目前，電力體制改革正穩(wěn)步推進，電價機制和電力項目審批制度改革也在積極進行中。政府宏觀調(diào)控，企業(yè)自主經(jīng)營、適度競爭，市場在資源配置中起基礎性作用的新型能源工業(yè)體制正逐步形成。但必須清醒地認識到，我國能源體制約束尚未完全消除，許多工作需要進

10、一步深入。煤炭工業(yè)體制存在的間題，一是企業(yè)機制轉(zhuǎn)換滯后、不適應建立社會主義市場經(jīng)濟體制的要求，主要表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)集中度低、社會負擔沉重、大多數(shù)企業(yè)競爭力不強；二是煤炭流通的市場化體制尚未建立鐵路運輸改革、建立煤炭交易市場等配套改革滯后；三是宏鼓勵優(yōu)勢煤炭企業(yè)跨區(qū)經(jīng)營的體制環(huán)境沒有完全形成。石油天然氣領域，油氣資源市場準入，建設適應WTO要求的原油、成品油和天然氣市場體系及完善政府宏觀調(diào)控與監(jiān)管體系等方面還有大量需要解決的問題。全面落實國務院發(fā)布的電力體制改革方案）還需要做大量艱苦細致的工作，付出較長時間的努力。11.1.2.5能源可持續(xù)發(fā)展逐步受到重視能源與資源、環(huán)境和社會發(fā)展的矛盾日益突出與世界

11、發(fā)達國家主要表現(xiàn)在幾個方面：一是能源開發(fā)利用技術落后仍是造成環(huán)境污染的重要因素；二是資源利用率低，損失浪費嚴重；三是能源生產(chǎn)安全形勢嚴峻。11.1.2.6 農(nóng)村能源建設成績顯著，偏遠地區(qū)農(nóng)村生活用能狀況亟待改善。為解決廣大農(nóng)村能源供應問題求實效”的方針，國家先后實施了改灶節(jié)柴、推廣沼氣、農(nóng)村電氣化縣、農(nóng)村能源綜合建設試點縣、農(nóng)村電網(wǎng)改造和送電到鄉(xiāng)等一系列重大工程，使我國農(nóng)村能源面貌發(fā)生了巨大變化。農(nóng)村生產(chǎn)用能發(fā)展存在的主要問題是：第一，生活用能商品化程度總體偏低，多數(shù)農(nóng)民仍以薪柴和秸桿為主要生活燃料，不僅影響生活條件的改善，而且導致植被嚴重破壞，使農(nóng)村生態(tài)環(huán)境日趨惡化；第二，地區(qū)發(fā)展不平衡，西

12、部農(nóng)村普遍存在生活能源短缺間題，東中部山區(qū)和貧困地區(qū)農(nóng)村生活用能狀況也需要進一步改善。11.1.2.7節(jié)能成效明顯，能源效率與國際先進水平差距較大通過經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術進步和加強管理，我國節(jié)能提效工作取得了顯著成績。萬元GDP產(chǎn)品能耗由1990年的5. 32t標準煤減少到2002年的2.68t標準煤，下降了50%；主要用能單位能耗與國際先進水平差距明顯縮?。荒茉醇庸?、轉(zhuǎn)換、貯運和終端利用綜合效率達到33%，比1990年提高5個百分點。12年來我國以年均增長3.6的能源消費支持了9.7的經(jīng)濟發(fā)展速度。但與世界先進水平比我國能源效率還有很大差距。目前，我國綜合能源利用效率比發(fā)達國家低10個百分點，

13、鋼鐵、有色、建材、化工等八大行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗平均比國外先進水平高40%； 鍋爐、電機、機動車等主要用能設備和建筑物普遍存在能效低的問題。根據(jù)有關專家測算，不考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整因素，僅通過改進技術裝備，我國節(jié)能潛力就有26以上。按2003年能源消費水平可減少能源消耗4.36億噸標準煤，相當于3億噸石油。11.1.2.7 節(jié)能成效明顯，能源效率與國際先進水平差距較大通過經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術進步和加強管理，我國節(jié)能提效工作取得了顯著成績。 但與世界先進水平比我國能源效率還有很大差距。目前，我國綜合能源利用效率比發(fā)達國家低10個百分點，鋼鐵、有色、建材、化工等八大行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗平均比國外先進水平

14、高40%； 鍋爐、電機、機動車等主要用能設備和建筑物普遍存在能效低的問題。根據(jù)有關專家測算，不考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整因素，僅通過改進技術裝備，我國節(jié)能潛力就有26以上。按2003年能源消費水平可減少能源消耗4.36億噸標準煤，相當于3億噸石油。11.1.3我國主要能源政策(l）大力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。 (2）不斷提高能源利用效率。（3）高度重視環(huán)境保護。 ( 4 ）切實保障能源安全。 ( 5 ）積極開發(fā)西部能源。 11 . 2 燃料的組成及其表示方法燃料是由多種可燃與不可燃物質(zhì)組成的混合物。由于不同燃料的組成差別很大，因此對氣體燃料、液體燃料和固體燃料分別介紹。 11 . 2 . 1 氣體燃料任何一種氣體

15、燃料都是由多種可燃性氣體成分（如 CO ，H2， CH4 , C2H2 ， H2 S 等）、不可燃性氣體成分（如 CO2 ，N2 ， O2 等）以及水蒸氣等組成的混合氣體。含不可燃氣體成分量越高，氣體燃料的熱值就越低。表 11- 6 列出了常用氣體燃料的成分。11.2.2 固體燃料本節(jié)主要介紹能源工業(yè)中最常使用的固體燃料煤。煤是由多種有機可燃質(zhì)、不可燃的無機礦物（灰分）及水混合組成。11.2.2.1 可燃質(zhì)( 1 ）碳。碳是煤中的主要可燃元素，它在燃燒時放出大量的熱。煤的含碳量越高，其碳化程度越高。( 2 ）氫。氫也是煤的主要可燃元素，它的發(fā)熱量約為碳的 3 . 5 倍，但它的含量比碳小得多。

16、( 3 ）氧和氮。煤中的氧和氮都是不可燃成分。氧使發(fā)熱量降低（結(jié)合可燃成分）；氮以自由狀態(tài)轉(zhuǎn)入燃燒產(chǎn)物（氮氣）。( 4 ）硫。有機硫、黃鐵礦硫。11 . 2 . 2 . 2 灰分灰分是指煤中所含礦物雜質(zhì)（主要是硫酸鹽、鉆土礦物質(zhì)及微量稀土元素）在燃燒過程中經(jīng)過高溫分解和氧化后生成的固體殘留物。煤中灰分是一種有害成分，對煤的發(fā)熱量有較大影響，由此而引起的燃燒裝置堵塞、磨損、惡化傳熱等問題也更多，這給設備的維護與運行增加了困難。在燃煤裝置中，灰分的熔點對運行的經(jīng)濟性與安全性有很大影響。11 . 2 . 2 . 3 水分水分是燃料中不可燃雜質(zhì)，它不僅降低了燃料的可燃質(zhì)，而且在燃燒時還要消耗熱量使其蒸

17、發(fā)和將蒸發(fā)的水蒸氣加熱。將煤中所含水分劃分為外部水分與內(nèi)部水分。外部水分指不被燃料吸收而機械地吸附于煤炭表面的水分，其含量與大氣濕度和外界條件有關，并可用自然干燥的方法去除。隨運輸和儲存條件變動很大。內(nèi)部水分指達到風干狀態(tài)后吸附于燃料內(nèi)部的水分。結(jié)晶水中H計入可燃氫。11 . 2 . 2 . 4 成分表示法及其換算固體燃料的組成通常用各組分的質(zhì)量分數(shù)表示。各種煤都是由 C , H , O , N , S 、灰分、水分 7 種組分組成。( 1 ）應用基成分（以上角標 用 表示）。按實際進入燃燒裝置的燃料來計算成分，計入燃料中全部水分和灰分，即 C用 % + H用 % + O用 % + N用 %

18、S用 + A用 % + W用 % = 100 % 式中，以C用 % 、 H用 % 、 O用 % 、 N用 % 、 S用 、 A用 % 、 W用 %分別表示燃料中 C、H、O、N、S、灰分和水分的應用基質(zhì)量分數(shù)。( 2 ）干燥基成分（以上角標 干 表示）。按干燥燃料計算燃料成分稱為燃料干燥基成分。即C干 + H干% + O干% + N干% S干 + A干% = 100 %11 . 2 . 3 液體燃料冶金常用的液體燃料為石油加工產(chǎn)品，它的元素組成主要是碳和氫。其中碳的質(zhì)量分數(shù)為 85 87 % （液體燃料均以質(zhì)量分數(shù)表示其化學組成），氫的質(zhì)量分數(shù)為 11 14 。此外，還常含有少量 S , N

19、, Na , Ca , Mg 等元素。其中包括多種烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等。液體燃料的組成中含水分量較低，一般規(guī)定不超過 2 。液體燃料的組成用其應用基質(zhì)量分數(shù)表示。 11.3各種燃料的發(fā)熱量燃料的（高）發(fā)熱量（又稱熱值），是指在某一溫度下（通常為1525）,1kg液體（或固體）燃料或1Nm3氣體燃料，在與外界無機械功交換條件下，完全燃燒后，再冷卻至原溫度時所釋放的熱量（水蒸氣冷凝為液態(tài)水），其單位為kJ/kg或KJ/Nm3。用Q高表示。實際燃燒過程水蒸氣為氣態(tài)，此時放出熱量為低發(fā)熱量。用Q低表示。 Q高Q低25.12(9H+W)(kJ/kg)(11-10)式中 Q高燃料應用基低位發(fā)熱量，kJ/

20、kg; Q低燃料應用基高位發(fā)熱量，kJ/kg; 2512水的氣化潛熱，KJ/kg; 11 . 4 氣體燃料氣體燃料在各種工業(yè)爐窯、冶金爐及鍋爐中得到廣泛應用。它具有以下優(yōu)點。 ( 1 ）燃燒方法比較簡單，且能達到較高的燃燒效率； ( 2 ）易于控制燃燒過程，使爐溫、爐內(nèi)氣體成分等參數(shù)達到生產(chǎn)工藝要求； ( 3 ）可對燃料實現(xiàn)高溫預熱，這不僅有利于回收煙氣余熱，且能達到較高的燃燒溫度； ( 4 ）對已凈化的氣體燃料，其煙氣中幾乎無固體灰渣，這不僅大大減少了設備的磨損，而且降低了對環(huán)境的污染； ( 5 ）某些氣體燃料實際上是生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品，如加以利用，可達到節(jié)能的效果。 11 . 4 氣體燃料氣

21、體燃料在使用時，應注意以下問題。 ( l ）對管道的腐蝕。由于 NH3在水中呈堿性，H2S , HCN , SO2 及 CO2 在水中呈酸性， O2 在水中會引起氧化性腐蝕。因此，當燃料中含有上述成分并含有水分時將會腐蝕管道，為此應去除燃料中所含水分。 ( 2 ）對人的毒性。氣體燃料中常含有H2S , HCN ,CO , SO2 及 CO2等有毒成分，當其超過毒性極限時可致死，在使用氣體燃料時必須十分重視這一問題。 ( 3 ）爆炸極限范圍。氣體燃料中某些氣體成分，當它與空氣達到一定的混合比例時，就可能達到爆炸極限范圍。常用氣體燃料特性：( l ）天然氣。天然氣是由低分子的碳氫化合物、硫化氫（H

22、2S ）以及少量的 N2 、 CO2 、水蒸氣和礦物雜質(zhì)組成的。其熱值很高，一般均在 33500 54400kJ/Nm3。由于產(chǎn)地不同，天然氣成分存在很大區(qū)別。氣田氣是從地下氣層中引出的，其主要成分是甲烷，體積分數(shù)可高達 95 98 % ，還有 2 3 的相對分子量稍大的烷類化合物，如乙烷、丙烷等。氣田氣中的 CO2 , N2和H2S 的體積分數(shù)很少，通常在 1 2 以下。油田氣主要產(chǎn)于油田附近，為石油的伴生物，是伴隨石油一起開采出來的，主要成分仍是甲烷，但其體積分數(shù)比氣田氣稍低些，約為 75 87 % ；乙烷、丙烷等稍重的碳氫化合物約占 10 % , CO2 約占 5 10 % ，氮和硫的的

23、體積分數(shù)一般較低。( 2 ）焦爐煤氣：焦爐煤氣是用煤煉焦時的副產(chǎn)品。煤在 1 000 高溫的焦爐炭化室內(nèi)進行干餾，得到的可燃氣體稱為焦爐煤氣。 其中所含氫氣的比例最大，約為 46 61 。甲烷約為 21 30 、一氧化碳約為 5 8 。焦爐煤氣的熱值很高，低位熱值約為 13 200 20 900 kJ/Nm3。焦爐煤氣可作為生活用煤氣，也可以和高爐煤氣混合成熱值約為 8 360 kJ/Nm3 的混合煤氣作為鍋爐和加熱爐的燃料。 ( 3 ）高爐煤氣：高爐煤氣是高爐煉鐵時的副產(chǎn)品。其主要可燃成分是CO（約占 25 31% ) ，其次是H2（約占 2 3 % ) ，甲烷的體積分數(shù)不超過 1 % ，并

24、含有大量的 N2 （約占 57 60 % ）和 CO2 （約占 4 10 % ) ，因而高爐煤氣的熱值不高。低位熱值約為 3 450 4 180kJ/Nm3。高爐煤氣中還含有相當多的灰塵，因此使用前應當凈化，例如用水洗滌。煤氣中水分量會達到煤氣在某溫度下的飽和含水量。高爐煤氣主要作為熱風爐、鍋爐和加熱爐的燃料，也可用于發(fā)電。高爐煤氣是一種較難燃燒的氣體燃料。注意人身安全。( 4 ）液化石油氣 大部分液化石油氣是煉油過程中的副產(chǎn)品，其主要成分是具有 3 4 個碳原子的烴類化合物，例如丙烷、丁烷、丁烯等。這些烴類化合物在常溫下加壓（約 1 . 01MPa ）便可使其液化。然后由高壓罐儲存、運輸。在

25、使用時令其減壓氣化，因而它既具有氣體燃料的燃燒組織方便的特點，又具有液體燃料的存儲與運輸方便的特點。液化石油氣的熱值相當高。當處于液態(tài)時低位熱值約為 4520046100kJ / kg 。液化石油氣除了可在石油煉制過程中獲得外，還可以在開采石油和天然氣時分離得到。 ( 5 ）轉(zhuǎn)爐煤氣 在純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中會產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)爐煤氣。其主要成分為 CO ，體積分數(shù)達 45 65% ，其低位發(fā)熱值約為 63007 500kJ / Nm3，所以是一種較好的燃料。在冶金工業(yè)中常作為混鐵爐、熱風爐、鋼包烘烤設備的燃料，也可作為化工原料。( 6 ）發(fā)生爐煤氣。在高溫下氣化劑與煤的化學反應，可使煤轉(zhuǎn)化為可燃氣

26、體，這一過程稱為煤的氣化。目前常用的氣化劑有空氣、水蒸氣、空氣加水蒸氣三種。由此產(chǎn)生的煤氣稱為空氣發(fā)生爐煤氣、水煤氣以及混合發(fā)生爐煤氣。 ( 7 ）地下氣化煤氣。對某些不宜開采的薄煤層及混雜大量硫和礦物雜質(zhì)的煤礦，可利用地下氣化法使其轉(zhuǎn)化為可燃氣地下氣化煤氣。這是一種合理利用煤礦資源的方法。地下氣化煤氣組成變化范圍較大，其 Q低干 3300 4200kJ/Nm3 ，屬低發(fā)熱量煤氣。( 9 ）氫。氫是一種很有應用前景的氣體燃料，可以生產(chǎn)氫的水資源極其豐富，而且可以利用氫作為“能”的載體，將不能儲存運輸?shù)奶柲堋L能、水能及核能等能量轉(zhuǎn)換成氫能，儲存并輸送到用戶。11 . 5 液體燃料主要指石油加

27、工產(chǎn)品。11 . 5 . 1 石油產(chǎn)品概述原油一般不宜直接作為燃料使用。常壓重油；減壓重油；裂化重油。11 . 5 . 2 液體燃料的主要特性11 . 5 . 2 . 2 粘度恩氏粘度表示溫度為 t 的 200ml 燃油通過恩氏粘度計標準容器流出時所需時間，與同體積 20 蒸餾水由同一標準容器流出所需時間之比，單位為E。重油的品種就是按它們在 50 時的恩氏粘度值劃分為 20 號、 60 號、 100 號及 200 號 4 個牌號。 11 . 5 . 2 . 5 閃火點（簡稱閃點）和燃點 燃油由常溫加熱到適當溫度后，其中沸點較低的成分將先蒸發(fā)。這時如果有火源接近，則油蒸氣就會著火燃燒，出現(xiàn)瞬間

28、即滅的藍光，此時的油溫稱為該油的閃點。 閃火點是燃油受熱時的安全防火指標。對開式容器，最高加熱溫度應低于閃火點 10 20 ，對閉式壓力容器加熱溫度雖允許超過閃火點，但隨溫度的升高，防火安全性將降低，因為一旦管道破裂，仍有著火的危險。 閃火點用專門的儀器測定，其測定方法有開口杯法與閉口杯法。 11 . 6 固體燃料 11 . 6 . 1 煤的分類 11 . 6 . 1 . 1 按炭化程度分類 分為泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤四大類。 ( 1 ）泥煤 ( 2 ）褐煤 ( 3 ）煙煤 一般煙煤中所含水分、灰分量均不高，故發(fā)熱量較高。 ( 4 ）無煙煤。無煙煤是炭化程度最高的煤種，含碳量可達 90 以上

29、，且?guī)缀跞晒潭ㄌ冀M成，揮發(fā)分極低（ Vr 僅為 3 9 % ) ，水分、灰分量都較低，發(fā)熱量則較 11 . 6 . 2 煤的揮發(fā)分和焦炭 在隔絕空氣的條件下對煤加熱，則煤中的水分將首先蒸發(fā)逸出，其后煤中的有機物開始熱分解，并逐漸逸出各種氣態(tài)產(chǎn)物。這些氣態(tài)產(chǎn)物稱為揮發(fā)分，余下的固體殘余物稱為焦炭，它主要由非揮發(fā)性碳（固定碳）與灰分組成。 11 . 6 . 3 煤的工業(yè)分析 水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳。 （1）（2）（3）（4） 煤的工業(yè)分析步驟如下。 11 . 6 . 3 . 1 取樣及制備試樣 11 . 6 . 3 . 2 分析測定 ( 1 ）水分的測定。 外在水分的測定。取 200g （精

30、確至 0 . 1g ）試樣放入 4550 烘箱內(nèi)干燥 8h ，取出后在室溫下冷卻稱重。煤干燥后失去的質(zhì)量占煤樣原有質(zhì)量的百分比即外在水分。 分析基水分的測定。取 1g （精確至 0 . 001g ）分析試樣放入去蓋的坩堝中，置于干燥箱內(nèi)。對煙煤及無煙煤在 105110 下干燥 1-1.5h ；褐煤在 1455 下干燥 1h 。然后將坩堝取出加蓋，放入干燥器中冷卻至室溫后迅速稱量。然后去蓋再次放入干燥箱中干燥，并加蓋冷卻后再稱量。重復上述過程，直至所稱質(zhì)量不再變化為止。這時失去的質(zhì)量占分析試樣原有質(zhì)量的百分比即分析基水分 wf 。 ( 2 ）灰分的測定。 在預先灼燒并稱出空重的矩形坩堝中加入粒度

31、小于 0.2mm 的煤樣 1 0 . 1g ，稱量時準確至小數(shù)點后 4 位。將坩堝置入已預熱到 850 的馬弗爐中，在 815 10 下灼燒 40min , 取出坩堝在空氣中冷卻 5min 后，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫（約 20min ) ，稱重。稱重后的樣品再進行每次 20min 的檢查性灼燒，直至質(zhì)量變化小于 0.001g為止（當灰分的質(zhì)量分數(shù)小于 15 時可不進行檢查性灼燒），并取最后一次測定質(zhì)量進行計算。最后一次稱得的質(zhì)量占分析試樣質(zhì)量的百分數(shù)即分析基灰分 Af ( 3 ）揮發(fā)分的測定。 由煤干餾出的揮發(fā)物并非煤中不變的一種確定的物質(zhì)，而是煤在一定的時間內(nèi)，在一溫度下的熱分解氣態(tài)產(chǎn)物。在

32、測定煤的揮發(fā)分時所規(guī)定的條件為：取 1g 分析試樣（精確至 0.001g ）兩份，分別放入經(jīng)精確稱量的帶蓋坩堝內(nèi)，蓋好坩堝，然后放入 900 10 的高溫電爐恒溫區(qū)內(nèi)灼燒 7min 后取出，在空氣中冷卻片刻再放入干燥器冷卻至室溫。稱出所失去的質(zhì)量占分析試樣原質(zhì)量的百分比，再減去該煤樣的 wf % ，所得即為該煤樣的分析基揮發(fā)分。在實驗時如果兩份試樣實驗結(jié)果的差別小于 0 . 5 % ，則取基平均值作為最終結(jié)果，否則應重做。在實驗的后 4min 內(nèi)，如果爐溫變化超過 910 10 ，實驗亦需重做。 11 . 7 燃煤新技術概述 11 . 7 . 1 煤的氣化 11 . 7 . 1 . 1 煤制氣

33、的傳統(tǒng)方法 利用氣化劑與煤在高溫下的化學反應，可使煤轉(zhuǎn)化為氣體燃料，這一過程稱為煤的氣化，所使用的氣化設備稱為煤氣發(fā)生爐。 前常用的氣化劑有三種：空氣、水蒸氣、空氣+水蒸氣，由此產(chǎn)生的煤氣分別稱為空氣發(fā)生爐煤氣、水煤氣以及混合氣發(fā)生爐煤氣。 現(xiàn)以混合氣發(fā)生爐煤氣為例說明煤的氣化原理。 按照煤氣發(fā)生爐內(nèi)氣化過程，可以將發(fā)生爐內(nèi)部分為六層，即六個區(qū)域（混合煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖 11 8 所示）：灰渣層，氧化層（又稱火層），還原層，干餾層，干燥層，空層。 11 . 7 . 1 . 2 煤的氣化新技術 ( l ）加氫氣化和煤氣甲烷化法。 ( 2 ）流化床氣化法。 11 . 7 . 2 煤的液化 加氫。

34、11 . 7 . 3 煤漿燃料 概念：完全燃燒；不完全燃燒。 燃料燃燒時所需供給的空氣量； 燃燒產(chǎn)物（簡稱煙氣）生成量及成分； 根據(jù)燃燒裝置測出的煙氣成分，求出燃料與空氣的配合比例和不完全燃燒損朱； 燃燒溫度。 為了簡化計算，在工程計算準確度允許的范圍內(nèi)作以下假定： 將空氣和煙氣中所有成分，包括水蒸氣都作為理想氣體處理，這種處理能夠滿足工程計算的需要； 當溫度不超過 2000 時，在計算中不考慮煙氣的熱分解，亦不考慮固體燃料中灰分的熱分解產(chǎn)物，因為這些熱分解產(chǎn)物的數(shù)量是很少的； 略去空氣中微量的稀有氣體和 CO2 。 1 已知煤的下列成分，將其換算為應用成分：Cr=83.38%，Hr=4.92

35、%，Or=9.87%，Nr=1.12%，Sr=0.71%，Ag=11.23%，Wy=7.65%。 2 某天然氣的干燥成分為CH4g=90.80%，C2H4g=5.78%，C3H8g=1.59%，CO2g=0.40%，N2g=1.43%，求25時的濕成分。 常用的氣體燃料有天然氣、液化石油氣和人工煤氣三大類，其可燃成分主要是H2， CO , CH4和低分子碳氫化合物。 13 . 1 擴散燃燒和動力燃燒 氣體燃料的燃燒為均相燃燒。定義： 預混燃燒：燃料與氧化劑預先按一定比例均勻混合，形成可燃混合氣后燃燒，故燃燒速率決定于化學反應速率，燃燒受化學動力學因素控制。 非預混燃燒的：燃料與氧化劑在燃燒裝置

36、內(nèi)邊擴散混合邊燃燒，這時燃燒過程受到化學動力學因素與擴散混合因素的影響。 在氣體燃料、液體燃料與固體燃料的燃燒過程中，根據(jù)燃燒條件可能會出現(xiàn)動力燃燒和擴散燃燒，或處于兩者之間的過渡燃燒。 燃燒所需的全部時間通常包括兩部分：氣體燃料與氧化劑混合所需時間 mix以及燃料進行化學反應所需時間che 。 整個燃燒時間就是上述兩種時間之和，即 = mix + che 如果 mix che ，則 che ，即燃燒過程受化學動力學因素控制，而為動力燃燒工況。 這時燃燒速率將強烈地受化學動力學因素控制，可燃混合氣的性質(zhì)、溫度、壓力、濃度等的變化將強烈地影響燃燒速率而氣流速度、氣流流過的物體形狀和尺寸等與擴散混

37、合有關的因素，對燃燒速率并無顯著影響。 反之，如果mix che ，則： mix ，即化學反應進行得很快，燃燒過程受混合擴散因素控制，為擴散燃燒工況，這時燃燒速率與化學動力學因素的關系不大，而流體動力學因素對燃燒速率起決定作用。這種混合過程是通過分子擴散或氣團擴散完成的。 實際上，有些燃燒過程可能處于上述兩種極端情況之間，這時 mix 與 che相差不大，故燃燒過程同時要受到化學動力學因素與流體力學因素影響，這是一種最復雜的燃燒工況。13.1.1 1 的情況1時為純動力燃燒（圖 13-1 中 1 和 2 兩種工況）。這時只有一層動力燃燒火焰前鋒，并且隨著的增加，動力燃燒火焰前鋒將伸長。有焰燃燒

38、，實際上是指非預混燃燒，這是由于燃料在進行邊混合邊燃燒過程中，因燃料經(jīng)受較長時間的加熱而分解，在火焰中生成較多的固體炭粒，炭粒的發(fā)光效應使火焰明亮且有鮮明輪廓。無焰燃燒，實際上是指 1 的預混氣燃燒火焰中含發(fā)光炭粒較少且火焰較短，在熾熱的爐壁背景下幾乎看不出火焰。13.1.2 1 的情況對于 1 的情況，由于可燃混合氣中空氣不足，在燃燒火焰中將出現(xiàn)動力燃燒火焰前鋒 I 與擴散燃燒火焰前鋒 兩層火焰前鋒。 當發(fā)生極端情況 = 0 時（即非預混燃燒），燃燒過程就變?yōu)榧償U散燃燒。這時只有一層擴散燃燒火焰前鋒 n 。這種現(xiàn)象如圖 13 1 上的 3 , 4 , 5 和 6 所示。 13 . 2 . 3

39、 擴散火焰的主要特點 13 . 2 . 3 . 1 擴散火焰的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指火焰既不會脫火，也不產(chǎn)生回火，而始終“懸掛”在管口的情況。擴散燃燒時由于燃料在管內(nèi)不與空氣預先混合，因此不可能產(chǎn)生回火，這是擴散燃燒的最大優(yōu)點。但管口流出速率超過某一極限值時，火焰可能脫離管口并最終熄滅。此外，擴散火焰的溫度較低，對有效利用熱能是不利的。 湍流擴散燃燒是當前工業(yè)上廣泛采用的燃燒方法之一，并常用一些人工穩(wěn)焰方法來改善火焰的穩(wěn)定性。 13 . 3 氣體燃料燃燒器 作用： 應能保證燃料（煤氣）和空氣進行充分的混合，為混合提供必要的條件，并應在規(guī)定的負荷變化范圍（調(diào)節(jié)比）內(nèi)保證著火，燃燒穩(wěn)定既不脫火也不回火，

40、還應保證在規(guī)定的負荷條件下燃燒效率高。 13 . 3 . 1 有焰燃燒器 ( 1 ）按煤氣的發(fā)熱量分為高發(fā)熱量煤氣燒嘴（天然氣、焦爐煤氣、石油氣燒嘴），中發(fā)熱量煤氣燒嘴（混合煤氣燒嘴），低發(fā)熱量煤氣燒嘴（發(fā)生爐煤氣、高爐煤氣燒嘴）。 ( 2 ）按燒嘴的燃燒能力分為小型燒嘴（100 m3h以下），中型燒嘴（100 500m3h) ，大型燒嘴（500 1000 m3h ）。 ( 3 ）按火焰長度分為短焰燒嘴和長焰燒嘴。 ( 4 ）按火焰長度的可調(diào)性分為火焰長度固定（煤氣量不變時）的燒嘴和火焰長度可調(diào)的燒嘴。 ( 5 ）按煤氣和空氣的混合原理。 ( 6 ）按空氣和煤氣的預熱情況分為空氣和煤氣不預熱的

41、燒嘴，空氣和煤氣預熱的燒嘴。( l ）直管式燃燒器( 2 ）套管式擴散燃燒器。( 3 ）旋流式燃燒器。 帶旋流片的旋流式燃燒器，又稱低壓渦流式燒嘴（ Dw 一 I 型） 扁縫旋流式燃燒器，又稱扁縫渦流式燃燒器（ DW 型 ） 環(huán)縫旋流式燃燒器。 扁縫旋流式燃燒器，又稱扁縫渦流式燃燒器（ DW 型 ） 13 . 3 . 2 無焰燃燒器 13 . 3 . 2 . 1 無焰燃燒的主要特點 燃料與空氣在進入燃燒室之前已進行預先混合。 燃料完全燃燒時所需空氣系數(shù)很小，一般 = 1.05 1.15，而燃盡程度卻很高，其化學不完全燃燒損失接近于零。 燃燒溫度很高，容積熱強度（指在單位燃燒室體積內(nèi)單位時間的燃

42、燒放熱量）很高。 燃燒火焰很短，在熾熱的燃燒道背景下，甚至看不到火焰，其火炬的熱輻射力較差。 燃燒穩(wěn)定性較差，容易回火。 13 . 3 . 2 . 2 無焰燃燒器的結(jié)構(gòu) 混合部分、噴頭和燃燒道。 13 . 4 火焰的穩(wěn)定性、火焰監(jiān)測和保焰技術 13 . 4 . 1 火焰的穩(wěn)定性 所謂火焰的穩(wěn)定性，是指在規(guī)定的燃燒條件下火焰能保持一定的位置和體積，既不回火，也不脫火。 回火是火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跉饬鲊姵鏊俣人隆?火焰?zhèn)鞑ニ俣取?影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩兀簻囟?、濃度?13 . 4 . 2 火焰的監(jiān)視和保焰技術 在液體燃料（燃油）的燃燒中，燃料和氧化劑分屬不同物態(tài)，是非均相燃燒。 液體燃料燃燒時，其化

43、學反應速率比其擴散和混合的速率快得多，因此它屬于一種非均相的擴散燃燒。 在燃油爐中，液體燃料通過供油系統(tǒng)輸送到爐前，需經(jīng)過霧化器霧化成細滴后進入燃燒室燃燒。在管路中設有加熱器加熱液體燃料，降低其粘度，以保證良好的霧化效果和流動性。 霧化器又稱噴油嘴或燒嘴，它與燃燒室等組成燃燒系統(tǒng)。 14 . 1 液體燃料燃燒過程的特點 ( 1 ）液體燃料在蒸汽或氣化狀態(tài)下燃燒。 ( 2 ）液體燃料具有擴散燃燒的特點。 ( 3 ）液體燃料需霧化后再燃燒。 ( 4 ）液體燃料的熱分解特性 14 . 2 液體燃料的霧化過程 14 . 2 . 1 液體燃料的霧化機理 14 . 2 . 2 霧化質(zhì)量的主要指標 14 .

44、 2 . 2 . 1 霧化粒度 ( 1 ）質(zhì)量中間直徑法。 ( 2 ）索太爾（ Sauter ）平均直徑法。 14 . 2 . 2 . 2 霧化均勻度 14 . 2 . 2 . 3 霧化錐角 14 . 2 . 2 . 4 流量密度 14 . 2 . 3 霧化器（噴油嘴）簡介 霧化器按其工作原理分為機械霧化式與介質(zhì)霧化式兩大類。 14 . 2 . 3 . 1 機械霧化式噴油嘴 14 . 2 . 3 . 2 介質(zhì)霧化噴油嘴介質(zhì)霧化噴油嘴是利用高速噴射的霧化介質(zhì)的動能將燃油粉碎成細滴。霧化介質(zhì)：蒸汽：空氣。 ( l ）蒸汽霧化噴油嘴。外混式蒸汽霧化噴油嘴； 內(nèi)混式蒸汽霧化噴油嘴。 ( 2 ）空氣霧化

45、噴油嘴。 空氣霧化噴油嘴是以空氣作霧化介質(zhì)，油嘴和高壓空氣霧化噴油嘴。 根據(jù)霧化空氣壓力的高低可分為低壓空氣霧化噴油嘴和高壓空氣霧化噴油嘴。 ( 2 ）空氣霧化噴油嘴。 空氣霧化噴油嘴是以空氣作霧化介質(zhì)，油嘴和高壓空氣霧化噴油嘴。 根據(jù)霧化空氣壓力的高低可分為低壓空氣霧化噴油嘴和高壓空氣霧化噴油嘴。 14 . 3 油滴燃燒和油霧燃燒 14 . 3 . 1 油滴燃燒概述 14 . 3 . 2 油滴的然燒速率和燃盡時間 14 . 3 . 3 油霧的燃燒 14 , 3 . 4 乳化油及其燃燒 分解燃燒。對于熱分解溫度較低的固體燃料常發(fā)生這種情況。由熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分在離開燃料表面后，與 O2 進行氣

46、相燃燒反應。木材、紙張和煤揮發(fā)分的燃燒就屬于此類燃燒。 15 . 1 . 2 按燃燒方式分類 15 . 1 . 2 . 1 火床式燃燒 火床燃燒的優(yōu)點是燃料的點火熱源比較穩(wěn)定，燃燒過程也比較穩(wěn)定。缺點是鼓風速度不能太大，而且，機械化程度低，燃燒強度不能太高，只適用于中小型的爐子。 15 . 1 . 2 . 2 火室式燃燒 火室式燃燒是將煤磨成煤粉，使煤粉在爐膛空間以懸浮狀態(tài)進行燃燒過程，故又稱懸浮燃燒。 火室式燃燒有以下優(yōu)點。 ( 1 ）燃燒效率高； ( 2 ）可使用含灰分及水分高的劣質(zhì)煤和無煙煤煤屑； ( 3 ）可實現(xiàn)運行操作的全部機械化和自動化； ( 4 ）單機容量可以大型化，適用于大型電站鍋爐。 火室式燃爐存在以下不足之處。 ( l ）金屬受熱面易磨損； ( 2 ）煙氣中含飛灰量較高； ( 3 ）受熱面積灰和結(jié)渣問題較嚴重； ( 4 ）需設置專用的制粉系統(tǒng)，且制粉尚需耗能； 火室式燃燒有以下優(yōu)點。 ( 1 ）燃燒效率高； ( 2 ）可使用含灰分及水分高的劣質(zhì)煤和無煙