燃料及其燃燒過(guò)程與設(shè)備

1、.第三章 燃料及其燃燒過(guò)程與設(shè)備硅酸鹽制品需要消耗大量的熱量。熱量的來(lái)源：1、燃燒燃燒產(chǎn)生，即化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。資源豐富，但價(jià)格低廉2、以電為熱源，即電能轉(zhuǎn)化為熱能。效率高，但相對(duì)短缺。 目前硅酸鹽行業(yè)熱源以燃燒為主。第一節(jié) 燃料的種類(lèi)及組成燃料：在燃燒過(guò)程中能過(guò)發(fā)出熱量并能利用的可然物質(zhì)燃料的種類(lèi)按狀態(tài)分：固體燃料：木碳，煤等。其中煤又分為泥煤、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。 液體燃料：石油及其制品。氣體燃料：天然氣、人造煤氣。 按來(lái)源分：天然原料：人工原料：一、固體燃料：（一）煤的種類(lèi)及特點(diǎn)： 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分為三類(lèi):褐煤、煙煤、無(wú)煙煤1). 褐煤：外觀(guān)褐色，光澤黯淡。水分含量高，熱值低，密度較小，含

2、氧量高，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)，極易氧化和自然。常作為加壓氣化燃料，鍋爐燃料2). 煙煤：揮發(fā)份含量高、灰分及水分較少，發(fā)熱量高?？蓜澐重毭骸⒔姑?、氣煤3). 無(wú)煙煤：揮發(fā)份含量低，燃點(diǎn)較高，燃燒時(shí)沒(méi)有粘結(jié)性。（二）、固體燃料的組成及換算 ：常用兩種表示方法：（1）元素分析法：C、H、O、N、S、A （灰分） 、M（2）工業(yè)分析法：揮發(fā)分（V）、固定碳（FC）、A、M1、元素分析法： C、H、O、N、S、A、MC：煤中含量最多的可燃元素，一般含量為15-90%以?xún)煞N形式存在：碳?xì)浠衔铮禾寂c氫、氮、硫等元素結(jié)合成有機(jī)化合物碳呈游離狀態(tài):H、可燃元素，一般含量為 3-6%以?xún)煞N形式存在：化合氫（H2O)：與

3、氧化合成結(jié)晶水形式(不可燃 ）自由氫：與化合物組成的有機(jī)物，如CnHm(可燃） O：不可燃元素，一般含量不等。它可與其它可燃物形成氧化物 N、煤中惰性氣體含量為0.5-2%，在高溫下與氧形成有害物質(zhì)NOx,污染大氣S：含量小于5% 以三種形式存在：有機(jī)硫：與碳?xì)浠衔锝Y(jié)合在一起硫化物中硫：主要存在于FeS2硫酸鹽中硫：存在于各種硫酸鹽中（CaSO4 , FeSO4§ 硫?yàn)橛泻ξ镔|(zhì)。S+O2=SO2 、 SO2+O2=SO3 SO2+H2O=H2SO3 、 SO3+H2O=H2SO4 A：煤燃燒后的產(chǎn)物，為有害物質(zhì)，降低煤的發(fā)熱量，造成不完全燃燒損失。主要產(chǎn)物為：SiO2 、AlO3

4、、FeO3 、CaO、 MgOM：不可燃物質(zhì)。水分含量增加即降低可燃物質(zhì)的含量，也降低煤的發(fā)熱量煤中水分以?xún)煞N形式存在：外在水分（表面水分）：機(jī)械的附在煤表面的水分。經(jīng)風(fēng)干及外界條件變化可出去的水分。內(nèi)在水分（固有水分）：達(dá)到風(fēng)干后煤中殘留的水分。（包括化學(xué)吸附水和結(jié)晶水）同種煤的組成成分是波動(dòng)的，在表明煤的組成時(shí)，必須說(shuō)明選用的基準(zhǔn)。常用煤的基準(zhǔn)：（1）收到基(應(yīng)用基)（2）空氣干燥基（分析基) （3）干燥基 (干燥基)（4）干燥無(wú)灰基（可燃基）1）收到基（應(yīng)用基） ：以實(shí)際使用的煤為基準(zhǔn)而測(cè)出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。 收到基 （應(yīng)用基）收到基水分Mar有兩種：外在水Mar.f和內(nèi)在水Ma

5、r.in2）空氣干燥基（分析基 ）： 以實(shí)驗(yàn)室使用的風(fēng)干煤樣（用溫度為20，相對(duì)濕度為70%的空氣）為基準(zhǔn)而測(cè)出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。 空氣干燥基分析基 （3）干燥基（干燥基）： 以無(wú)水的煤為基準(zhǔn)而測(cè)出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。 干燥基干燥基（4）干燥無(wú)灰基（可燃基 ）：以無(wú)水、無(wú)灰的煤為基準(zhǔn)而測(cè)出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。干燥無(wú)灰基（可燃基 ）各種基之間的轉(zhuǎn)化例如：收到基與空氣干燥基之間的轉(zhuǎn)換。 設(shè)：已知Cad、Mar、Mad ，求 Car 。解：取100kg收到基煤為基準(zhǔn)，相當(dāng)于空氣干燥基煤為：(100Mar.f)(kg)二者含碳質(zhì)量相等：收到基含碳質(zhì)量=空氣干燥基含碳質(zhì)量即：2、工業(yè)

6、分析法：揮發(fā)分（V）+固定碳（FC）+A+M=100%工業(yè)分析規(guī)程：煤在隔絕空氣的條件下加熱，隨溫度升高發(fā)生的變化：100150：外部水分蒸發(fā)200450 ：碳?xì)浠衔锓纸忉尫懦隹扇細(xì)怏w（CH4、H2、CmHn）。礦物結(jié)晶水逸出 -850 ：氣體揮發(fā)停止10001100 ：完全停止一切氣體逸出，殘留下固體焦炭.二、液體燃料分類(lèi)：天然原料：石油 人工原料：重油常用表示方法： 與固體的元素分析法(C、H、O、N、S、A 、M)相同三、氣體燃料：工業(yè)上常用的氣體燃料： 高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣和天然氣組成：用體積百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 兩種表示方法：干基：不含水蒸氣；濕基：含有水蒸氣。 氣體燃料組分：CO 、H

7、2 、CH4 CmHn、CO2、 O2等干基： (新國(guó)標(biāo)） COd +H2 d+CH4d+ CmHnd、+ CO2 d+ O2d =100%（舊國(guó)標(biāo)）COg +H2 g+CH4g+ CmHng、+ CO2 g+ O2g =100%濕基： (新國(guó)標(biāo)）COv+H2 v+CH4v+ CmHnv、+ CO2 v+ O2v +H2Ov=100% （舊國(guó)標(biāo)）COs +H2 s+CH4s+ CmHns、+ CO2 s+ O2s + H2Os=100%干基與濕基二者的換算關(guān)系： 第二節(jié) 燃料的熱工性質(zhì)及選用原則一、發(fā)熱量：1、固體、液體的發(fā)熱量（1）定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量。 單位：kJ/k

8、g煤高位熱值Qgr.ar(QGW)：燃燒產(chǎn)物中的H2O已經(jīng)冷凝為0的液態(tài)水。低位熱值Qnet.ar(QDW)：燃燒產(chǎn)物中的H2O為20的水蒸汽。注：熱值的組成與煤的組成相對(duì)應(yīng)，分為應(yīng)用基、分析基、干燥基、可燃基熱值（2）高位熱值Qgr.ar與低位熱值Qnet.ar的關(guān)系例： Qgr.ar 與Qnet.ar 的轉(zhuǎn)換設(shè):1kg應(yīng)用基煤中，含水分Mar/100 kg, Har/100 kg1kg固燃料生成的水量為：n 而1kg0的液態(tài)水變?yōu)?0的水蒸汽所需要吸收的熱量為2500 kJ/kg +忽略項(xiàng):Cp(20-0) kJ/kg 同理n 不同基準(zhǔn)時(shí)，高位熱值之間的轉(zhuǎn)換參見(jiàn)表41。n 低位熱值之間的轉(zhuǎn)

9、換參見(jiàn)表44。 （3）、熱值的測(cè)定與計(jì)算測(cè)定：固體燃料熱值的測(cè)定通常采用氧彈量熱儀計(jì)算：采用一些給定的經(jīng)驗(yàn)公式。n 元素分析法的經(jīng)驗(yàn)公式：nn 工業(yè)分析法公式，參見(jiàn)教材229頁(yè)（4-9，4-10）。 標(biāo)準(zhǔn)燃料的概念n 規(guī)定: 熱值為29300kJ/kg（約合7000kcal/kg）的煤為標(biāo)準(zhǔn)煤。熱值為41820kJ/kg（約合10000kcal/kg）的煤為標(biāo)準(zhǔn)油。n 衡量工業(yè)用能源數(shù)量的多少通?？词窍牧硕嗌贅?biāo)準(zhǔn)煤。 2、氣體燃料的發(fā)熱量：（1）定義：?jiǎn)挝惑w積的燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量。單位：kJ/Nm3 氣體燃料也有高位熱值Qgr、低位熱值Qnet之分：標(biāo)準(zhǔn)燃料的概念規(guī)定: 熱值為418

10、20kJ/kg（約合10000kcal/kg）的氣體為標(biāo)準(zhǔn)氣。二、其它熱工性質(zhì)1、固體燃料（1）揮發(fā)分：在隔絕空氣的條件下，將一定量的煤樣在溫度900下加熱7min，所得到的氣態(tài)物質(zhì)（不包括其中的水分）組分：含礦物結(jié)晶水、揮發(fā)性成分和熱分解產(chǎn)物 煤中揮發(fā)物含量影響燃燒的火焰長(zhǎng)度及著火溫度。一般的：揮發(fā)物含量高時(shí)火焰長(zhǎng)，著火溫度低，易著火（2）煤的粘結(jié)性 指粉碎過(guò)的煤粒在規(guī)定條件下干餾成焦，煤粒或與外加物相粘結(jié)的強(qiáng)度。 粘結(jié)性強(qiáng)的煤：易結(jié)大塊； 粘結(jié)性弱的煤：易堵塞爐柵。二、液體燃料（硅酸鹽行業(yè)主要用重油性質(zhì)）重油性質(zhì)（1）粘度：（2）閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)、凝固點(diǎn)閃點(diǎn)：當(dāng)油被加熱到一定溫度時(shí)，表面

11、揮發(fā)逸出蒸汽。 當(dāng)火焰接近時(shí)，油類(lèi)會(huì)出現(xiàn)短暫的蘭色亮光，此時(shí)油溫為“閃點(diǎn)”。燃點(diǎn)：油溫繼續(xù)提高至點(diǎn)燃后連續(xù)不熄，此時(shí)油溫為“燃點(diǎn)”。著火點(diǎn)：油溫升高至表面油蒸汽自燃起來(lái),此時(shí)油溫為“著火點(diǎn)”凝固點(diǎn)：油類(lèi)完全失去流動(dòng)時(shí)的最高溫度為凝固點(diǎn)。（3）水分 含水分高，容易降低燃料的發(fā)熱量，但燃燒時(shí)需要摻加少量的水，以利于重油霧化。（4）機(jī)械雜質(zhì)：重油中的雜質(zhì)，易堵塞油泵及噴嘴。（5）密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)(P233)。三、氣體燃料：工業(yè)上常用的氣體燃料：高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣和天然氣煤氣的分子量和密度、平均比熱分子量：標(biāo)準(zhǔn)密度：平均比熱:三、燃料的選用原則基本原則：書(shū)上236 在能夠滿(mǎn)足工藝、確保產(chǎn)品質(zhì)量

12、的前提下，盡可能用低品位的劣質(zhì)燃料。 第三節(jié) 燃燒計(jì)算一、基本知識(shí)1、計(jì)算目的與內(nèi)容：1）為設(shè)計(jì)窯爐需要：已知：燃料的組成及燃燒的條件計(jì)算：燃料燃燒所需要的空氣量、煙氣生成量、煙氣組成及煙氣溫度。從而設(shè)計(jì)燃燒室、管道空氣煙道 2）為操作窯爐需要已知：燃料的組成及煙氣成分計(jì)算：燃料燃燒所需要的實(shí)際煙氣量、空氣量、空氣過(guò)剩系數(shù)、漏氣量等，從而評(píng)價(jià)燃燒的操作水平。 2、計(jì)算方法：1）分析計(jì)算法（設(shè)計(jì)計(jì)算）：根據(jù)燃料的成分分析進(jìn)行計(jì)算2）近似計(jì)算法：在燃料組分未知時(shí)，根據(jù)燃料的種類(lèi)及發(fā)熱量進(jìn)行近似計(jì)算3）估算法：在燃料組分及發(fā)熱量未知時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。4）操作計(jì)算（檢測(cè)計(jì)算）3、幾個(gè)基本概念：1）理論

13、空氣量（Va0 ）：理論上燃料中的可燃成分完全燃燒所需的空氣量。2）理論煙氣量（V0 ）：燃料與理論空氣量進(jìn)行完全燃燒時(shí)所得的煙氣量。3）實(shí)際空氣量（Va ）：實(shí)際燃燒過(guò)程中所加入的空氣量。4）實(shí)際煙氣量（V ）： 燃料與實(shí)際空氣量進(jìn)行完全燃燒時(shí)所得的煙氣量。5）煙氣組成（體積百分?jǐn)?shù)）：煙氣中各組成量與總煙氣量的比值。 6）空氣過(guò)剩系數(shù)（）：實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值。 =1:空氣供給恰好,煙氣中無(wú)多余氧氣>1:空氣供給過(guò)剩,煙氣中有多余氧氣<1:空氣供給不足,不完全燃燒產(chǎn)生不完全燃燒的原因:1)空氣供給不足,不完全燃燒2)空氣供給恰好或供給過(guò)剩,但由于燃料和空氣接觸不好, 導(dǎo)致

14、燃燒不完全空氣過(guò)剩系數(shù)的選擇：1）與燃料的種類(lèi)有關(guān)：燃料越細(xì)勻，越小，=1.051.15。2）與燃燒氣氛有關(guān)：氧化氣氛，>1；還原氣氛，<1。3）與燃燒方式有關(guān)：如對(duì)于氣體燃料，長(zhǎng)焰燃燒，=1.21.6；無(wú)焰燃燒，=1.05。4）與燃燒設(shè)備有關(guān)：對(duì)于煤粉燃燒或立窯，較大； 而對(duì)于回轉(zhuǎn)窯，較小二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算（一）分析計(jì)算法1、空氣量的計(jì)算1)固、液體燃料取100kg收到基燃料為計(jì)算基準(zhǔn)，其中各種成分的質(zhì)量為：其中的可燃成分為：而Oar為助燃成分確定VO20n 燃料中的含O2量為：Oar/32 理論空氣量Va0n 空氣中O2含量為21%，因此nn 注意：若空氣中含有

15、水蒸氣，則稱(chēng)為濕空氣。設(shè)水蒸氣含量為xkg水蒸氣/kg干空氣，則理論干空氣Va0Bm3/kgfuel中的水蒸氣量為： 燃燒所需的理論濕空氣量為：實(shí)際空氣量Va同樣，實(shí)際濕空氣量：2）氣體燃料:取100Bm3濕基燃料為計(jì)算基準(zhǔn)，其中各成分體積量為：n 找出可燃成分為：確定VO20理論空氣量Va0實(shí)際空氣量Va2、完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量、煙氣組成的計(jì)算完全燃燒時(shí)：理論上：完全燃燒，煙氣組分CO2 、 SO2、 H2O、N2實(shí)際上：完全燃燒，煙氣組分CO2 、 SO2、 H2O、N2、O21）固、液體燃料：（1）理論煙氣量、煙氣組成取100kg應(yīng)用基燃料為計(jì)算基準(zhǔn)，其中各種成分的質(zhì)量為：理論煙氣量：理

16、論煙氣的組成百分含量：(2)、實(shí)際煙氣量(>1時(shí))、煙氣組成實(shí)際煙氣量煙氣組成量：2）氣體燃料（1）、理論煙氣量、煙氣組成煙氣成分:理論煙氣量：（2）、實(shí)際煙氣量(>1時(shí)) 、煙氣組成實(shí)際煙氣量:煙氣組成量：例題：P242：4-2;4-3（二）、近似計(jì)算法近似計(jì)算法：在燃料組分未知時(shí)，根據(jù)燃料的種類(lèi)及發(fā)熱量進(jìn)行近似計(jì)算。書(shū)上： P245：4-15(三）、估算法：在燃料化學(xué)成分及發(fā)熱量未知時(shí)，根據(jù)燃料種類(lèi)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算。書(shū)上： P245：4-16（四） 操作計(jì)算已知：燃料的組成及煙氣成分計(jì)算：燃料燃燒所需要的實(shí)際煙氣量、空氣量、空氣過(guò)剩 系數(shù)、漏氣量等，目的：評(píng)價(jià)燃燒的操作水平1、實(shí)際

17、煙氣量及空氣量的計(jì)算方法：根據(jù)質(zhì)量守恒定律， 即燃燒前后某種元素的總質(zhì)量保持不變。用碳平衡計(jì)算煙氣量：燃料中的C=煙氣中的C+灰渣中的C用氮平衡計(jì)算空氣量：燃料中的N+空氣中的N=煙氣中的N氧平衡：燃料中的氧（包括水）+空氣中的氧=煙氣中的氧（包括水）例題： 4-5：取100kg收到基煤為基準(zhǔn)，所產(chǎn)生干煙氣量為vg，所需實(shí)際空氣量為Va列碳平衡計(jì)算煙氣量：燃料中的C=煙氣中的C+灰渣中的C生成水蒸氣量濕煙氣量=954+71.7=1026（Nm3/100kgfuel)用氮平衡計(jì)算空氣量： 燃料中的N+空氣中的N=煙氣中的N2、空氣過(guò)剩系數(shù)的計(jì)算方法：1、定義式法2、氧平衡法若令RO2為煙氣中CO

18、2和SO2的半分含量之和，VO20， VO20”分別為生成每立方米R(shí)O2和H2O的需氧量，過(guò)剩氧量為O2則理論需氧量為：則式中：3、氮平衡法：利用N平衡，則：同除以干煙氣量Vn 固、液體燃料中的含氮量很少，可以忽略。此時(shí)煙氣中的N2可以看成全部來(lái)自空氣則： 若煙氣中又有CO， 則：n 若灰渣中有C，此時(shí)真正過(guò)剩的O2應(yīng)該再減去灰渣中的C燃燒所需要的O2。 若氣體燃料中的含氮量很高，且干煙氣中又有可燃成分時(shí)，3、漏入空氣量的計(jì)算n 若考慮燃料的消耗量Qf（ kg/h或Bm3/h），則如圖：例題4-6分析：取1Bm3燃料為基準(zhǔn)，設(shè)所產(chǎn)生干煙氣量為v，列碳平衡計(jì)算煙氣量：燃料中的C=煙氣中的C+灰渣

19、中的C三、 燃燒溫度的計(jì)算燃燒溫度：燃燒產(chǎn)物的溫度計(jì)算基準(zhǔn)：1kg或1Bm3燃料，溫度為0或室溫（20）列熱量平衡：（一）人為定義的幾種燃燒溫度值1、量熱計(jì)式燃燒溫度tm條件：絕熱，Ql=0；完全燃燒，Qml=Qch=Qas=0；無(wú)熱分解，Qdi=0。 2、理論燃燒溫度tth條件：絕熱， Ql=0；完全燃燒，Qml=Qch=0 ，Qas=0；n 對(duì)于硅酸鹽窯爐，通常其溫度低于1600，CO2、H2O很少分解，Qd=0，此時(shí)3、實(shí)際燃燒溫度tp考慮各種散熱： n 通常認(rèn)為，tp=tth，n 為窯爐的高溫系數(shù)。即在計(jì)算中先求tm, 再求tp。（二）計(jì)算燃燒溫度時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題因?yàn)椋篶=f(tp)所

20、以：計(jì)算時(shí)采用試算法先求tth再求tp。步驟：求出收入熱量：Q=Qnet+Qf+Qa設(shè)定一個(gè)tth，從而可以查出對(duì)應(yīng)的c， 得到Q1= Vc tth ，并使Q1>Q再設(shè)一個(gè)小一點(diǎn)的tth”（一般取tth與tth”應(yīng)該是兩個(gè)相鄰的溫度間隔），從而可以查出對(duì)應(yīng)的c”， 得到Q2= Vc”tth”，并使Q2<Q可以認(rèn)為，tth必定位于tth與tyh”之間，且從而可以求出tth。tp=tth，即可求出實(shí)際燃燒溫度tp。P252: 4-7,（三）提高實(shí)際燃燒溫度的途徑選用熱值高的燃料，即提高Qnet。選用合適當(dāng)?shù)目諝膺^(guò)剩系數(shù)。n 若<1時(shí)，有不完全燃燒熱損失Qch, Qmh ；n 若>1時(shí)，由于Va過(guò)多，導(dǎo)致V過(guò)多，從而tp下降。因此，在保證完全燃燒的前提下，應(yīng)該使較小。預(yù)熱空氣和燃料，使ta和tf增大。但由于預(yù)熱燃料受到一些限制，因此主要是預(yù)熱空氣。減少各種散熱損失。（四