《無(wú)機(jī)材料熱工基礎(chǔ)》課件第三章 燃料及其燃燒

1、第三章 燃料及其燃燒目錄3.1 燃料的種類和特性3.2 燃燒計(jì)算3.3 燃料燃燒過(guò)程的基本原理3.4 燃燒方法與燃燒裝置引言熱量化學(xué)能熱能由燃料燃燒產(chǎn)生電能熱能以電為熱源資源豐富，價(jià)格低廉熱利用率高，利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，操作條件好，但資源有限，成本高。3.1 燃料的種類和特性3.1.1 燃料的種類燃料：凡在物理、化學(xué)反應(yīng)中能放出大量熱量并能夠有效地利用于工業(yè)和其它方面的物質(zhì)。燃料分類：固體燃料液體燃料氣體燃料固體燃料潔凈煤技術(shù)：“以煤代油”“以煤造油”固體燃料木柴可燃頁(yè)巖煤泥煤褐煤煙煤無(wú)煙煤褐煤性質(zhì)：剛開采出的褐煤的水分約為2040，風(fēng)干后為1230，Ad=0.550，發(fā)熱量約為13001700

2、0 kJ/kg。用途：制造煤氣煙煤性質(zhì)：揮發(fā)物1045，固定碳3575，灰分730； 水分318；發(fā)熱量2100029000 k/kg；著火溫度400500 。用途：適合于水泥回轉(zhuǎn)窯作燃料。無(wú)煙煤性質(zhì)：含固定碳高，可達(dá)90以上；揮發(fā)分少，一般小于10；水分和灰分一般也較低；發(fā)熱量一般為2500029000kJ/kg；著火溫度較高（一般為650700）。用途：適用于水泥立窯作燃料。液體燃料重油的使用性質(zhì)：黏度：影響重油的裝卸、存貯、過(guò)濾、輸送及霧化。閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)：關(guān)系到用油的安全技術(shù)及燃燒條件。凝固點(diǎn)：當(dāng)油類完全失去流動(dòng)性時(shí)的最高溫度。密度：重油的密度與溫度有關(guān)，常隨溫度的增加而密度略為減

3、小。石油汽油煤油柴油常壓渣油減壓渣油裂化煤氣裂化汽油裂化渣油重油閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)閃點(diǎn)：當(dāng)有火源接近時(shí)，出現(xiàn)藍(lán)色閃光，此時(shí)的油溫；燃點(diǎn)：用火源接近油表面里藍(lán)光閃現(xiàn)后能持續(xù)燃燒（不少于5秒）；著火點(diǎn)：再繼續(xù)提高油溫，則油表面的蒸氣即使無(wú)火源接近也會(huì)自發(fā)燃燒起來(lái)，發(fā)生自燃，此時(shí)的油溫。燃油的閃點(diǎn)與組成有關(guān)：油的密度越小，閃點(diǎn)越低。水煤漿 水煤漿由70%左右的煤，29%的水及少量化學(xué)添加劑制成，是一種漿體燃料，可以像油一樣泵送、霧化、貯存和穩(wěn)定燃燒的煤基液態(tài)燃料。氣體燃料氣體燃料天然氣人造煤氣石油氣焦?fàn)t煤氣高爐煤氣水煤氣發(fā)生爐煤氣城市煤氣氣化過(guò)程 灰層氧化層還原層干餾帶干燥帶氣化劑（空氣+水蒸氣）

4、將煤或焦炭等固體燃料，通過(guò)高溫在氣化劑的作用下，得到氣體燃料的熱化學(xué)過(guò)程，稱為固體燃料的氣化。3.1.2 燃料的組成與換算固體和液體燃料的組成與換算氣體燃料的組成與換算固體和液體燃料的組成與換算元素分析法用元素表示燃料組成的分析方法。C、H、O、N、S、A（灰分）、M（水分）C固、液燃料的主要熱能來(lái)源 煤中含量：5399重油中含量：86% 碳以有機(jī)化合物形式存在受熱分解后燃燒 自由氫（凈氫）：與碳和硫的化合物可燃并放出大量的熱量化合氫：與氧相結(jié)合成水，不能燃燒H固體燃料： 45%液體燃料： 14%O、 N氧和氮不能燃燒降低了燃料的燃燒能力固液體燃料中含13或更少煤：435%重油：14%M水不能

5、燃燒，且升溫吸熱，降低燃料的品質(zhì)。少量水對(duì)燃料著火、燃燒、傳熱等方面有益。 S金屬硫化物可燃 有機(jī)硫化物可燃 無(wú)機(jī)硫酸鹽不可燃 燃燒產(chǎn)物對(duì)設(shè)備及環(huán)境有害固體燃料：20，液體燃料：一般0.3灰分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3元素分析中的O、N、S、M、A 均為燃料的有害成分固體和液體燃料各化學(xué)組成的質(zhì)量百分含量用以下三種基準(zhǔn)表示：收到基：實(shí)際使用的燃料的組成，用下角標(biāo)“ar”表示：Car %+Har %+Oar %+Nar %+Sar %+Aar %+Mar %=100 干燥基：除去水分以外的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，角標(biāo)“ad”表示 。Cad %+Had %+

6、Oad %+Nad %+Sad %+Aad %=100干燥無(wú)灰基：無(wú)水無(wú)灰煤的組成，用下角標(biāo)“daf”表示。Cdaf %+Hdaf %+Odaf %+Ndaf %+Sdaf %=100已知“基”所換算的“基”收到基干燥基干燥無(wú)灰基收到基干燥基干燥無(wú)灰基111例：已知Cad、Mar、Mad，求Car燃料組成的換算系數(shù)例已知煤的干燥無(wú)灰基組成（）為： Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf 80.2 6.1 11.6 1.4 0.7收到基時(shí)水分Mar=3.5，干燥基時(shí)灰分Ad=8.2求：收到基時(shí)Car的百分含量。解先由Cdaf換算成Cd（%），再由Cd換算成Car（%）工業(yè)分析法水分（M

7、）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）和固定碳（FC）VFCMA燃料=+燃料中的碳?xì)浠衔颲 ，燃料著火溫度低，燃燒速度快 ，燃燒火焰長(zhǎng) FC ，燃料發(fā)熱量高濕成分（用上角標(biāo)“v”表示）干成分（用上角標(biāo)“d”表示）不可燃成分N2、CO2、SO2和H2O等換算可燃成分H2、CO、CH4、CmHn和H2S等組成COv+H2v+CH4v+CmHnv+H2Sv+CO2v+N2v+O2v+H2Ov=100 COd+H2d+CH4d+CmHnd+H2Sd+CO2d+N2d+O2d=100 組成表示氣體燃料的組成與換算3.1.3 燃料發(fā)熱量 燃料的發(fā)熱量（熱值）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或體積的燃料完全燃燒，當(dāng)燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的

8、溫度時(shí)所放出的熱量稱為，單位為kJ/kg（kJ/Nm3）。高位發(fā)熱量Qgr 產(chǎn)物中水蒸氣全部凝結(jié)為水低位發(fā)熱量(Qnet)產(chǎn)物中的水以20蒸氣存在Qnet，ar=Qgr，ar-225 Har-25 Mar發(fā)熱量固體、液體燃料的低位發(fā)熱量，采用門捷列夫公式：Qnet，ar=339Car+1030Har-109（Oar-Sar）-25Mar 氣體燃料的低位發(fā)熱量由根據(jù)氣體的組成得：Qnet=126CO+108H2+358CH4+590C2H4+637C2H6+806C3H6+912C3H8+1187C4H10+1460C5H12+232H2SCO為氣體燃料中的可燃組分的體積分?jǐn)?shù)%3.2 燃燒計(jì)算計(jì)

9、算內(nèi)容目的：為了設(shè)計(jì)窯爐的需要；為了操作窯爐的需要。內(nèi)容：空氣量的計(jì)算：鼓風(fēng)機(jī)選型計(jì)算的依據(jù)煙氣量的計(jì)算：排風(fēng)機(jī)選型、煙囪計(jì)算的依據(jù)煙氣成分的計(jì)算：通過(guò)空氣系數(shù)判斷燃燒操作情況燃燒溫度的計(jì)算：分析影響因素，改進(jìn)燃燒條件，提高燃燒溫度?？諝饬康挠?jì)算完全燃燒與不完全燃燒燃料中可燃成分與空氣中氧起化學(xué)反應(yīng)生成不再可燃的產(chǎn)物（CO2、H2O、SO2)完全燃燒燃料中可燃成分與空氣中氧化合不完全生成的產(chǎn)物中有可燃成分（CO、H2)不完全燃燒化學(xué)不完全燃燒由于空氣不足或燃料與空氣混合不好而造成部分燃料未參加燃燒反應(yīng)或燃燒不好由于機(jī)械設(shè)備原因而使燃料未參加燃燒反應(yīng)即被排走機(jī)械不完全燃燒固體、液體燃料理論空氣量

10、共需氧量：需從空氣中獲得的氧 ：理論干空氣量：氣體燃料理論空氣量理論需氧量：理論空氣量：實(shí)際空氣量為了保證燃料能完全燃燒，實(shí)際供給的助燃空氣大于理論空氣值，實(shí)際空氣量Va與理論空氣量Va0 的比值稱為空氣消耗系數(shù)：火焰的氣氛CO2%弱還原性CO3-5%強(qiáng)還原性中性焰1，燃燒產(chǎn)物中沒(méi)有過(guò)剩空氣，也沒(méi)有可燃?xì)怏w氧化焰1，燃燒產(chǎn)物中有過(guò)?？諝膺€原焰1，燃燒產(chǎn)物中含有CO、H2、CH4 等可燃?xì)怏w從理論上講溫度最高煙氣量的計(jì)算固體、液體燃料理論煙氣量指單位燃料與理論空氣進(jìn)行完全燃燒生成的煙氣理論煙氣量：氣體燃料理論煙氣量 煙氣中CO2含量來(lái)源于燃料中CO、CH4、CmHn中碳的燃燒及氣體燃料原有的CO

11、2：理論煙氣量：煙氣組成與密度aCO2為煙氣中各成分的體積分?jǐn)?shù)煙氣的密度可以用加和原理計(jì)算，得：燃燒溫度的計(jì)算 根據(jù)能量守恒規(guī)律，進(jìn)入窯爐的熱量必等于支出的熱量。收入的熱量：燃料的化學(xué)熱（即燃料的低位發(fā)熱量）Qnet燃料帶入的物理熱：Qf 空氣帶入的物理熱：Qa 支出的熱量：燃燒產(chǎn)物所含的物理熱：Q = VCtp燃燒產(chǎn)物中部分CO2和H2O在高溫下熱分解反應(yīng)消耗的熱量：Qdi由于化學(xué)不完全燃燒造成的熱損失：Qch由燃燒產(chǎn)物傳給周圍物體的熱量：Ql實(shí)際燃燒溫度則，可得： 但是不能用來(lái)直接計(jì)算實(shí)際燃燒溫度，采用間接法。先確定理論燃燒溫度，而后估算實(shí)際燃燒溫度。理論燃燒溫度定義：燃料完全燃燒放出的熱

12、量和燃料及空氣帶入的物理熱全部用于加熱煙氣，在此情況下達(dá)到的煙氣溫度。即燃料在燃燒過(guò)程中沒(méi)有任何熱損失時(shí)，煙氣所達(dá)到的溫度。由于C是溫度的函數(shù)，因此，上式仍不能直接算出溫度，采用圖解法。（1）令燃燒產(chǎn)物單位體積的理論熱含量Ith=Ctp，則（2）根據(jù)Ith，查I-t圖（P80頁(yè)），確定 tth。實(shí)際燃燒溫度估算目前一般按下式估算實(shí)際燃燒溫度tp= tth為燃燒溫度系數(shù)3.3 燃料燃燒過(guò)程的基本原理概念可燃物質(zhì)組成：可燃?xì)怏w、固定碳燃燒：燃料中的可燃物與空氣的氧產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨著有強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。基本階段任何燃料的燃燒過(guò)程包括三個(gè)基本階段:燃料與氧氣的混合（擴(kuò)散）可燃燒混

13、合物達(dá)到著火溫度的加熱階段可燃燒成分與氧氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)基本條件可燃燒物與空氣充分混合；可燃物達(dá)到著火溫度；可燃混合物中燃料濃度必須介于著火濃度范圍內(nèi)。著火溫度燃燒過(guò)程兩個(gè)階段：“著火”及“燃燒”著火溫度：由緩慢的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×业难趸磻?yīng)的瞬間，轉(zhuǎn)變時(shí)的最低溫度。著火、燃燒過(guò)程： 熱源燃料局部被加熱、引燃傳熱給周圍的燃料溫度升高到著火溫度周圍燃料持續(xù)燃燒著火濃度范圍 氣體燃料與空氣混合后，體積比必須在一定的范圍內(nèi)，才能著火燃燒，這一范圍稱為著火濃度范圍或著火極限?；旌蠚怏w中可燃?xì)怏w的含量低于下限或高于上限時(shí)均不能著火燃燒。當(dāng)?shù)陀谙孪迺r(shí)，空氣過(guò)多；高于上限時(shí)，空氣過(guò)少，局部點(diǎn)燃時(shí)，其氧化反應(yīng)所

14、產(chǎn)生的熱量不足以使鄰近氣層氣體加熱至著火溫度以上而燃燒。所以，可燃?xì)怏w濃度在上、下限以外時(shí)，燃燒不能繼續(xù)進(jìn)行?；鹧娴膫鞑セ鹧娴膫鞑ィ喝紵婷娌粩嘞蛭慈?xì)怏w移動(dòng)的現(xiàn)象稱為火焰的傳播（擴(kuò)散）現(xiàn)象?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在火焰單位面積上所燒掉的氣體體積。方向與焰面垂直，又稱為法向火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｓ绊懟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩鼗旌衔锏慕M成（火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾党Ｔ诳諝庀南禂?shù)接近1或略小于1時(shí)）初始溫度（提高可顯著提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋恿骰蛭闪鹘^熱或散熱凡是能加速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和燃燒區(qū)向預(yù)熱區(qū)傳熱、傳質(zhì)的因素都與提高火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P(guān)。燃燒機(jī)理可燃?xì)怏w的燃燒 可燃?xì)怏w的燃燒按鏈鎖反應(yīng)的方式進(jìn)行的。H、O、OH等為

15、連鎖反應(yīng)刺激物，是反應(yīng)進(jìn)行的必要條件生成連鎖刺激物的反應(yīng)如下：H22HO22OH+O2OH+OO+H2OH+H氫的燃燒 鏈鎖反應(yīng)過(guò)程 （產(chǎn)生三個(gè)刺激物H原子） H O+H2 H2O H +O2 OH+H2 H2 OH+H2 H2O H H H 總反應(yīng) H+3H2+O22H2O+3H 速度最慢一氧化碳的燃燒H和OH為鏈鎖刺激物，連鎖反應(yīng)過(guò)程：總反應(yīng) 2CO+O2 +H2C2O+H氫氣和水氣所產(chǎn)生的刺激物H、OH可加速一氧化碳的燃燒 O + CO CO2 H + O2 OH +CO CO2 H 延遲著火 氣體燃料的燃燒是按鏈鎖反應(yīng)進(jìn)行的，當(dāng)氣體燃料與空氣的混合物加熱至著火溫度后，要經(jīng)過(guò)一定的感應(yīng)期

16、才能迅速燃燒。在感應(yīng)期內(nèi)不斷生成含有高能量的鏈鎖刺激物，此時(shí)并不放出大量的熱，不能立即將鄰近層氣體溫度升高而燃燒，這一現(xiàn)象叫延遲著火。固態(tài)碳的燃燒 C的燃燒過(guò)程：可見，碳的燃燒速度取決于氣體的擴(kuò)散速度、碳表面的溫度和化學(xué)反應(yīng)速度。氧向碳表面擴(kuò)散碳與氧反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物向外擴(kuò)散低溫時(shí)，約800以下，化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù)非常小，燃燒速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力過(guò)程，此時(shí)稱為“動(dòng)力燃燒”。高溫時(shí)，約1000以上，化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速度系數(shù)。此時(shí)稱為“擴(kuò)散燃燒”當(dāng)溫度位于8001000時(shí)，擴(kuò)散速度與化學(xué)反應(yīng)速度相差不大，過(guò)渡區(qū)，比較復(fù)雜。3.4 燃燒方法與燃燒裝置氣體燃料的燃燒液體燃料的燃燒固體燃料

17、的燃燒氣體燃料的燃燒 根據(jù)煤氣、空氣混合條件不同，煤氣的燃燒方法和燃燒裝置(燒嘴)基本上可以分為三大類：長(zhǎng)焰燃燒短焰燃燒無(wú)焰燃燒長(zhǎng)焰燃燒 煤氣與空氣預(yù)先不進(jìn)行混合，二者在燃燒空間內(nèi)邊混合邊燃燒，此時(shí)燃燒速度受到混合速度的限制，燃燒緩慢且具有明顯的火焰，這種燃燒方式稱為“有焰燃燒”（擴(kuò)散燃燒）層流擴(kuò)散火焰煤氣和空氣層流流動(dòng)紊流擴(kuò)散火焰煤氣和空氣的流速提高短焰燃燒煤氣與一部分空氣（一次空氣）在燒嘴預(yù)先混合，至燃燒室后進(jìn)一步與空氣（二次空氣）混合并燃燒，此時(shí)獲得的火焰長(zhǎng)度較短。無(wú)焰燃燒 煤氣與空氣在進(jìn)入燃燒室或爐膛之前進(jìn)行了充分的混合，這種可燃混合物一旦遇到高溫環(huán)境立即著火燃燒，速度極快，火焰很短甚

18、至無(wú)火焰，這種燃燒方式稱為“無(wú)焰燃燒”（動(dòng)力燃燒），所用燒嘴稱為“無(wú)焰燒嘴”。燃燒裝置高速調(diào)溫?zé)焯攸c(diǎn)：窯內(nèi)溫度分布均勻；借助于調(diào)節(jié)二次空氣量，可以方便地調(diào)節(jié)噴出氣流的溫度，因而可以很準(zhǔn)確地控制窯內(nèi)溫度；燃燒速度快，容積熱強(qiáng)度高，空氣消耗系數(shù)小，燃燒完全。構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。固體燃料的燃燒無(wú)機(jī)材料工業(yè)常用的固體燃料煤的燃燒方法有三種：層狀燃料（淘汰）噴燃燃燒沸騰燃燒噴燃燃燒噴燃：把塊煤磨成煤粉噴入窯爐內(nèi)進(jìn)行懸浮燃燒。優(yōu)點(diǎn)：燃燒速度快、燃燒效率高、燃燒溫度高、煤耗低、調(diào)節(jié)方便。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的噴燃燃燒過(guò)程 煤粉隨空氣噴入窯爐或燃燒室后呈懸浮狀態(tài)，煤粉一邊隨氣流流動(dòng)，一邊依次進(jìn)行干燥、預(yù)熱、揮發(fā)分逸出及

19、燃燒、焦炭粒子燃燒及燃燼等過(guò)程。助燃空氣一次空氣：隨煤粉一起進(jìn)入燃燒室或窯爐的空氣二次空氣：?jiǎn)为?dú)供給的空氣煤粉在窯內(nèi)燃燒形成火焰過(guò)程示意圖注意事項(xiàng)（1）一、二次空氣的比例要合適一次風(fēng)的作用 攜帶煤粉入窯形成風(fēng)煤流股供揮發(fā)物燃燒一次風(fēng)量一般回轉(zhuǎn)窯：2530%立波爾窯：1520%、窯：15%供煤粉的焦炭粒子燃燒 二次風(fēng)的作用（2）恰當(dāng)?shù)囊弧⒍慰諝獾臏囟龋?）控制適當(dāng)?shù)倪^(guò)?？諝庀禂?shù)一次風(fēng)溫度t一次，煤粉易著火，對(duì)燃燒有利，t一次，煤粉有產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)?？刂疲簍一次150。 二次風(fēng)溫度t二次，對(duì)燃燒有利，愈高愈好。取決于冷卻機(jī)的熱效率。 ，燃燒不完全，燃燒溫度低； ，過(guò)?？諝舛?，燃燒溫度低 。過(guò)?？諝庀禂?shù)（4）控制合適的一次風(fēng)噴出速度一次風(fēng)速 ：黑火頭長(zhǎng)，一次風(fēng)速過(guò)大 ，產(chǎn)生離焰，甚至“熄火”