材料工程基礎(chǔ)課件：第四章 燃料及其燃燒

1、1第四章 燃料及其燃燒 2重點(diǎn)內(nèi)容：燃料的組成及表示方法，燃料的化學(xué)組成及各種成分之間的相互轉(zhuǎn)換、燃料發(fā)熱量、標(biāo)準(zhǔn)燃料的概念、燃燒溫度。 精通燃燒計(jì)算的方法和原理 了解燃燒理論，掌握相關(guān)的概念。4.1、燃料的種類和組成4.2、燃燒計(jì)算4.3、燃料燃燒理論 教學(xué)內(nèi)容34.1.燃料的種類和組成4.1.1 燃料是如何分類的？（掌握）4.1.2 表示燃料的組成有哪兩種方法？（掌握）4.1.3 固、液體燃料用哪些基準(zhǔn)表示其組成？（掌握）4.1.4 燃料有哪些熱工性質(zhì)？44.1.燃料的種類和組成4.1.1 燃料是如何分類的？（掌握）氣體燃料：天然氣、煤氣、液化氣、高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣等液體燃料：汽油、煤油

2、、柴油、重油固體燃料：煤（泥煤、褐煤、 煙煤、無(wú)煙煤、 油頁(yè)巖、木柴 ）、柴禾等煙煤：干燥無(wú)灰基的揮發(fā)分1046%無(wú)煙煤：干燥無(wú)灰基的揮發(fā)分10%褐煤：干燥無(wú)灰基的揮發(fā)分46%返回54.1.2 表示燃料的組成有哪兩種方法？（掌握）1、固體和液體燃料（掌握）（1）通常采用質(zhì)量百分比表示其組成；（2）基本單元成分采用兩種方法表示 工業(yè)分析法：V（揮發(fā)份）、FC（固定碳）、A（灰份）、M（水分）元素分析組成：C+H+O+N+S+A+M碳、氫、氧、氮、硫、灰分、水分等七種成分 62、氣體燃料：（1）通常采用體積百分比表示其組成，由可燃成分（CO、H2、CH4與其他烴類）與不可燃成分（CO2、H2O、N

3、2、O2及SO2）等組成 （2）表示方法：干基：COd+H2d+CH4d+CmHnd+H2Sd+CO2d+N2d+O2d+SO2d濕基 COv+H2v+CH4v+CmHnv+H2Sv+CO2v+N2v+O2v+SO2v+H2Ov組成通常用干基表示，而在燃燒計(jì)算中須用濕基作為計(jì)算依據(jù)。濕基與干基之間的換算：返回74.1.3 固、液體燃料各基準(zhǔn)有哪些？（掌握） 1、基準(zhǔn)：收到基“ar”：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%是燃燒計(jì)算的原始依據(jù)水分=內(nèi)在水分+外在水分外在水分，是附著在煤顆粒表面的水分。常溫下的干燥空氣中蒸發(fā)，蒸發(fā)到煤顆粒表面的水蒸氣壓與空氣的濕度平衡時(shí)就

4、不再蒸發(fā)了。 內(nèi)在水分，是吸附在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分。內(nèi)在水分需在1000C以上的溫度經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能蒸發(fā) 空氣干燥基“ad” ：干燥基“d” 干燥無(wú)灰基“daf”：結(jié)論: 燃料的組成及表示方法，隨燃料種類的不同而不同。 各組成的數(shù)值隨著”基” 的不同而不同. 8不同基準(zhǔn)間的換算方法： 依據(jù)：質(zhì)量守恒 具體見P239表5-2例4-1：已知煤的干燥無(wú)灰基組成為(%)： Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf收到基時(shí)水分為Mar%,干燥基時(shí)灰分組成為Ad%.求（1）干燥基時(shí)C的百分含量 （2）收到基時(shí)C的百分含量2、各種基準(zhǔn)之間如何換算？（掌握）返回94.1.4 燃料有哪些熱工性質(zhì)？

5、（掌握）1、基本熱工性質(zhì)發(fā)熱量（熱值） 2、其它熱工性質(zhì) 固體燃料：揮發(fā)分、灰分、結(jié)渣性能、含水量、可燃硫量等液體燃料：粘度、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)、凝固點(diǎn)、 水分、可燃硫含量、機(jī)械雜質(zhì) 氣體燃料：分子量和密度、平均比熱。101、基本熱工性質(zhì)發(fā)熱量（熱值） （1）概念： 單位燃料完全燃燒，當(dāng)然燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時(shí)所放出的熱量，稱為燃料的發(fā)熱量或熱值。kJkg（kJ/Nm3） 。 （2）發(fā)熱量有兩種表示法：高位熱值Qgr：是指燃料完全燃燒，燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在時(shí)所放出的熱量。是評(píng)價(jià)燃料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。 低位熱值Qnet：是指燃料完全燃燒后，燃燒產(chǎn)物中水蒸汽仍以汽態(tài)形式存在時(shí)所放出的熱量。

6、是燃燒計(jì)算中使用的基準(zhǔn)。 111、基本熱工性質(zhì)發(fā)熱量（熱值）（3）發(fā)熱量確定方法：實(shí)驗(yàn)測(cè)定: 如氧彈式量熱計(jì)測(cè)定固體或液體熱值 ，用氣體熱量計(jì)測(cè)定氣體的熱值 近似計(jì)算: 根據(jù)元素分析或工業(yè)分析數(shù)據(jù)，選用P241式（5-6）（5-10）計(jì)算。在查找K值之前，應(yīng)把空氣干燥基的揮發(fā)分換算成干燥無(wú)灰基揮發(fā)分（4）標(biāo)準(zhǔn)燃料的概念標(biāo)準(zhǔn)煤：低位發(fā)熱量等于7000kcal/kg（或29.2MJ/Kg）的固體燃料稱為1Kg標(biāo)準(zhǔn)煤記為1Kgce標(biāo)準(zhǔn)油：低位發(fā)熱量等于10000kcal/kg（或41.82MJ）的液體燃料標(biāo)準(zhǔn)氣：低位發(fā)熱量等于10000kcal/Nm3的氣體燃料122、其它熱工性質(zhì) 固體燃料：揮發(fā)分

7、、灰分、結(jié)渣性能、含水量、可燃硫量等（1）揮發(fā)分在隔絕空氣條件下，將煤樣在溫度900下加熱7分鐘，所得氣態(tài)物質(zhì)稱為揮發(fā)物，揮發(fā)物所占比例稱為揮發(fā)分。 用“V”表示是判定煤種的一種指標(biāo) 揮發(fā)分對(duì)燃燒過(guò)程的影響： 揮發(fā)分高，火焰長(zhǎng)、著火溫度低、易著火。（2）灰分是指煤在815完全燃燒后的剩下的礦物雜質(zhì)。用“A”表示灰分含量越高，煤的發(fā)熱量越少，煤的燃燒速度越慢。 灰分每增加l，燃料消耗即增加l 。 灰分的組成13（3）結(jié)渣性 ：與煤中的灰分有關(guān)：當(dāng)灰分中SiO2、Al2O3含量多時(shí)，灰分熔點(diǎn)高； FeO、Na2O、K2O等含量多時(shí)，灰分熔點(diǎn)降低。 一般：灰分越多，熔點(diǎn)越低，越易結(jié)渣。易結(jié)渣的煤，操

8、作困難、燃燒不易穩(wěn)定，機(jī)械不完全燃燒損失較大。（4）水分：指煤的內(nèi)在水分或固有水分，不包括結(jié)晶水分。即指空氣干燥后煤樣放在烘箱中在102105下加熱至干燥狀態(tài)，所失去的水分。用“M”表示 水分高，燃燒速度慢，火焰長(zhǎng)，熱耗高資料表明：煤粉中存在的水蒸汽所造成的熱損失大約為20.9kj（5kcal）/kg熟料14（5）可燃硫煤中的硫分：可燃硫：有機(jī)硫化物、黃鐵礦硫及元素硫存在。 不可燃硫 ：是硫燃燒后被煤灰吸收并固定下來(lái)的新生硫酸鹽，以硫酸鹽（主要為硫酸鈣）形態(tài)存在。SO2 和SO3排放到大氣中，造成了大氣環(huán)境的污染。 過(guò)量硫、氯的存在，易在預(yù)熱器中形成結(jié)皮現(xiàn)象。 （6）固定碳從煤的測(cè)試試樣質(zhì)量中

9、減去其中的灰分、水分及揮發(fā)分含量，剩下的質(zhì)量就是煤的固定碳含量。用“Fc”表示實(shí)際上是煤中的有機(jī)質(zhì)在一定加熱制度下產(chǎn)生的熱解固體產(chǎn)物，屬于焦渣的一部分。固定碳不僅含有碳元素，還有氫、氧、氮等元素。固定碳含量與元素成分中的碳元素含量是不相同的兩個(gè)概念，前者往往大于后者。 15建材工業(yè)高效燃燒技術(shù)富氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)：火焰溫度變高；燃燒所必需的空氣量減少；燃燒生成的氣體量減少。 對(duì)耐火材料的材質(zhì)選定和壽命方面 助燃空氣富氧濃度一般在2630時(shí)為最佳 燃料在空氣中燃燒與在純氧中的燃燒速度相差甚大 ，氫氣在空氣中的燃燒速度最大為280cm/s，在純氧中為1175cm/s 氧含量增加45%，火焰溫度可升高2

10、00300 一般氧濃度每增加1%，煙氣量約下降24.5% 16液體燃料：通常指石油及石油加工產(chǎn)品（1）重油：石油經(jīng)過(guò)提煉汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油等輕質(zhì)油后，剩下分子量較大的油就是重油。（2）組成：一般用元素分析法來(lái)表示其組成其中可燃成分C+H95% ，水分1較好。（4）操作上盡量減少不完全燃燒熱損失；（5）采取保溫措施使表面散熱損失減少。53例3：燃燒溫度的算例已知：某煙煤組成為：Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 71% 8.84% 7.55% 1.23% 0.3% 5.08% 10% 若已知煙煤、空氣的溫度均為室溫20，燃燒室的熱效率為75%,當(dāng)=1.2時(shí)求（1）燃料燃

11、燒的實(shí)際溫度？ （2）若燃燒室要求溫度為1650 ，則空氣需預(yù)熱到多少度？ 54解（1）當(dāng)=1.2時(shí)，求實(shí)際空氣量和煙氣量、熱值理論煙氣量實(shí)際煙氣量發(fā)熱量計(jì)算P241（5-4）55（2）求理論燃燒溫度tth收入總熱量 Q=VCtth=Qnet+Qf+Qa查得煤 tf=20，Cf=1.256Kj/Kg查表： ta=20，Ca=1.005Kj/KgQ=32134+11.25620+10.111.00520 =32362Kj/Kg假定t1=1800 ,查硅酸鹽工業(yè)熱工設(shè)備表4-18得 C1=1.68Kj/Kg Q1=18001.6810.80=32659.2Kj/KgQ假定t2=1700 ,查表 得

12、 C2=1.665Kj/Kg Q2=17001.66510.80=30569.4Kj/KgQ即Q2Q Q1t2 tth t1由內(nèi)插法：56題中要求：查表4-18，tth =2260, C=1.71 Kj/Kg57設(shè)故：燃燒室要達(dá)到1650，則空氣需預(yù)熱到676 584.3 燃燒過(guò)程的基本理論1什么是燃燒？產(chǎn)生燃燒的基本條件是什么？（掌握）2什么是著火溫度？什么著火濃度？（掌握）3什么叫點(diǎn)燃？（了解）4什么叫燃燒速度？什么叫燃燒損失？什么叫燃燒效率？（掌握）5碳燃燒過(guò)程是如何進(jìn)行的？什么叫動(dòng)力燃燒?什么叫擴(kuò)散燃燒？（掌握）6氣體燃燒過(guò)程是如何進(jìn)行的？有何特征？（掌握）7什么叫脫火？什么叫回火？（

13、掌握）返 回591、什么是燃燒？產(chǎn)生燃燒的基本條件是什么？（掌握）（1）燃燒：指燃料中的可燃物與空氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨強(qiáng)烈發(fā)光的現(xiàn)象。（2）燃燒的條件為：燃料與空氣（氧化劑）混合；混合物溫度達(dá)到燃燒所需的最低溫度著火溫度602、什么是著火溫度？什么叫著火濃度？（掌握）（1）著火溫度： 一定條件下燃料空氣混合物發(fā)生自燃現(xiàn)象的最低溫度稱為著火溫度或自燃溫度。影響著火溫度的因素有哪些？燃料種類、濃度、散熱系數(shù)、器壁溫度E活化能，kj/kmol，R氣體常數(shù)，kj/kmol.kT0器壁溫度，KT0Tf61名 稱 爆炸極限濃度 名 稱 爆炸極限濃度 下 限 上 限 下 限 上 限 甲

14、烷 5.0 15.0 發(fā)生爐煤氣631乙烷 2.9 13.0 焦?fàn)t煤氣 6 31 乙烯 2.7 34.0 天然氣415乙炔 2.5 80.0 一氧化碳 12.5 74.2 丙烷 2.1 9.5 汽油 1.4 8.0 丙稀 2.0 11.7 煤油 1.4 7.5 正丁烷 1.5 8.5 重油 1.2 6.0 戊烷 1.4 8.3 氫氣 4.0 75.9 （2）著火濃度范圍（掌握） 氣體燃料與空氣的比例須在一定范圍內(nèi)，才能進(jìn)行燃燒，這一范圍叫著火濃度范圍。燃料與空氣的混合濃度既不能過(guò)大也不能過(guò)小。當(dāng)煤氣與空氣的混合物噴入高溫空間時(shí)，煤氣的著火不受此范圍的限制623、什么叫點(diǎn)燃？（了解） 當(dāng)燃料空氣

15、混合物不能產(chǎn)生自燃現(xiàn)象或產(chǎn)生自燃燃燒的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可通過(guò)外加能量方式使混合物快速達(dá)到燃燒狀態(tài)，這種以外加能量的方式使其燃燒的方法稱為點(diǎn)燃或強(qiáng)制著火。63（1）燃燒速度單位時(shí)間，單位幾何量（面積、容積）燃料的燃燒量（2）燃燒損失燃燒過(guò)程進(jìn)行完畢后，剩余未完全燃燒的燃料量，稱為燃燒損失，對(duì)固體燃料常分為機(jī)械不完全燃燒損失、化學(xué)不完全燃燒損失機(jī)械不完全燃燒損失：固體燃料中未參與化學(xué)反應(yīng)的部分燃料化學(xué)不完全燃燒損失：化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物中含有的可燃?xì)怏w當(dāng)量燃料量（3）燃燒效率實(shí)際燃燒放熱量與燃料熱值之比稱為燃燒過(guò)程的燃燒效率4、什么叫燃燒速度？什么叫燃燒損失？什么叫燃燒效率？（掌握）645碳燃燒過(guò)程是如何進(jìn)行

16、的？什么叫動(dòng)力燃燒?什么叫擴(kuò)散燃燒？（掌握）（1）碳燃燒過(guò)程：是典型的氣固反應(yīng)。化學(xué)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)式C化學(xué)反應(yīng)速度O2CO265CO2CO2物理過(guò)程擴(kuò)散速度66總?cè)紵^(guò)程CO2CO2燃燒速度在平衡條件下：Vd=Vg=V67動(dòng)力燃燒與擴(kuò)散燃燒（2）什么叫動(dòng)力燃燒?什么叫擴(kuò)散燃燒？（掌握）686氣體燃燒過(guò)程是如何進(jìn)行的(p258)？有何特征？（掌握）可燃?xì)怏w的燃燒過(guò)程是一系列復(fù)雜的鏈鎖反應(yīng)?？扇?xì)怏w混合物一旦達(dá)到著火溫度并開始燃燒時(shí)，則其燃燒速度極快，在達(dá)到著火溫度到著火燃燒需要一定時(shí)間，稱為著火延遲時(shí)間，具有延遲著火特征在氫氣或一氧化碳的燃燒過(guò)程中 ，有氫或水汽的存在可產(chǎn)生刺激物，加速反應(yīng)的進(jìn)行。

17、 甲醛的存在，可產(chǎn)生O活性原子刺激物，對(duì)烴類的燃燒有利。 69可燃?xì)怏w的燃燒鏈鎖反應(yīng),以H2燃燒反應(yīng)為例：H2H2OH+O2H+O2.OH+H2HO+H2HOH+H2H2OH鏈鎖反應(yīng)的產(chǎn)生必須要有鏈鎖刺激物（中間活性物）的存在，如H、O及OH。它們是由于分子間的互相碰撞、氣體分子在高溫下的分解、或電火花的激發(fā)而產(chǎn)生。 707、什么叫脫火？什么叫回火？（掌握）火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程當(dāng)可燃?xì)怏w混合物局部達(dá)到著火溫度并燃燒后，所產(chǎn)生大量熱量使該處溫度提高，并以熱傳導(dǎo)方式傳給臨近一層氣體使其達(dá)到著火溫度以上而燃燒，并形成新的火焰面，這種火焰面不斷向未燃?xì)怏w方向移動(dòng)現(xiàn)象叫火焰的傳播現(xiàn)象，傳播速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，也叫燃燒速度點(diǎn)燃處氣流速度=火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰根部穩(wěn)定 717、什么叫脫火？什么叫回火？（掌握）正常的火