材料熱工基礎(chǔ) 燃燒

3.燃燒學(xué)研究燃燒基本理論與燃燒技術(shù)的一門科學(xué)。通過學(xué)習(xí)，達到最合理地、最有效的組織燃燒過程和控制燃燒過程。內(nèi)容3.1燃料的種類和組成3.2燃料的熱工特性3.3燃燒計算3.4燃燒過程的基本理論3.1燃料的種類和組成主要介紹燃料的分類及化學(xué)組成的表示方法。燃料：指通過燃燒能獲得大量熱能，且這些熱能能為人們以各種方式所利用的可燃物質(zhì)。

工業(yè)上選作為燃料的僅是指燃燒過程中以氧氣(空氣)作氧化劑的物質(zhì)，故這些物質(zhì)應(yīng)當是由那些能與氧化合的元素所組成。熱量的獲得形式燃料燃燒電為熱源按狀態(tài)分固體：木柴、煤和可燃頁巖。最常用是煤，有泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤。液體：石油及石油加工產(chǎn)品。常用加工產(chǎn)品重油。氣體：天然氣及人造煤氣。常用天然氣、液化石油氣及發(fā)生爐煤氣。按來源分天然燃料：自然界的原煤、石油、天然氣、木柴等人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、發(fā)生爐煤氣等。1、燃料的種類(依狀態(tài)、來源分)(理解)3.1燃料的種類和組成2、燃料的化學(xué)組成及表示方法(掌握)(固液體，氣體)(1)、固體和液體(元素分析法，工業(yè)分析法)①元素分析法固體和液體燃料組成可由化學(xué)分析獲得，它們是碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素和部分的礦物雜質(zhì)－灰分(A)、水分(M)根據(jù)不同的條件，固體和液體燃料的元素組成表示方法可分為下列四種：?收到基：使用單位收到煤的組成，即實際使用煤的組成，在各組成的右下角“ar”3.1燃料的種類和組成?空氣干燥基：指分析實驗室里所用的煤樣組成，在各組成的右下角“ad”表示?？諝飧稍锘鶞拭褐械乃譃閮刹糠纸M成：空氣干燥過程逸出的水分空氣干燥狀態(tài)殘留的水分或表示如下：3.1燃料的種類和組成?干燥基：指絕對干燥的煤的組成。“d”?干燥無灰基：指假想的無水無灰的煤的組成。在各組成的右下角“daf”說明根據(jù)質(zhì)量平衡原理，上述四種組成表示方法，可以相互進行換算。表4-13.1燃料的種類和組成②工業(yè)分析法主要是確定煤中的灰發(fā)分(V)、固定碳(FC)、灰分(A)和水分(M)的含量作為控制煤的質(zhì)量指標。同樣可用上述四種標準：收到基空氣干燥基干燥基干燥無灰基3.1燃料的種類和組成(2)、氣體燃料(濕成分，干成分)氣體燃料是由可燃成分CO、H2、CH4、H2S、CmHn等和不可燃成分CO2、H2O、N2、SO2、O2等組成的混合氣體。其中SO2和H2S是有害氣體成分。組成用體積百分含量表示，有干成分和濕成分二種：濕成分上標用“”,干成分上標用“d”。區(qū)別是否包括水蒸汽。濕成分3.1燃料的種類和組成干成分干、濕成分的換算：100m3濕氣體燃料中所含水蒸汽的體積。3.1燃料的種類和組成3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則1、發(fā)熱量(概念，種類，測定，標準燃料)概念單位體積或單位質(zhì)量的燃料完全燃燒，當燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時所放出的熱量稱燃料的發(fā)熱量或熱值。種類高位發(fā)熱量：燃料完全燃燒，產(chǎn)物中的水蒸汽全部凝結(jié)為水時所放出的熱量；低位發(fā)熱量：燃料完全燃燒，產(chǎn)物中的水蒸汽仍以氣態(tài)存在時所放出的熱量。內(nèi)容發(fā)熱量(掌握)

燃料的其它熱工特性(理解)

燃料的選用原則(理解)則收到基高、低位熱值之差為：其它基準為：1kg固體或液體燃料燃燒后生成水量為：差別3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則測定和計算專門的量熱計測定：固體用氧彈量熱計；氣體用氣體量熱計。計算采用經(jīng)驗公式，見教材4-8～4-11公式標準燃料標準煤的收到基低位發(fā)熱量為29270kj/kg(7000kCal/kg);標準油或標準氣的低位發(fā)熱量為41820kj/kg或kj/Nm3(10000kCal/kg,Nm3)1NM3氣體燃料，高、低位熱值的差別為：3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則揮發(fā)粉；結(jié)渣性；水分；可燃硫含量。固體燃料有：液體燃料有：粘度；閃點、燃點、著火點；凝固點；密度；比熱和導(dǎo)熱系數(shù)；水分；機械雜質(zhì)。氣體燃料有：煤氣的分子量和密度；煤氣的平均比熱。3、燃料的選用原則：教材P241隨燃料的種類不同而不同。有以下幾種：2、燃料的其它熱工特性：3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則3.3燃燒計算本節(jié)主要介紹燃燒計算的目的、內(nèi)容、計算方法。內(nèi)容

燃燒計算的目的、內(nèi)容和基本概念(掌握)

燃燒的分析計算法(掌握)

燃料的近似計算法(了解)

估計空氣量及煙氣量(理解)

操作計算(掌握)

燃燒溫度的計算(理解)1、燃燒計算的目的、內(nèi)容和基本概念(掌握)目的是在給定的條件下求出燃料燃燒需用的空氣量，燃燒產(chǎn)物生成量和成分，以及燃燒可能達到的溫度；為設(shè)計工業(yè)窯爐和設(shè)備選型提供原始數(shù)據(jù)或?qū)φ谶\行的熱工設(shè)備進行熱工標定，確定工作效率。(1)目的和內(nèi)容3.3燃燒計算氣體的體積都用標準狀態(tài)(0℃,101325Pa)；氣體看作理想氣體，即1kmol的體積都是22.4升；溫度基準：0℃；忽略空氣中稀有氣體的含量，將空氣看成是由氮氣和氧氣二種所組成，其體積比為79:21。①機械不完全燃燒：由于機械設(shè)備的原因而燃料未能參加燃燒的部分稱～。②化學(xué)不完全燃燒：由于空氣供應(yīng)量不足或燃料與空氣混合不好而造成部分燃料未參加反應(yīng)稱～。(2)幾個假設(shè)(3)幾個基本概念3.3燃燒計算③空氣過剩系數(shù)：通常實際供給的助燃空氣量與按化學(xué)反應(yīng)式計算出的燃料燃燒所需的空氣量之比稱～。的經(jīng)驗值如下：氣體燃料：液體燃料：固體燃料：煤粉：3.3燃燒計算④火焰的氣氛：根據(jù)燃燒產(chǎn)物的氣氛性質(zhì)，其燃燒后的火焰有氧化焰、中性焰和還原焰之分。氧化焰：>1，燃燒產(chǎn)物中有過剩的氧氣O2。中性焰：，燃燒產(chǎn)物中沒有過剩的氧氣，也疫有未燃燒的CO、H2和CH4等可燃氣體。還原焰：，燃燒產(chǎn)物中含有CO、H2和CH4等可燃氣體。說明除特殊工藝需要外(如陶瓷制品的燒成)，燃燒的火焰一般都是氧化焰。3.3燃燒計算2、燃燒的分析計算法(固液體，氣體)(掌握)(1)固體和液體燃料(掌握計算過程)已知燃料的收到基組成如下：燃料中可燃成分按下列氧化反應(yīng)進行。過程如下3.3燃燒計算理論燃燒需氧量(Vo2o)理論空氣需要量：(VaO)實際空氣需要量：(Va)3.3燃燒計算理論煙氣生成量：(VO)理論煙氣量中：3.3燃燒計算實際煙氣生成量：(V)當α>1時3.3燃燒計算煙氣各組成量為：3.3燃燒計算當α<1時各煙氣組成量：當α<1，表示缺少的空氣量為

則缺少的氧氣量為：假設(shè)因空氣量不足，燃料中的H和S完全起反應(yīng)，C一部分完全反應(yīng)生成CO2，另一部分未完全反應(yīng)而生成CO，則：3.3燃燒計算實際煙氣的體積百分組成：以煙氣中各組成氣體的體積除以煙氣的總體積。3.3燃燒計算(2)氣體燃料(掌握)設(shè)氣體燃料的體積百分組成(%)：CO、H2、CmHn、O2、CO2、H2O;其中可燃成分：CO、H2、H2S、CmHn可燃成分與氧反應(yīng)式為：3.3燃燒計算理論空氣需要量：實際空氣需要量：理論煙氣生成量：計算方法同前固液體實際煙氣生成量：當α>1時，計算方法同前。當α>1時CO2、H2O和SO2與理論煙氣中相同，僅N2量不同，此外還有過剩的O2。各煙氣組成量：3.3燃燒計算當α<1時若煤氣按比例燃燒，則：未燃煤氣量，Nm3/Nm3燃燒生成的煙氣量，Nm3/Nm3實際煙氣生成量：說明以上項目計算統(tǒng)為干氣體量，忽略其空氣中水蒸汽含量。3.3燃燒計算3、燃料的近似計算法(理解)：燃料燃燒的理論空氣量及煙氣生成量與燃料的組成有關(guān)，而燃料的熱值也與燃料的組成有關(guān)，則它們之間有內(nèi)在的聯(lián)系。按表4-15經(jīng)驗公式計算理論空氣量和理論煙氣量。4、估計空氣量及煙氣量(理解)：當燃料的化學(xué)組成及熱值均不知道時，可按燃料的種類來粗略估計理論空氣量及理論煙氣量，表4-165、操作計算(掌握)：對正在運行的工業(yè)窯爐，可根據(jù)燃料及測出煙氣組成計算出空氣量和空氣過剩系數(shù)。3.3燃燒計算其目的：了解燃料與空氣的配比是否正常，分析燃燒操作是否合適等。(1)、實際煙氣量和空氣量的計算：已知燃料的組成和煙氣組成，利用碳平衡，即燃料中的C=煙氣中的C+灰渣中的C，可計算煙氣量；利用氮平衡，即燃料中的N2+空氣中的N2=煙氣中N2，可計算空氣量。(2)、空氣系數(shù)α的計算：方法：氧平衡法氮平衡法3.3燃燒計算氧平衡法實際需氧量理論需氧量=理論需氧量+過剩氧量理論需氧量完全燃燒時：見教材解釋不完全燃燒時：煙氣中仍有CO、H2、CH4和碳粒等可燃成分，則：3.3燃燒計算氮平衡法?當固、液體燃料含氮量很少時，可略去，認為煙氣中的氮含量就等于助燃空氣中的氮含量。則上式為：煙氣中的O2量減去與煙氣中可燃物起反應(yīng)的O2=過剩空氣中的O2式中N2、O2、CO－煙氣中各組成的百分含量3.3燃燒計算?對氮含量很高的燃料不能忽略時，而干煙氣中又有CO、H2、CmHn及O2時：為煙氣中的O2量減去與煙氣中可燃物起反應(yīng)的O2量=過?？諝庵械腛2量式中N2、O2、CO、H2、CmHn

－煙氣中各組成百分含量3.3燃燒計算(3)、漏入空氣量的計算：測定窯內(nèi)不同負壓處的煙氣組成，可計算出漏氣量為：式中：—

漏入空氣量，Nm3/hVaO

—

理論空氣量，Nm3/Nm3或Nm3/kgQf

—

燃料量，Nm3/h或kg/hα1、α2—

不同測點處計算得的空氣系數(shù)值(α2測點在后)3.3燃燒計算6、燃燒溫度的計算(概念，分類，計算，改進)目的：為了保證物料或制品的煅燒的要求。燃料燃燒時放出熱量，使燃燒產(chǎn)物的溫度升高，此溫度稱為燃燒溫度。分類量熱計式燃燒溫度理論燃燒溫度實際燃燒溫度掌握3.3燃燒計算（1）、量熱計式燃燒溫度：（tm）在絕熱條件下，燃料燃燒放出的全部熱量（燃料的顯熱及熱值、助燃空氣顯熱）均用于加熱燃燒產(chǎn)物，并且不考慮燃燒產(chǎn)物在高溫下的分解，此時所得燃燒產(chǎn)物的溫度，叫～。式中：3.3燃燒計算（2）、理論燃燒溫度：（tth）燃料燃燒放出的全部熱量，補償高溫（>1600℃）時燃燒產(chǎn)物中部分CO2和H2O分解反應(yīng)吸收掉的熱量后，用于加熱燃燒產(chǎn)物所得的溫度，稱～。CO2和H2O分解吸收的熱量kJ/Nm3在一般硅酸鹽窯爐中，燃燒產(chǎn)物溫度下，CO2和H2O的分解量極小，可忽略，故上式或?qū)懗桑?.3燃燒計算（3）、實際燃燒溫度：（tp）燃料在燃燒室或窯內(nèi)燃燒時，由于各種因素，收入的熱量不能全部用來加熱燃燒產(chǎn)物，則實際燃燒溫度較理論燃燒溫度低。散熱灰渣帶走熱燃燒產(chǎn)物吸熱3.3燃燒計算說明在實際操作過程中，tp較容易測定，Qch、Qml、Ql、Qa,s、Qm不易測定，因此，根據(jù)實際操作可得出不同窯爐的實際操作中總結(jié)出實際燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值—高溫系數(shù)。3.3燃燒計算計算在計算理論燃燒溫度時，由于煙氣的平均比熱C隨溫度的變化而變化，依上述公式計算時，須采用“試差法”。為了減少計算次數(shù)，可用“內(nèi)插法”：即設(shè)t1—C1—Q1，若Q1>Q，另設(shè)較小的t2—C2—Q2,使Q2<Q，此時tth值必在t1與t2之間，則可求得tth,即：為了計算方便，為常使（t1-t2）差為100。計算過程通過物料和熱平衡進行。基準：1kg或1Nm3燃料，溫度：0℃3.3燃燒計算亦可用圖解法：教材圖4-3已知：t1、Q1得B點；t1、Q2得A點，聯(lián)接AB線，由Q可找到tth。例4－7（4）、提高實際燃燒溫度的途徑(掌握)?選用高發(fā)熱量的燃料：?控制適當?shù)目諝庀禂?shù)：?預(yù)熱空氣或燃料：

?減少向外界散熱：（5）、空氣預(yù)熱溫度的計算3.3燃燒計算當實際燃燒溫度不能達到工藝要求時，常采用預(yù)熱助燃空氣來達到滿足工藝要求。例4－83.5燃燒過程的基本理論主要介紹燃燒的分類及其燃燒有關(guān)基本概念。1、燃燒的概念及其分類：(掌握概念)燃燒是指燃料中可燃物與空氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨有強烈的發(fā)光現(xiàn)象。從燃燒的本質(zhì)分可燃氣體的燃燒固定碳的燃燒從燃燒的速度分正常燃燒爆炸性燃燒單相燃燒多相燃燒2、著火溫度：

(掌握概念)(掌握概念)概念任何燃料的燃燒過程都有“著火”及“燃燒”兩個階段。在自然條件下的燃料會與空氣中的氧起緩慢的氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生熱量。如果散熱條件不好，一部分熱量會使燃料溫度升高，使氧化反應(yīng)加劇，當燃料溫度升高到某一值時，氧化反應(yīng)發(fā)生飛躍并發(fā)出火光，這種現(xiàn)象稱為自然。由緩慢的氧化反應(yīng)飛躍轉(zhuǎn)變?yōu)閯×已趸磻?yīng)并發(fā)出火光的溫度稱著火溫度。影響因素（氣體的燃燒反應(yīng)）設(shè)有一容器內(nèi)盛有煤氣與空氣的混合物，氧化放熱反應(yīng)，單位時間內(nèi)氧化放出的熱量與單位時間內(nèi)散失于外圍熱量與混合氣體溫度（T）的關(guān)系為：(掌握)3.5燃燒過程的基本理論2、著火溫度：

(掌握概念)式中：將上二式繪成曲線，見教材圖4-4。3.5燃燒過程的基本理論由圖可知：Ⅰ—放熱曲線：放熱速率與溫度的關(guān)系Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ—不同外圍空氣溫度的散熱曲線

混合氣體溫度：對于曲線Ⅰ和Ⅱ，A點是穩(wěn)定點，因為當混合氣體溫度T>TA或T<TA時，放熱速率大于散熱速度及散熱速率大于放熱速率，則溫度均不穩(wěn)定。此時氧化反應(yīng)速度低，屬緩慢的氧化反應(yīng)。B點是不穩(wěn)定點，因為當混合氣體溫度T<TB或T>TB時，放熱和散熱速率均不相等，氣體溫度均要發(fā)生相應(yīng)的變化。3.5燃燒過程的基本理論

周圍介質(zhì)溫度：當周圍介質(zhì)溫度TO↗TO/時，Ⅱ曲線右移，當?shù)竭_Ⅲ曲線位置時，放熱與散熱速度相切，二者速度相等，則C點是穩(wěn)定情況存在的極限點。當TO繼續(xù)升高而且>TO/時，放熱速度總是大于散熱速率，溫度升高，反應(yīng)加速，發(fā)生自然現(xiàn)象。C點叫著火點，TC叫著火溫度。結(jié)論著火溫度不是一個定值；與燃料的組成及其參數(shù)、散熱條件等有關(guān)。教材表4-203.5燃燒過程的基本理論3、著火濃度范圍氣體燃料與空氣的比例，必須在一定的范圍內(nèi)才能著火燃燒，這一范圍稱著火濃度范圍。在著火濃度范圍內(nèi)的可燃氣體與空氣的混合物，遇到明火時可能產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，所以著火濃度極限又叫爆炸極限。混合氣體中可燃氣體的含量低于下限或高于上限時，在一般情況下不會著火燃燒或爆炸。爆炸極限由實驗測定。教材表4-214、固定炭的燃燒炭的燃燒是氣-固兩相反應(yīng)的物理-化學(xué)過程。特點3.5燃燒過程的基本理論?氧氣擴散至炭粒表面；?氧氣與炭粒表面反應(yīng)；?生成物CO、CO2從表面炭粒擴散出來。過程機理（幾種說法）?氧氣擴散至炭粒表面先氧化成CO2，當炭