煤的燃燒基本理論

第一部分

煤的燃燒基本理論

河北聯合大學裴秀娟

2013.8主要內容§1-1煤的種類和組成§1-2煤的發(fā)熱量§1-3燃燒計算§1-4煤燃燒的基本理論§1-1煤的種類和組成

一、煤的種類和特點按其揮發(fā)分含量，煤可分為褐煤、煙煤和無煙煤三類。1.褐煤

性質：剛開采出的褐煤的水分約為20～40％，風干后為12～3％，Ad=0.5％～50％，發(fā)熱量約為1300～17000kJ/kg。用途：制造煤氣，鍋爐燃料。褐煤的煤化程度低，外觀多呈褐色，光澤暗淡，含有較高的內在水分和不同數量的腐殖酸，熱值低。煤種褐煤煙煤無煙煤Vdaf/％＞3710～45＜10揮發(fā)分含量高、灰分及水分較少，發(fā)熱量高?？煞譃樨毭?、焦煤、肥煤、氣煤等。2.煙煤性質：揮發(fā)分10％～45％，固定碳35％～75％，灰分7～30％；水分3～18％；發(fā)熱量21000～29000kJ/kg；著火溫度400～500℃。用途：適合于作水泥回轉窯燃料。3.無煙煤性質：固定碳含量高，可達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25000～29000

kJ/kg；著火溫度較高，一般為650～700℃。用途：現國內一些企業(yè)已成功采用無煙煤作為回轉窯燃料，對提高水泥企業(yè)經濟效益效果顯著。揮發(fā)份含量低，燃點較高，燃燒時沒有粘結性。二、煤的組成及其表示方法

(一)元素分析法

即用元素表示燃料組成的分析方法。1.組成：主要包括C、H、S、O、N等五種元素和灰分(A)、水分(M)。CC+O2

煤中含量最多的可燃元素，一般含量為15～99%可燃氫(凈氫)：與碳和硫相結合的氫不燃氫：與氧相結合的氫H2H2+O2=2H2OCO2

COS可燃組分

S

+O2=SO2燃燒產物對設備及環(huán)境有害M(moisture)不燃組分，降低煤的品質★灰分，可燃成分，發(fā)熱量

★灰分，燃燒速度及燃燒溫度

A(ash)灰分是指煤中不能燃燒的礦物雜質O、N不可燃組分，降低了煤的燃燒能力

元素分析中的S、O、N、A、M

均為煤的有害成分。2.組成的表示方法由于煤的開采、運輸和貯存的條件不同，因此煤的組成往往有較大的變動，故表示煤的組成時，必須說明所選煤的基準。表示煤的組成的常用基準有：(1)收到基：actualyreceivedCar％+Har％+Sar％+Oar％+Nar％+Aar％+Mar％=100％

即

注：在煤的燃燒計算中必須用此基準的組成。指實際使用的煤的組成，用下角標“ar”表示。Mar外在水(Mar,f)：在干燥過程中逸出的水分。（free）內在水(Mar,inh)：空氣干狀態(tài)下殘留在煤中的水分。(inherent)Mar=Mar,inh+Mar,f但是，Mar,inh≠Mad

(2)空氣干燥基（又稱為分析基）:Cad％+Had％+Sad％+Oad％+Nad％+Aad％+Mad％=100％指分析實驗室里所用的空氣干燥煤樣的組成，用下角標“ad”表示。airdried

即

注：將煤樣在20℃和相對濕度為70%的空氣中連續(xù)干燥1h后質量變化不超過0.1%的煤樣即指絕對干燥的煤的組成，用下角標“d”表示。(dry)Cd％+Hd％+Sd％+Od％+Nd％+Ad％=100％(3)干燥基：這種基準的組成不受開采、運輸和貯存過程中水分變化的影響。指無水無灰的煤的組成，用下角標“daf”表示。Cdaf％+Hdaf％+Sdaf％+Odaf％+Ndaf％=100％(4)干燥無灰基：driedash-free

一般地，同一礦井的煤，干燥無灰基的組成不會發(fā)生很大的變化，因此，煤礦的煤質資料常以此基準表示。

HONSACM干燥無灰基干燥基空氣干燥基收到基Mar.fMar,in3.組成的換算

已知“基”所要換算的“基”收到基空氣干燥基干燥基干燥無灰基收到基空氣干燥基干燥基干燥無灰基1111燃料組成的換算系數

(二)工業(yè)分析法

1.組成：

包括揮發(fā)分(V)、固定炭(FC)、水分(M)和灰分(A)。volatile-ness

fixed

2.分析方法：采用稱重法。

試樣稱重(m1)110℃稱重(m2)900℃干餾7min稱重(m3)燃燒稱重(m4)則：§1-2煤的發(fā)熱量（熱值）定義：單位質量的煤完全燃燒，當燃燒產物冷卻到燃燒前的溫度(20℃)時所放出的熱量，kJ/kg。高位發(fā)熱量(Qgr)：指燃燒產物中的水蒸氣全部凝結為20℃液態(tài)水時的發(fā)熱量。(gross—總的

)低位發(fā)熱量(Qnet)：指燃燒產物中的水以20℃蒸氣存在時的發(fā)熱量。(net—實得的)

根據產物中水的狀態(tài)分為：實際上，Qnet更接近于實際，因此，燃燒計算中用Qnet。不特指時發(fā)熱量一般均指Qnet。一、發(fā)熱量（熱值）的概念二、發(fā)熱量的測定和計算1.發(fā)熱量的測定

對于固、液體燃料，用氧彈量熱計測定。2.發(fā)熱量的計算

根據煤的組成，可用經驗公式計算發(fā)熱量。(1)當已知燃料的元素分析值時，經驗公式為：

Qnet,ar=339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar

(2)當只有燃料的工業(yè)分析資料時：Qnet,ad=Ko-360Mad-385Aad-100Vad

無煙煤（Vdaf≤10％

）：Ko根據查下表Ko與的關系Vdaf

(%)≤3.0>3.0～5.5>5.5～8.0>8.0Ko34300348003520035600a和b的取值與煤的干燥基灰分有關，如下表。Ad(%)30～4025～3020～2515～2010～15≤10a0.800.850.950.800.900.95b0.100.100.10000

煙煤（Vdaf>10％）：Qnet,ad=100K1-(K1+25.12)(Mad+Aad)-12.56Vad

K1—系數，隨Vdaf

及焦油特征而異。三、標準燃料換算：標準煤：Qnet,ar=29270kJ/kg=7000kcal/kg標準油：Qnet,ar=41820kJ/kg=10000kcal/kg標準氣：Qnet,ar=41820kJ/Nm3

=10000kcal/Nm3人為規(guī)定，標準燃料的低位發(fā)熱量為：作用：便于統(tǒng)計和評比產品的燃料消耗量。1.煤的熱值越大越好，灰分越低越好，這樣可以有利于達到要求的火焰溫度。窯型干燥基灰分(Ad)/%干燥基揮發(fā)分(Vd)

/%干燥基低位熱值(Qnet,d)

/kJ/kg干法窯＜2518~30＞23000四、回轉窯用煤的質量要求2.

揮發(fā)分要求：Vd=18～30%。若煤的揮發(fā)分過低(＜18%)，著火緩慢，形成的黑火頭過長，使高溫部分火焰變短，影響熟料質量；若揮發(fā)分過高(＞30%)，火焰變長，同時在對煤進行烘干時，會有一部分揮發(fā)分溢出，造成浪費。注意：當采取有效措施（如提高二次風溫度、調整煤粉細度等）改善燃燒條件時，對煤質的要求也可適當放寬。煤粉在窯內燃燒形成火焰過程示意圖黑火頭§1-3燃燒計算一、計算的目的、內容與基本概念

(一)目的

為了設計窯爐的需要；為了操作窯爐的需要。(二)計算內容

1.空氣量的計算：鼓風機選型計算的依據。2.煙氣量的計算：排風機選型、煙囪、煙道等計算的依據。3.煙氣成分的計算：煙氣密度的計算依據。5.燃燒溫度的計算：燃耗的計算依據，并分析影響因素，改進燃燒條

件，提高燃燒溫度。4.空氣系數的計算：判斷燃燒操作情況。(三)計算中的假設條件

(1)計算所涉及的氣體均為理想氣體，即22.4Nm3/kmol；(2)空氣中只有O2和N2，并且體積比為O2∶N2=21∶79；(3)計算溫度的基準點是0℃。(四)基本概念

1.完全燃燒：燃料中的可燃成分與空氣中的氧氣反應生成最終產物。（C—CO2、H—H2O、S—SO2)

2.不完全燃燒：燃料中的可燃成分沒有被完全氧化為最終產物。機械不完全燃燒：由于機械設備原因或機械操作不當而使燃料產生的不完全燃燒?；瘜W不完全燃燒：由于空氣不足或燃料與空氣混合不好而

造成燃料不完全燃燒。危害：燃料損失，燃燒溫度降低，影響爐內氣氛和產品質量。4.理論空氣量()：單位質量的煤在理論上完全燃燒時所需的空氣量。5.實際空氣量(Va)：單位質量的煤燃燒時實際需要的空氣量。3.理論需氧量()：單位質量的煤在理論上完全燃燒時所需的氧氣量，Nm3/kg。6.空氣系數()：實際空氣量與理論空氣量的比值。數學表達式為：

影響因素(1)與煤的組成及細度有關；(2)與煤粉噴嘴的種類及結構有關。

水泥回轉窯煤粉燃燒的空氣系數一般為：＝1.05～1.15。7.理論煙氣量(Vo)：用使單位質量的煤完全燃燒時產生的煙氣量。8.實際煙氣量(V)：用Va使單位質量的煤燃燒時產生的煙氣量。在窯爐設計及操作中的意義：

(1)選擇合理的空氣系數有利于提高燃燒溫度。這是因為即保證了燃料的充分燃燒，又使生成的煙氣量盡可能少。(2)

控制空氣系數是控制燒成氣氛的保證。(3)影響氣體流動。當空氣系數較大時，煙氣量增大，則氣體流速增大，阻力損失也隨之增加。(4)對傳熱的影響?？諝庀禂翟酱?，則煙氣中的CO2、H2O的含量相對降低，即分壓減小，因此輻射力降低。燒氧化焰時，>1燒中性焰時，≈1燒還原焰時，<1(5)影響熱利用率。空氣系數越大，產生的煙氣量增大，則煙氣離窯時帶走的熱損失增加。二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計算

(一)分析計算法

條件：已知煤粉的元素分析組成。

組成：Car

、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar

計算基準：1kg煤粉。1.空氣量的計算

燃燒反應：理論需氧量：(1)理論需氧量的計算：

計算式：

Nm3/kg(2)理論空氣量的計算：

(4)實際空氣量的計算：

(3)理論濕空氣量的計算：若空氣的濕含量為xkg水蒸氣/kg干空氣

2.煙氣量及煙氣組成的計算(1)理論煙氣量的計算：

理論煙氣組成：

CO2、SO2、H2O和N2CO2來源于C的燃燒，即：SO2來源于S的燃燒，即：H2O來源于H的燃燒和燃料中的水，即N2來源于燃料和空氣，即理論煙氣量：(2)實際煙氣量及煙氣組成的計算：

當>1時，實際煙氣量計算式為：

實際煙氣中各組成量的計算：其他組分的計算類似(二)近似計算法

條件：已知煤的種類及低位發(fā)熱量。(三)估算法

條件：只知道煤的種類。方法：先估算出Vao及Vo

；再取值，計算出Va及V。經驗公式：方法：利用經驗公式計算Vao及Vo

；再取值，計算Va及V。Nm3/kgNm3/kg對于煙煤：Vao=6～8Nm3/kg，Vo=6.5～8.5Nm3/kg。N2、O2、CO均為煙氣中含量

計算公式：條件：已知煙氣的組成。(四)操作計算法

計算目的：檢測窯爐工作是否正常，分析煤的燃燒操作是否得當。1.空氣系數()的計算2.漏入空氣量的計算測定窯爐系統(tǒng)內不同負壓處的煙氣組成，則兩測量點之間漏入空氣量的計算式為：Nm3/h燃料量，kg/h不同測點處計算所得的空氣系，其中2測點在后

三、燃燒溫度的計算

定義：燃料燃燒時，燃燒產物的溫度叫燃燒溫度。分為：理論燃燒溫度和實際燃燒溫度。燃燒過程中熱量收支情況（基準：1kg煤粉，0℃)：

收入熱量：

①煤的低位發(fā)熱量，Qnet

；②煤帶入的物理熱，Qf=cftf

；③空氣帶入的物理熱，Qa=Vacata

支出熱量：

①煙氣所含的物理熱，Q=V

ctp

；②傳給周圍物體的熱量，Ql

；③機械不完全燃燒的熱損失，Qml；④化學不完全燃燒的熱損失，Qch

；⑤煙氣中部分CO2和H2O在高溫下分解消耗的熱量，Qdi

；⑥灰渣帶走的物理熱，Qa,s

。列熱量平衡：

煙氣燃料空氣(一)理論燃燒溫度(tth)(theoreticaicombustiontemperture)

定義：燃料在絕熱系統(tǒng)中完全燃燒放出的熱量，只考慮煙氣中部分CO2和H2O在高溫(>1600℃)下分解消耗的熱量時，所得燃燒產物的溫度。燃燒過程中的熱平衡式為：

Qnet+Qf+Qa=Q+Qdi

∴有

在水泥工業(yè)窯爐內的燃燒溫度下，CO2和H2O分解的量極小，故Qdi可忽略，則有：(二)實際燃燒溫度(tp)

(practicalcombustiontemperture)定義：燃料燃燒時，燃燒產物的實際溫度。

燃燒過程中的熱平衡式為：

Qnet+Qf+Qa=Q+Ql+Qml+Qch+Qdi+Qa,s

∴有

(三)窯爐的高溫系數()定義：實際燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值。數學式為：

對于水泥回轉窯，=0.70～0.75。由于Ql、Qml、Qch、Qdi、Qa,s

等不易獲得，因此tp無法直接計算tp，而是通過計算理論燃燒溫度(tth)、選取值，再求出tp值。(四)提高實際燃燒溫度的途徑由分析得

：1.選取Qnet

高而煙氣量V小的燃料。但是當Qnet

的提高與煙氣量V增加速度相對應時，Qnet對tp效果不明顯。2.控制適當的空氣系數。即在保證燃料完全燃燒的前提下，采用最小的值。3.預熱助燃空氣，。4.富氧燃燒。使Va

，則V

。5.減少散熱損失，加強窯體保溫。一般一次風不預熱，因此其用量不宜過多。從燃燒的角度分析，各種燃料的燃燒均可歸納為可燃氣體和固態(tài)炭的燃燒。一、著火溫度任何燃料的燃燒過程，都有“著火”和“燃燒”兩個基本階段。定義：由緩慢的氧化反應轉化為劇烈的氧化反應(燃燒)的瞬間叫著火，

轉變時的最低溫度叫著火溫度。燃燒的條件：除了要有燃料、空氣外，尚需達到燃燒所需的最低溫度——著火溫度?！?-4煤燃燒的基本理論燃燒：指燃料中的可燃物與空氣中的氧氣產生劇烈的氧化反應，產生大量的熱量并伴隨有強烈的發(fā)光現象。固定炭的著火溫度低于可燃氣體的著火溫度。固定炭的燃燒速度低于可燃氣體的燃燒速度。二、固態(tài)炭的燃燒

C的燃燒是氧化反應過程與擴散過程的結合。要使C迅速燃燒，O2必須擴散至C表面，在高溫下與C氧化生成碳氧化物，然后這些碳氧化物必須迅速從C表面擴散出去，以使新的O2再擴散至C表面。炭O2碳氧化物碳燃燒速度與化學反應速度與擴散速度有關。一般地(1)當溫度<800℃時，化學反應速度<擴散速度，此階段總反應速度由化學反應速度控制，稱為動力燃燒區(qū)；(2)當溫度為800～1000℃時，化學反應速度與擴散速度相當，總反應速度由化學反應速度和擴散速度共同控制，此階段稱為過渡區(qū)；(3)當溫度>1000℃時，化學反應速度>擴散速度，此階段總反應速度則由擴散速度控制，稱為擴散燃燒區(qū)。在水泥工業(yè)窯爐中，固態(tài)炭的燃燒一般在擴散燃燒區(qū)內進行。固定炭燃燒速度的影響因素碳的氧化反應速度氧氣、燃燒產物擴散速度碳粒的形狀煤與空氣的混合程度表面溫度<800℃時，為動力燃燒表面溫度>1000℃時，為擴散燃燒強化碳燃燒的主要方法：增大空氣與煤的接觸面積、加強煤與空氣的混合。煤粉愈細，或在噴煤管內加裝風翅，以加強煤與空氣的混合，或提高一、二次空氣的溫度，均能提高燃燒速度，而使火焰短。

OCH4+OCH4O+O2H2OH2OCH4O2HCOOHHCHO+O2CO+OCO2O--------------------------以CH4的燃燒為例，其過程如下：三、可燃氣體的燃燒

主要反應機理是按鏈鎖反應進行。連鎖反應的產生必須要有鏈鎖刺激物(中間活性物)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)而產生?？扇細怏w燃燒的特點：存在延遲著火現象。延遲著火：可燃氣體與空氣混合并加熱到著火溫度之后，要經過一定的感應期后，才能迅速燃燒。延遲著火時間與氣體的種類、外界的溫度及壓力等有關。T↑，P↑，則延遲著火時間越短。四、煤的燃燒過程(一)準備階段：

包括燃料的干燥、預熱和干餾。1.干燥：在110℃左右，吸附水(即物理水)全部逸出，吸熱過程，水分越多，Q吸↑，干燥時間越長。

2.預熱：干燥后，燃料溫度繼續(xù)升高。

3.干餾：當溫度升高到一定值時，便開始分解，放出揮發(fā)分，剩下固定炭。V↑，開始放出揮發(fā)分的溫度越低。

煤的干餾溫度：褐煤：～130℃；煙煤130～400℃；無煙煤～400℃。此階段不需要氧氣，為吸熱階段，一般希望此階段所需的時間越短越好。包括三個階段：準備階段、燃燒階段和燃燼階段。(二)燃燒階段：

包括揮發(fā)分V和固定炭FC的燃燒。由于揮發(fā)分的著火溫度<FC的著火溫度，通常把V的著火溫度粗略地看作煤的著火溫度，V↑，著火溫度↓。一般地，褐煤：250～350℃；煙煤250～400℃；無煙煤350～500℃。在此溫度下，雖然能著火燃燒，但其速度很慢，因此往往把燃料加熱到較高的溫度，并且供給充足的空氣，才能加快燃燒速度和燃燒完全程度。如，褐煤加熱到550～600℃；煙煤加熱到750～800℃；無煙煤加熱到900～950℃。(三)燃燼階段（或稱灰渣形成階段)：

它是固體燃料所特有的階段

由于焦炭將燒完時，外殼包裹了一層灰渣，阻礙了空氣向里擴散，因而使燃燒速度變慢，尤其灰分高的煤更難燃燼。為了使燃燒完全，此階段要保持一定的溫度和時間?；鹧妫褐溉紵娜剂吓c空氣的混合氣流?；鹧娴奶匦裕和ǔＳ谩拔宥取眮砻枋鰷囟乳L度剛度黑度寬度（鋪展性)五、燃燒火