煤的燃燒基本理論

第一部分

煤的燃燒基本理論

河北聯(lián)合大學(xué)裴秀娟

2013.8主要內(nèi)容§1-1煤的種類和組成§1-2煤的發(fā)熱量§1-3燃燒計(jì)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(diǎn)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(zhì)：剛開采出的褐煤的水分約為20～40％，風(fēng)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(nèi)在水分和不同數(shù)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(zhì)：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(zhuǎn)窯燃料。3.無煙煤性質(zhì)：固定碳含量高，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25000～29000

kJ/kg；著火溫度較高，一般為650～700℃。用途：現(xiàn)國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已成功采用無煙煤作為回轉(zhuǎn)窯燃料，對(duì)提高水泥企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益效果顯著。揮發(fā)份含量低，燃點(diǎn)較高，燃燒時(shí)沒有粘結(jié)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?xì)?凈氫)：與碳和硫相結(jié)合的氫不燃?xì)洌号c氧相結(jié)合的氫H2H2+O2=2H2OCO2

COS可燃組分

S

+O2=SO2燃燒產(chǎn)物對(duì)設(shè)備及環(huán)境有害M(moisture)不燃組分，降低煤的品質(zhì)★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(zhì)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(yùn)輸和貯存的條件不同，因此煤的組成往往有較大的變動(dòng)，故表示煤的組成時(shí)，必須說明所選煤的基準(zhǔn)。表示煤的組成的常用基準(zhǔn)有：(1)收到基：actualyreceivedCar％+Har％+Sar％+Oar％+Nar％+Aar％+Mar％=100％

即

注：在煤的燃燒計(jì)算中必須用此基準(zhǔn)的組成。指實(shí)際使用的煤的組成，用下角標(biāo)“ar”表示。Mar外在水(Mar,f)：在干燥過程中逸出的水分。（free）內(nèi)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≠M(fèi)ad

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

即

注：將煤樣在20℃和相對(duì)濕度為70%的空氣中連續(xù)干燥1h后質(zhì)量變化不超過0.1%的煤樣即指絕對(duì)干燥的煤的組成，用下角標(biāo)“d”表示。(dry)Cd％+Hd％+Sd％+Od％+Nd％+Ad％=100％(3)干燥基：這種基準(zhǔn)的組成不受開采、運(yùn)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(biāo)“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(huì)發(fā)生很大的變化，因此，煤礦的煤質(zhì)資料常以此基準(zhǔn)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(shù)

(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：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的煤完全燃燒，當(dāng)燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度(20℃)時(shí)所放出的熱量，kJ/kg。高位發(fā)熱量(Qgr)：指燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣全部凝結(jié)為20℃液態(tài)水時(shí)的發(fā)熱量。(gross—總的

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

根據(jù)產(chǎn)物中水的狀態(tài)分為：實(shí)際上，Qnet更接近于實(shí)際，因此，燃燒計(jì)算中用Qnet。不特指時(shí)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(cè)定和計(jì)算1.發(fā)熱量的測(cè)定

對(duì)于固、液體燃料，用氧彈量熱計(jì)測(cè)定。2.發(fā)熱量的計(jì)算

根據(jù)煤的組成，可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算發(fā)熱量。(1)當(dāng)已知燃料的元素分析值時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式為：

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

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

無煙煤（Vdaf≤10％

）：Ko根據(jù)查下表Ko與的關(guān)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(guān)，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(shù)，隨Vdaf

及焦油特征而異。三、標(biāo)準(zhǔn)燃料換算：標(biāo)準(zhǔn)煤：Qnet,ar=29270kJ/kg=7000kcal/kg標(biāo)準(zhǔn)油：Qnet,ar=41820kJ/kg=10000kcal/kg標(biāo)準(zhǔn)氣：Qnet,ar=41820kJ/Nm3

=10000kcal/Nm3人為規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)燃料的低位發(fā)熱量為：作用：便于統(tǒng)計(jì)和評(píng)比產(chǎn)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(dá)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(zhuǎn)窯用煤的質(zhì)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(zhǎng)，使高溫部分火焰變短，影響熟料質(zhì)量；若揮發(fā)分過高(＞30%)，火焰變長(zhǎng)，同時(shí)在對(duì)煤進(jìn)行烘干時(shí)，會(huì)有一部分揮發(fā)分溢出，造成浪費(fèi)。注意：當(dāng)采取有效措施（如提高二次風(fēng)溫度、調(diào)整煤粉細(xì)度等）改善燃燒條件時(shí)，對(duì)煤質(zhì)的要求也可適當(dāng)放寬。煤粉在窯內(nèi)燃燒形成火焰過程示意圖黑火頭§1-3燃燒計(jì)算一、計(jì)算的目的、內(nèi)容與基本概念

(一)目的

為了設(shè)計(jì)窯爐的需要；為了操作窯爐的需要。(二)計(jì)算內(nèi)容

1.空氣量的計(jì)算：鼓風(fēng)機(jī)選型計(jì)算的依據(jù)。2.煙氣量的計(jì)算：排風(fēng)機(jī)選型、煙囪、煙道等計(jì)算的依據(jù)。3.煙氣成分的計(jì)算：煙氣密度的計(jì)算依據(jù)。5.燃燒溫度的計(jì)算：燃耗的計(jì)算依據(jù)，并分析影響因素，改進(jìn)燃燒條

件，提高燃燒溫度。4.空氣系數(shù)的計(jì)算：判斷燃燒操作情況。(三)計(jì)算中的假設(shè)條件

(1)計(jì)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(jì)算溫度的基準(zhǔn)點(diǎn)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(yīng)生成最終產(chǎn)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(chǎn)物。機(jī)械不完全燃燒：由于機(jī)械設(shè)備原因或機(jī)械操作不當(dāng)而使燃料產(chǎn)生的不完全燃燒。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

造成燃料不完全燃燒。危害：燃料損失，燃燒溫度降低，影響爐內(nèi)氣氛和產(chǎn)品質(zhì)量。4.理論空氣量()：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的煤在理論上完全燃燒時(shí)所需的空氣量。5.實(shí)際空氣量(Va)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的煤燃燒時(shí)實(shí)際需要的空氣量。3.理論需氧量()：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的煤在理論上完全燃燒時(shí)所需的氧氣量，Nm3/kg。6.空氣系數(shù)()：實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

影響因素(1)與煤的組成及細(xì)度有關(guān)；(2)與煤粉噴嘴的種類及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

水泥回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒的空氣系數(shù)一般為：＝1.05～1.15。7.理論煙氣量(Vo)：用使單位質(zhì)量的煤完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣量。8.實(shí)際煙氣量(V)：用Va使單位質(zhì)量的煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣量。在窯爐設(shè)計(jì)及操作中的意義：

(1)選擇合理的空氣系數(shù)有利于提高燃燒溫度。這是因?yàn)榧幢ＷC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(shù)是控制燒成氣氛的保證。(3)影響氣體流動(dòng)。當(dāng)空氣系數(shù)較大時(shí)，煙氣量增大，則氣體流速增大，阻力損失也隨之增加。(4)對(duì)傳熱的影響?？諝庀禂?shù)越大，則煙氣中的CO2、H2O的含量相對(duì)降低，即分壓減小，因此輻射力降低。燒氧化焰時(shí)，>1燒中性焰時(shí)，≈1燒還原焰時(shí)，<1(5)影響熱利用率?？諝庀禂?shù)越大，產(chǎn)生的煙氣量增大，則煙氣離窯時(shí)帶走的熱損失增加。二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算

(一)分析計(jì)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(jì)算基準(zhǔn)：1kg煤粉。1.空氣量的計(jì)算

燃燒反應(yīng)：理論需氧量：(1)理論需氧量的計(jì)算：

計(jì)算式：

Nm3/kg(2)理論空氣量的計(jì)算：

(4)實(shí)際空氣量的計(jì)算：

(3)理論濕空氣量的計(jì)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(jì)算(1)理論煙氣量的計(jì)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(shí)際煙氣量及煙氣組成的計(jì)算：

當(dāng)>1時(shí)，實(shí)際煙氣量計(jì)算式為：

實(shí)際煙氣中各組成量的計(jì)算：其他組分的計(jì)算類似(二)近似計(jì)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(jì)算出Va及V。經(jīng)驗(yàn)公式：方法：利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Vao及Vo

；再取值，計(jì)算Va及V。Nm3/kgNm3/kg對(duì)于煙煤：Vao=6～8Nm3/kg，Vo=6.5～8.5Nm3/kg。N2、O2、CO均為煙氣中含量

計(jì)算公式：條件：已知煙氣的組成。(四)操作計(jì)算法

計(jì)算目的：檢測(cè)窯爐工作是否正常，分析煤的燃燒操作是否得當(dāng)。1.空氣系數(shù)()的計(jì)算2.漏入空氣量的計(jì)算測(cè)定窯爐系統(tǒng)內(nèi)不同負(fù)壓處的煙氣組成，則兩測(cè)量點(diǎn)之間漏入空氣量的計(jì)算式為：Nm3/h燃料量，kg/h不同測(cè)點(diǎn)處計(jì)算所得的空氣系，其中2測(cè)點(diǎn)在后

三、燃燒溫度的計(jì)算

定義：燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物的溫度叫燃燒溫度。分為：理論燃燒溫度和實(shí)際燃燒溫度。燃燒過程中熱量收支情況（基準(zhǔn)：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(jī)械不完全燃燒的熱損失，Qml；④化學(xué)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(shí)，所得燃燒產(chǎn)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(nèi)的燃燒溫度下，CO2和H2O分解的量極小，故Qdi可忽略，則有：(二)實(shí)際燃燒溫度(tp)

(practicalcombustiontemperture)定義：燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物的實(shí)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(shù)()定義：實(shí)際燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值。數(shù)學(xué)式為：

對(duì)于水泥回轉(zhuǎn)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(jì)算tp，而是通過計(jì)算理論燃燒溫度(tth)、選取值，再求出tp值。(四)提高實(shí)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(dāng)Qnet

的提高與煙氣量V增加速度相對(duì)應(yīng)時(shí)，Qnet對(duì)tp效果不明顯。2.控制適當(dāng)?shù)目諝庀禂?shù)。即在保證燃料完全燃燒的前提下，采用最小的值。3.預(yù)熱助燃空氣，。4.富氧燃燒。使Va

，則V

。5.減少散熱損失，加強(qiáng)窯體保溫。一般一次風(fēng)不預(yù)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?xì)怏w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(gè)基本階段。定義：由緩慢的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為劇烈的氧化反應(yīng)(燃燒)的瞬間叫著火，

轉(zhuǎn)變時(shí)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(dá)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(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨有強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。固定炭的著火溫度低于可燃?xì)怏w的著火溫度。固定炭的燃燒速度低于可燃?xì)怏w的燃燒速度。二、固態(tài)炭的燃燒

C的燃燒是氧化反應(yīng)過程與擴(kuò)散過程的結(jié)合。要使C迅速燃燒，O2必須擴(kuò)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(kuò)散出去，以使新的O2再擴(kuò)散至C表面。炭O2碳氧化物碳燃燒速度與化學(xué)反應(yīng)速度與擴(kuò)散速度有關(guān)。一般地(1)當(dāng)溫度<800℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度<擴(kuò)散速度，此階段總反應(yīng)速度由化學(xué)反應(yīng)速度控制，稱為動(dòng)力燃燒區(qū)；(2)當(dāng)溫度為800～1000℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度與擴(kuò)散速度相當(dāng)，總反應(yīng)速度由化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度共同控制，此階段稱為過渡區(qū)；(3)當(dāng)溫度>1000℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度>擴(kuò)散速度，此階段總反應(yīng)速度則由擴(kuò)散速度控制，稱為擴(kuò)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(kuò)散燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行。固定炭燃燒速度的影響因素碳的氧化反應(yīng)速度氧氣、燃燒產(chǎn)物擴(kuò)散速度碳粒的形狀煤與空氣的混合程度表面溫度<800℃時(shí)，為動(dòng)力燃燒表面溫度>1000℃時(shí)，為擴(kuò)散燃燒強(qiáng)化碳燃燒的主要方法：增大空氣與煤的接觸面積、加強(qiáng)煤與空氣的混合。煤粉愈細(xì)，或在噴煤管內(nèi)加裝風(fēng)翅，以加強(qiáng)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?xì)怏w的燃燒

主要反應(yīng)機(jī)理是按鏈鎖反應(yīng)進(jìn)行。連鎖反應(yīng)的產(chǎn)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(chǎn)生?？扇?xì)怏w燃燒的特點(diǎn)：存在延遲著火現(xiàn)象。延遲著火：可燃?xì)怏w與空氣混合并加熱到著火溫度之后，要經(jīng)過一定的感應(yīng)期后，才能迅速燃燒。延遲著火時(shí)間與氣體的種類、外界的溫度及壓力等有關(guān)。T↑，P↑，則延遲著火時(shí)間越短。四、煤的燃燒過程(一)準(zhǔn)備階段：

包括燃料的干燥、預(yù)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(shí)間越長(zhǎng)。

2.預(yù)熱：干燥后，燃料溫度繼續(xù)升高。

3.干餾：當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，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(shí)間越短越好。包括三個(gè)階段：準(zhǔn)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(shí)，外殼包裹了一層灰渣，阻礙了空氣向里擴(kuò)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(shí)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(zhǎng)度剛度黑度寬度（鋪展性)五、燃燒火