能源管理師培訓(xùn)熱能燃料與燃燒解析

能源管理師培訓(xùn)熱能燃料與燃燒解析第1頁/共77頁第一篇熱能基礎(chǔ)知識

第四章

燃料與燃燒

第2頁/共77頁第一節(jié)

燃料一、燃料總論1、燃料定義是指在燃燒過程中能釋放出大量熱量，該熱量又

能經(jīng)濟(jì)、有效地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的物質(zhì)。2、燃料的分類按物態(tài)分類：固體燃料（煤炭等）

液體燃料（石油、酒精等）

氣體燃料（天然氣、氫氣等）第3頁/共77頁3、固態(tài)燃料—煤炭的化學(xué)組成（p112）

固體燃料是各種有機(jī)化合物的混合物?；旌衔锏脑亟M成為：碳（C）、氫（H）、氧（O）、

氮（N）、硫（S）、灰分(A)和水分（M）等。4、煤的種類（p112)

泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤四類煤的炭化程度：低高煤的揮發(fā)分：高低第4頁/共77頁5、煤的特性（1）煤的熱解揮發(fā)特性揮發(fā)分是煤在隔絕空氣條件下加熱至一定溫度時，煤中部分有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)熱分解析出的氣態(tài)產(chǎn)物，其占煤樣的質(zhì)量百分比稱為揮發(fā)分產(chǎn)率，簡稱揮發(fā)分。揮發(fā)分的主要成分為：H2、CO、CO2、CmHn

（如CH4、C2H4）等。揮發(fā)分不是以析出狀態(tài)自然存在。

第5頁/共77頁（2）煤的焦結(jié)性：焦炭的粘結(jié)程度稱為煤的焦結(jié)性，是指煤粒在隔絕空氣條件下加熱后形成一定大小和強度焦塊的能力，是煤重要特性指標(biāo)之一。焦炭：指煤在隔絕空氣條件下加熱析出揮發(fā)分、水分后所剩下的固體殘留物；焦炭由灰分、固定碳兩部分組成。

第6頁/共77頁（3）煤灰的熔融性

煤灰的熔融性是表征煤灰在高溫下粘塑性

變化的性質(zhì)，習(xí)慣稱為煤的灰熔點。

煤的灰熔點是用三個特征溫度表示；

變形溫度

軟化溫度

流動溫度灰分：焦炭中的可燃物（固定碳）燃燒殆盡后的殘留物；◆灰分是煤中的礦物雜質(zhì)；◆與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)系

還原性氣氛中比氧化性氣氛中低200~300℃第7頁/共77頁（4）煤的結(jié)渣性

煤的結(jié)渣性是指煤中礦物質(zhì)的結(jié)塊性能。

它是判斷煤在氣化、燃燒過程中是否容易結(jié)渣的一個重要指標(biāo)。相對于灰熔點，用結(jié)渣性來判斷煤是否容易結(jié)渣更加適宜?！艋胰埸c越低，結(jié)渣率越高；◆灰分含量越高，結(jié)渣率越高；◆無機(jī)硫含量越高，結(jié)渣性越強；

◆還原性氣氛中結(jié)渣率高。第8頁/共77頁6、

液態(tài)燃料的組成

液態(tài)燃料的主要成分與固態(tài)燃料相似；

包括碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、

硫（S）、灰分(A)和水分（M）等。◆作為燃料使用的液態(tài)石油產(chǎn)品主要為：

汽油、煤油、柴油和重油四類。

◆工業(yè)燃燒設(shè)備中使用的燃油主要是重油。第9頁/共77頁7、液態(tài)燃料的主要性能和參數(shù)（1）閃點和燃點

閃點：燃油由常溫加熱到適當(dāng)溫度后，其中沸點

較低的成分先蒸發(fā),燃油表面將出現(xiàn)油蒸汽，

火源掠過油面時，油面出現(xiàn)短促藍(lán)色閃光，

此時的溫度稱為該燃油的閃點?！糸W點分為開口閃點和閉口閃點。

燃點：是指油溫超過閃點，蒸發(fā)速度加快，閃火后能使燃油

燃燒維持在5秒以上的最低溫度?！羧键c一般高于閃點10～30℃左右。第10頁/共77頁（2）凝固點

凝固點是燃油剛剛失去流動性態(tài)的溫度?！羧加偷哪厅c越高，其低溫流動性就越差?！裟厅c是確定燃油輸送的一項重要技術(shù)指標(biāo)。第11頁/共77頁（3）粘度（恩氏粘度）

恩氏粘度采用恩格勒粘度計在規(guī)定條件下測定。定義：把200ml待測燃油倒入恩格勒粘度計的標(biāo)準(zhǔn)容器

內(nèi)，加熱到指定溫度，然后令其從規(guī)定小孔中流

出，測量燃油全部流出所需要的時間，所測時間

與20℃、200ml的蒸餾水從相同容器中流出的時

間之比，稱為該燃油的恩氏粘度，用符號oE表示：第12頁/共77頁二、燃料組成的表示方法

1、燃料組成有三種：

工業(yè)分析組成、

元素分析組成

成分分析組成

◆固態(tài)燃料和液態(tài)燃料：

工業(yè)分析組成和元素分析組成表示；◆氣態(tài)燃料：成分分析組成表示；第13頁/共77頁（1）工業(yè)分析組成：燃料中水分（M）、揮發(fā)分（V）、灰分（A）和固定碳（FC）4種組分的質(zhì)量百分比。

M+A+V+FC=100

2、元素分析組成和工業(yè)分析組成—固、液體燃料◆水分代表固態(tài)燃料水分的總量；

灰分代表無機(jī)礦物質(zhì)的含量；這兩項為非可燃組成；◆揮發(fā)分和固定碳為燃料的可燃組分；

揮發(fā)分代表煤中易揮發(fā)可燃物的含量；

固定碳代表燃料中不揮發(fā)性可燃物的含量。第14頁/共77頁（2）元素分析組成：燃料中主要化學(xué)元素組分碳（C）、氫（H）、氮（N）、硫（S）和氧（O）以及灰分（A）和水分（M）的質(zhì)量百分比?！?/p>

M是燃料全水分的質(zhì)量百分比，

包括內(nèi)在水分和外在水分；◆水分M及灰分A與工業(yè)分析相同；第15頁/共77頁3、元素組成的表示基準(zhǔn)燃料中的灰分和水分會隨著燃料的開采、運輸和儲存過程而發(fā)生變化。而燃料成分表示的是各成分的相對百分含量，為此必須規(guī)定燃料成分表示的分母基準(zhǔn)。根據(jù)燃料中灰分和水分的變化情況，分為4種表示基準(zhǔn)：收到基（應(yīng)用基）空氣干燥基（分析基）干燥基干燥無灰基（可燃基）第16頁/共77頁（1）收到基（ar下表）將全部水分和灰分都包括在內(nèi)的燃料作為100%的成分

Mar是燃料的全水分；

由于燃料全水分中的外在水分很容易受氣候、輸送、儲存等外在因素影響，收到基組分常常因水分的變化無法準(zhǔn)確反映燃料化學(xué)組成。第17頁/共77頁（2）空氣干燥基（ad下標(biāo)）以去掉外部水分的燃料成分總量作為100%的計算基準(zhǔn)。即在實驗室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時的試樣成分，又稱分析基。（3）干燥基（d下標(biāo)）以去掉全部水分的燃料作為100%的計算基準(zhǔn)，第18頁/共77頁（4）干燥無灰基（daf下標(biāo)）以去掉全部水分和灰分的燃料作為100%的表示基準(zhǔn)。

干燥無灰基沒有不穩(wěn)定成分灰分和水分變化的影響，

比較準(zhǔn)確地反映了燃料的實質(zhì)，便于區(qū)別不同種類的燃料。第19頁/共77頁（5）各成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系思考：同一燃料的元素成分哪一種基準(zhǔn)的成分最高？第20頁/共77頁(6）燃料成分基準(zhǔn)的換算上述各個基準(zhǔn)之間存在換算關(guān)系，可以通過通分運算進(jìn)行相互換算各種基準(zhǔn)之間的換算系數(shù)第21頁/共77頁基準(zhǔn)之間水分的換算關(guān)系Mq：燃料的全水分；Mw：燃料的外在水分；Mn：燃料的內(nèi)在水分；Mad：燃料的收到基水分；第22頁/共77頁4

氣態(tài)燃料成分組成的表示方法——成分分析組成：化學(xué)分析方法測定氣體燃料各組分的體積百分比。（1）氣態(tài)燃料成分分析的兩種表示基準(zhǔn)

濕成分基準(zhǔn)

干成分基準(zhǔn)◆濕成分基準(zhǔn)為包括燃料中水蒸汽組分的表示基準(zhǔn)；◆干成分基準(zhǔn)為不包括燃料中水蒸汽組分的表示基準(zhǔn)。第23頁/共77頁（2）干氣體成分：以去除水蒸氣后的燃料成分作為100%。（3）濕氣體成分：包括水蒸氣在內(nèi)的燃料成分作為100%，

用上標(biāo)w表示。第24頁/共77頁（4）氣態(tài)燃料干成分和濕成分的換算干、濕氣體的體積分?jǐn)?shù)之間的換算按式（4.1-14）計算：——濕氣體中某種氣體組分的體積分?jǐn)?shù)，%；——干氣體中某種氣體組分的體積分?jǐn)?shù)，%；——濕氣體中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，%?！羲魵夂恳话銥閷?yīng)溫度下的飽和水蒸氣量；由式（4.1-15）和（4.1-16）計算。第25頁/共77頁三燃料的熱值（發(fā)熱量）1

定義

燃料熱值是指單位質(zhì)量或者單位體積的燃料

完全燃燒時所能釋放的最大熱量?！艄腆w、液態(tài)燃料熱值單位：kJ/kg◆氣態(tài)燃料熱值單位：kJ/Nm3◆高位熱值和低位熱值之分第26頁/共77頁2、

燃料熱值的表示方法（1）高位熱值Qgr（高位發(fā)熱量）：單位質(zhì)量（或單位體積）

常溫（25℃）下燃料完全燃燒后，燃燒產(chǎn)物冷卻到

初始溫度使其中水蒸汽凝結(jié)成水所放出的熱量。（2）低位熱值Qnet（低位發(fā)熱量）：單位質(zhì)量（或單位體積）

常溫下燃料完全燃燒后，將燃燒產(chǎn)物冷卻到初始溫度

，但水分仍以水蒸汽形式存在時所放出的熱量。第27頁/共77頁注意點：◆高位熱值和低位熱值兩者之間差別為燃燒產(chǎn)

物中水分的汽化熱?！魧嶋H上燃料燃燒后，其產(chǎn)物中的水分基本上

以水蒸氣形式排出，因而低位熱值是燃料能夠利用的熱值?！艄こ倘紵嬎阒胁捎玫臀粺嶂怠５?8頁/共77頁3、熱值之間的換算關(guān)系（1）高位熱值和低位熱值之間的換算關(guān)系固、液體燃料：公式（4.1-17）氣體燃料：公式（4.1-18）（2）固、液態(tài)燃料不同基準(zhǔn)熱值間的換算關(guān)系◆直接乘以表4.1-12中相應(yīng)的換算系數(shù)即可；◆各種基準(zhǔn)低位熱值之間的換算，必須考慮

水分氣化潛熱。（表4.1-13）◆各種基準(zhǔn)之間的低位熱值換算，必須先將低位熱值

換算成高位熱值，再進(jìn)行換算。

★比較復(fù)雜，一般知道到時查表計算即可。第29頁/共77頁（3）干、濕氣態(tài)燃料高位熱值換算關(guān)系注：氣體燃料換算希望知道。第30頁/共77頁四、燃料的分析方法一般了解即可，不做為重點。第31頁/共77頁第二節(jié)工程燃燒計算重點：計算題可能出在此部分第32頁/共77頁一、完全燃燒和不完全燃燒（概念要知道）完全燃燒：燃料中所有的碳全部氧化為二氧化碳、所有的硫都氧化為氧化硫、所有的氫都氧化為水蒸氣，這種燃燒稱為完全燃燒；不完全燃燒：燃料中有一些可燃物分子不能被充分氧化而生成

H2、CO等；

燃燒產(chǎn)物的組成完全燃燒反應(yīng)：CO2、H2O、SO2、N2及少許的氧；不完全燃燒反應(yīng)：除CO2、H2O、SO2、N2及少許的氧，尚有CO、H2、CH4等。第33頁/共77頁二、工程燃燒計算的規(guī)定（要清楚）1、在燃燒反應(yīng)計算的過程中，氧化劑多數(shù)是空氣，少數(shù)是氧氣或富氧。空氣的主要成分：氧氣、氮氣、水蒸汽。干空氣的成分：按質(zhì)量：氧占23.2％，氮占76.8％；按體積：氧占21％，氮占79％.空氣中水蒸氣的含量：通常按某溫度下的飽和水蒸汽含量計算。2、在燃燒反應(yīng)計算時，對于固、液體燃料用收到基成分計算；氣體燃料用濕成分計算。3、在燃燒反應(yīng)計算的過程中，氧化劑（空氣或氧氣）和燃燒產(chǎn)物應(yīng)當(dāng)成理想氣體來進(jìn)行計算。第34頁/共77頁三、燃燒空氣量的計算1、理論空氣量（1）定義：使單位量（1kg或1m3）的燃料完全燃燒所需的最少的空氣量（燃燒產(chǎn)物煙氣中氧氣為零，可燃物質(zhì)或元素為零）。用V0表示。（2）通常是先求出1kg或1m3燃料所需理論氧氣量，然后折算成空氣量。第35頁/共77頁（3）固體、液體燃料的理論空氣需要量計算已知燃料收到基成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：空氣中的氧氣含量為21%時，1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量為：

（4.2-6）◆重點：要會計算，記住公式；◆思考：如果不是空氣，比如富氧燃燒，如何計算？第36頁/共77頁（4）氣體燃料的理論空氣量的計算已知氣體燃料濕成分（體積百分?jǐn)?shù)）為：

1m3氣態(tài)燃料完全燃燒時所需的理論空氣量為：（4.2-10）◆重點中的重點：一定要會計算，記住公式；◆注意點：給定的一般是氣體燃料的干成份，要先換算成濕成分；換算由公式（4.1-14）；◆如果沒有告訴氣體燃料中水分含量，要根據(jù)其飽和水蒸氣含量先計算出氣體燃料水分含量；第37頁/共77頁問題：嚴(yán)格來講，上述所有計算所得理論空氣量

是否是真正的理論空氣量？第38頁/共77頁以上計算中均未計入空氣中的水分，即使常溫下空氣中也含有水蒸氣，當(dāng)需要精確計算或空氣含水分較多時，要把水分計算在內(nèi)；（5）考慮空氣中水分的理論空氣量計算空氣中的水分含量d通常為1m3干空氣中的水分含量，（一般采空氣溫度下的飽和水蒸氣含量）空氣中水蒸氣體積：濕空氣理論空氣量（4.2-15)第39頁/共77頁（6）燃燒所需的實際空氣量與空氣系數(shù)

實際空氣量

空氣系數(shù)：實際空氣量與理論空氣量的比值稱為空氣系數(shù)實際空氣量=理論空氣量+過量空氣量

實際空氣量的計算：第40頁/共77頁問題：空氣系數(shù)的高低對燃燒設(shè)備的運行經(jīng)濟(jì)性的影響α值的高低對燃燒設(shè)備的運行經(jīng)濟(jì)性有很大影響。α偏低，供給燃料燃燒的空氣量不足，不完全燃燒熱損失將增加；α偏高，會導(dǎo)致排煙量增加，排煙熱損失也會增加。使這兩種熱損失之和降到最低的空氣系數(shù)稱最佳空氣系數(shù)，燃燒設(shè)備效率達(dá)到最高。第41頁/共77頁四

燃燒煙氣量的計算（一）理論煙氣量的計算定義：理論煙氣量是指1kg（1m3）燃料在供應(yīng)理論空氣量（α=1）時完全燃燒所生成的煙氣量，用表示。理論煙氣量由CO2、SO2、H2O及N2組成。1、了解固、液體燃料的理論煙氣量計算方法2、了解氣體燃料的理論煙氣量計算方法第42頁/共77頁（二）實際煙氣量的計算1、完全燃燒時實際煙氣量的計算

當(dāng)α＝1時，理論煙氣量為；當(dāng)α≠1時，實際煙氣量只是比理論煙氣量增加了多供入的濕空氣第43頁/共77頁2、不完全燃燒時煙氣（燃燒產(chǎn)物）量的計算問題：當(dāng)發(fā)生不完全燃燒時，與完全燃燒相比，煙氣量是增加了還是減少了?當(dāng)α≥1時，和完全燃燒相比煙氣的生成量增加了，煙氣中若有1m3CO，則煙氣體積增加0.5m3；煙氣中若有1m3H2，使煙氣體積增加0.5m3，CH4則不引起煙氣體積的變化。第44頁/共77頁五、燃燒溫度計算（一）燃燒溫度的概念1、定義：燃料燃燒時燃燒產(chǎn)物達(dá)到的溫度——燃燒溫度。2、燃燒溫度計算原理：根據(jù)燃燒前后的能量守恒定律第45頁/共77頁（二）燃燒溫度的幾種表示方法1、實際燃燒溫度：實際條件下的燃燒產(chǎn)物的溫度ty。第46頁/共77頁2、理論燃燒溫度（重點）假設(shè)燃料是在絕熱系統(tǒng)中燃燒（無散熱，Qcr=0），并且完全燃燒（Qwr=0），此時燃燒產(chǎn)物的溫度稱為“理論燃燒溫度”

。如忽略高溫氣體分解熱Qlj（高于1800℃才予考慮）理論燃燒溫度簡化為：第47頁/共77頁

理論燃燒溫度又稱絕熱燃燒溫度。它表示某種燃料在某一燃燒條件下所能達(dá)到的最高溫度。

理論燃燒溫度對于燃料和燃燒條件的選擇，溫度水平的估計和爐內(nèi)換熱計算都由實際意義。第48頁/共77頁3、理論發(fā)熱溫度如果燃燒條件規(guī)定為燃料和空氣均不預(yù)熱（hr=0，hk=0），且空氣過剩系數(shù)n=1，燃燒溫度只與燃料性質(zhì)有關(guān)，稱為理論發(fā)熱溫度。第49頁/共77頁4、影響理論燃燒溫度的因素（重要）（1）燃料種類和發(fā)熱量一般來說，熱值高的燃料理論燃燒溫度亦高；（2）空氣和燃料的預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度愈高，理論燃燒溫度越高；（3）空氣系數(shù)為保證完全燃燒，空氣系數(shù)應(yīng)大于1，但不宜過大，否則會增加燃燒產(chǎn)物的生成量，從而降低理論燃燒溫度。保證完全燃燒條件下，α愈小愈好（4）空氣的富氧程度（富氧燃燒）空氣中的氧含量增加，煙氣量減小，理論燃燒溫度升高。第50頁/共77頁第三節(jié)

煤的燃燒第51頁/共77頁一、煤的燃燒過程煤從進(jìn)入爐膛到燃燼，一般要經(jīng)過三個階段：著火前的準(zhǔn)備階段揮發(fā)分與焦炭著火與燃燒階段殘?zhí)既紶a形成灰渣階段

著火前的準(zhǔn)備階段是一個吸熱階段，為了使煤能夠及時著火必須給予足夠的熱量。第52頁/共77頁二、煤的燃燒技術(shù)及設(shè)備◆煤的三種燃燒基本方式：層狀燃燒（火床）沸騰燃燒（流化床）懸浮燃燒（煤粉火室燃燒）第53頁/共77頁（一）層狀燃燒過程及特性要點：1、煤的層狀燃燒原理——了解2、煤的層狀燃燒設(shè)備常用的層燃爐主要有哪些?手燒爐、鏈條爐、往復(fù)爐排爐、振動爐排爐和拋煤機(jī)爐等第54頁/共77頁（二）煤的懸浮燃燒技術(shù)及設(shè)備1、煤粉懸浮燃燒原理和特點是什么？2、為使煤粉迅速著火和完全燃燒，需要的四個基本條件是什么?（1）足夠高的爐膛溫度；（2）適當(dāng)?shù)目諝饬?；?）燃燒氣流良好前期混合和后期擾動；（4）煤粉在爐內(nèi)足夠長的停留時間;3、旋流煤粉燃燒器主要有哪幾類？蝸殼式、軸向葉片式和切向葉片式三大類。第55頁/共77頁（三）煤的沸騰燃燒技術(shù)及設(shè)備1、煤的沸騰燃燒（流化床燃燒）原理是什么？(了解)2、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒主要有哪些特點?

（掌握、重要）（1）燃燒室內(nèi)的流化速度快，燃燒室內(nèi)的顆粒濃度較高。（2）燃燒室內(nèi)顆粒的橫向混合劇烈，燃料著火穩(wěn)定迅速。（3）爐膛上部稀相區(qū)存在著強烈的物料返混，燃燒室內(nèi)的氣固兩相混合較好。（4）循環(huán)流化床內(nèi)的溫度分布均勻，強化了稀相區(qū)的傳熱與傳質(zhì)。

第56頁/共77頁2、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒主要有哪些特點?(續(xù))（5）循環(huán)流化床具有較高的燃燒效率；（燃煤循環(huán)流化床燃燒效率可達(dá)到97%～99%）（6）循環(huán)流化床具有很高的爐內(nèi)脫硫劑利用率。（爐內(nèi)脫硫劑利用率可達(dá)90%以上）（7）爐膛截面較小，截面熱負(fù)荷較高；（8）負(fù)荷調(diào)整范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快。

要求至少記住5-6條第57頁/共77頁第四節(jié)

燃油的燃燒第58頁/共77頁一、油的燃燒過程及特點1、液態(tài)燃料主要燃燒形式有哪些?（四種）液面燃燒、燈芯燃燒、蒸發(fā)燃燒、霧化燃燒。2、工業(yè)爐窯上應(yīng)用的液態(tài)燃料主要燃燒形式是什么?霧化燃燒3、何謂霧化燃燒？霧化燃燒是利用各種形式的霧化器把液態(tài)燃料破碎成許多直徑從幾十微米到幾百微米的小液滴，懸浮在空氣中邊蒸發(fā)、邊混合、邊燃燒。第59頁/共77頁二、油的霧化（重要）問題：影響燃油霧化質(zhì)量的主要因素主要有哪些?這些因素對霧化質(zhì)量有什么影響？

影響燃油霧化質(zhì)量的主要因素有：燃油溫度、霧化劑的壓力和流量、油壓、油燒嘴結(jié)構(gòu)等。這些因素對霧化質(zhì)量有什么影響:燃油溫度越高，粘度越小，霧化質(zhì)量越好；霧化劑的壓力和油壓越高，霧化質(zhì)量越好；霧化劑流量越大，霧化質(zhì)量越好；一般霧化噴嘴越小，因油膜薄，霧化質(zhì)量較好。第60頁/共77頁第五節(jié)

氣態(tài)燃料的燃燒第61頁/共77頁一、氣態(tài)燃料的燃燒特點1、氣態(tài)燃料的主要燃燒方式有哪些？氣態(tài)燃料的主要燃燒方式為：擴(kuò)散式燃燒預(yù)混式燃燒部分預(yù)混式燃燒2、工業(yè)上氣體燃燒的主要方式是：擴(kuò)散燃燒。第62頁/共77頁二、擴(kuò)散燃燒1、擴(kuò)散燃燒種類：層流擴(kuò)散燃燒和湍流擴(kuò)散燃燒。2、湍流擴(kuò)散燃燒與層流燃燒相比的優(yōu)越性：