燃燒理論與技術(shù) 01第一章 概述

燃燒理論與技術(shù)

TheoryandTechnologyofCombustion

李永華liyonghua@126.com7522641qq:121320078前言

本課程的目的重溫本專業(yè)的基礎(chǔ)知識燃燒領(lǐng)域的基本概念*學(xué)會查找閱讀總結(jié)本領(lǐng)域的資料熱能工程師的基本技能工作相關(guān)知識：故障處理工作？熱能電廠：運行、檢修研究機構(gòu)：中試所、設(shè)計院等公司：開發(fā)、技術(shù)服務(wù)電建電廠主控室電廠檢修中試所實驗電力設(shè)計院公司燃燒效率：18％～36％熱效率：16％～30％熱效率：90～93％燃燒效率：97～99％課程內(nèi)容燃燒基本理論：化學(xué)動力學(xué)、燃燒流體力學(xué)、著火、火焰?zhèn)鞑?、紊流燃燒、液體和固體燃料燃燒、污染生成機理。燃燒技術(shù)：燃燒特性研究、穩(wěn)燃及強化燃燒技術(shù)、污染控制技術(shù)、燃燒診斷技術(shù)、燃燒優(yōu)化。學(xué)習(xí)方法課本、參考書、論文資料、網(wǎng)絡(luò)資源、報告答疑：熱能教研室(動力樓314)、郵件、qq留言等?？荚嚕ㄩ_卷）第一章概述第一節(jié)燃燒科學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用一、燃燒科學(xué)發(fā)展簡史燃燒定義:物質(zhì)劇烈氧化而發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象。帶有劇烈放熱化學(xué)反應(yīng)的流動現(xiàn)象。燃燒是氣體、液體或固體燃料與氧化劑之間發(fā)生的一種強烈的化學(xué)反應(yīng)；類氧化反應(yīng)：氮化、氯化、分解等，有基態(tài)和激發(fā)態(tài)的自由基、電子離子等出現(xiàn)、光輻射。流動、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生有相互作用的綜合現(xiàn)象；典型的物理化學(xué)過程；化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)是研究燃燒反應(yīng)過程的基礎(chǔ)知識。遠(yuǎn)古時期，“遂人氏”發(fā)明的鉆木取火，人類文明的開始。50萬年前，北京人用火。中國在公元前200年，漢代用煤；公元200年用石油；公元808年火藥；宋代出現(xiàn)了走馬燈。歐洲：英國17世紀(jì)工業(yè)革命。20世紀(jì)40年代，航空技術(shù)發(fā)展。直至17世紀(jì)末以前，發(fā)展緩慢，對燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)幾乎一無所知。例如，神話中的天火。之后：燃素的概念出現(xiàn)（物質(zhì)是否燃燒被歸于是否含有燃素）?！?777年，拉瓦錫提出燃燒是物質(zhì)的氧化（燃燒理論的萌芽）。隨后工業(yè)革命推動?！?9世紀(jì)出現(xiàn)熱化學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)（將燃燒作為熱力學(xué)系統(tǒng)，考察其初態(tài)和終態(tài)，靜態(tài)特性的研究）。20世紀(jì)初燃燒反應(yīng)動力學(xué)（研究燃燒過程的動態(tài)過程的理論）30~40年代火焰?zhèn)鞑サ母拍疃?zhàn)后期噴氣技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)后發(fā)展50~60年代德國人VonKarmen（對宇航也有巨大的貢獻(xiàn)）提出用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來研究燃燒，稱為化學(xué)流體力學(xué)或反應(yīng)流體力學(xué)。70年代初，大型電子計算機出現(xiàn)，Spalding等人建立了燃燒的數(shù)學(xué)模擬方法和數(shù)值計算方法，形成計算流體（計算燃燒）學(xué)；激光測量技術(shù)的出現(xiàn)，使精密測量成為現(xiàn)實?；纠碚?數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算+先進的測量技術(shù)。國內(nèi)外研究機構(gòu)（大學(xué)、研究所）；參考書。燃燒理論與污染控制（浙大，岑可法）燃燒學(xué)（西交大，許晉源）燃燒理論與燃燒設(shè)備（清華，徐旭常）燃燒類書Fuel,CombustionandFlame；中國電機工程學(xué)報、工程熱物理學(xué)報、動力工程學(xué)報等。二、燃燒科學(xué)的研究與應(yīng)用動力來源；我國80%電力為火電。范圍廣泛；能源、交通、航空航天。技術(shù)進步?；馂?zāi)與污染。理論研究：研究燃燒過程涉及的基本機理。如反應(yīng)動力學(xué)機理、著火、滅火、火焰?zhèn)鞑サ?；技術(shù)研究：解決工程技術(shù)的各種實際問題。如提高效率、降低污染等。當(dāng)代對燃燒應(yīng)用的要求航空航天領(lǐng)域要求燃燒不斷強化和趨于更高能量水平；探討高溫、高壓、高速、強紊流條件下的燃燒；超聲速燃燒。能源利用領(lǐng)域要求燃燒過程高效率，節(jié)省燃料等；潔凈燃燒，減輕環(huán)境污染，零排放。發(fā)展：微重力、微尺度、與3“O”結(jié)合：信息INFO、生物BIO、納米NANO。例如生物燃燒學(xué)、納米尺度下燃燒等。人才培養(yǎng)第二節(jié)我國燃煤發(fā)電概況一、能源結(jié)構(gòu)在已知各種能源資源中，煤炭資源最為豐富。根據(jù)第15屆世界能源會議提供的資料，俄羅斯、美國和中國是世界三大煤炭國家，它們占世界總量的57.4%。按1994年全世界煤炭消耗量44.67億噸計算，可開采的年限為233年，而中國僅為92年。事實上，中國的煤貯藏量被低估了。2007年探明中國煤的保有量為11800億噸，占全世界的13.5%，可開采200年以上。2007年我國煤炭消費量為26億噸。2010年我國煤炭產(chǎn)量32億噸，進口煤炭1.5億噸。2007年世界能源結(jié)構(gòu)電：截止到2010年12月，全國電力裝機容量為9.6219億kW，同比增長10.1%。其中火電7.0663億kW，占73.4%；水電2.134億kW，占22.2%；風(fēng)電3107萬kW；核電1082萬kW。2010年全國發(fā)電量42280.15億kW·h，同比增長13.8%。其中火電占80.76%；水電占16.23%；核電占1.82%，風(fēng)電占1.18%。供電煤耗335g/kW·h，同比降7g/kW·h。電網(wǎng)輸電線損6.49%，同比降低0.91%。

由于經(jīng)濟的增長，2011年1-6月的發(fā)電量同比增長13.5%，火電發(fā)電量同比增長12.5%，水電增長12.5%。新增火電2331萬kW，水電624萬kW，風(fēng)電509萬kW。供電煤耗率328g/kWh，火電廠用電率6.18%，線損5.65%。從這些數(shù)據(jù)看出，我國的發(fā)電是以燃煤發(fā)電為主的。

世界比較以2005年為例，全世界總發(fā)電量18.18萬億kW·h，其中美國4萬億kW·h，中國2.47萬億kW·h，日本1.1萬億kW·h，俄羅斯9520億kW·h，印度6000億kW·h。2005年裝機：美國9.8億kW，51%為燃煤發(fā)電，日本2.6億kW。預(yù)計到2020年，美國裝機為11億kW，中國裝機可達(dá)16億kW。中國煤電比例為80%，印度為78%，美、德為51%。供電煤耗：日本290g/kW·h，韓國300g/kW·h，意大利303g/kW·h，美國360g/kW·h，澳大利亞370g/kW·h。

我國為什么以燃煤發(fā)電為主？燃煤會產(chǎn)生污染，我國主要依靠燃煤發(fā)電，是由我國的基本國情決定的。我國的能源儲備特征是“富煤貧油少氣”，這就決定了煤炭是我們的主要一次能源?，F(xiàn)在，我國已進入了“重化工業(yè)主導(dǎo)型”經(jīng)濟發(fā)展階段，經(jīng)濟的發(fā)展，決定了能源需求的同步增長，這就決定了在較長時期內(nèi)煤炭在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的格局將長期保持不變。

經(jīng)濟要發(fā)展，電力也要發(fā)展，一般電力彈性系數(shù)大于1，也就是經(jīng)濟增長10%，電力增長要大于10%。按照現(xiàn)在的規(guī)模，電力增長10%，就需要增加裝機容量約9000萬kW，相當(dāng)于每年投產(chǎn)5座三峽電站，或50座大亞灣核電站，這個容量只依靠水電、核電等是很難實現(xiàn)的。水電資源分布不均，且受季節(jié)影響很大，豐水期和枯水期的發(fā)電量差別很大，建設(shè)周期很長；太陽能、風(fēng)能的不確定性，對電網(wǎng)影響很大；生物質(zhì)能比較分散，難于大型化；核電建設(shè)周期長，一般為5~7年，我國的核電技術(shù)還需要發(fā)展，核燃料不足，核廢料處理也是難題。

同時，燃煤發(fā)電機組投資少，目前為4000元/kW（水電為7000元/kW，生物質(zhì)發(fā)電為7000元/kW，風(fēng)電為6500元/kW，核電約10000元/kW，太陽能為75000元/kW），建設(shè)周期短（在2年以內(nèi)）。因此，我國現(xiàn)階段的基本國情，決定了我們現(xiàn)在要以燃煤發(fā)電為主。

如何控制污染？煤電的缺點是環(huán)境污染，煤燃燒會產(chǎn)生灰渣固體污染物、SO2和NOx等氣體污染物?，F(xiàn)代燃煤電廠采用高效除塵設(shè)備，除塵效率可達(dá)99.9%；采用濕法煙氣脫硫技術(shù)，脫硫效率可達(dá)95%~99%；采用低NOx燃燒技術(shù)和選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)，脫硝效率可達(dá)90%~95%，最大限度地減少污染物的排放。

國家制定了電力工業(yè)節(jié)能減排發(fā)展規(guī)劃，主要措施是“上大壓小”、節(jié)能調(diào)度。《國務(wù)院批轉(zhuǎn)發(fā)展改革委、能源辦關(guān)于加快關(guān)停小火電機組若干意見的通知》（國發(fā)［2007］2號）指出了“上大壓小”是指將新建電源項目與關(guān)停小火電機組掛鉤，在建設(shè)大容量、高參數(shù)、低消耗、少排放機組的同時，相對應(yīng)關(guān)停一部分小火電機組。

在降低能耗方面，單機容量為100萬kW的超超臨界機組的供電煤耗約為270~290g/kW·h，比60萬kW超臨界機組能耗下降15.3%，比30萬kW機組能耗下降18.7%。60萬kW的超超臨界機組的設(shè)計供電煤耗達(dá)到290克左右，接近單機100萬千瓦的機組。建設(shè)大容量高參數(shù)機組，是節(jié)能減排的措施之一。

2008年《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》已在廣東、貴州、四川、江蘇、河南等省試點。實行節(jié)能發(fā)電調(diào)度，使高效、節(jié)能、環(huán)保機組的優(yōu)越性能夠體現(xiàn)出來，將使高能耗、高污染的小火電機組逐漸被淘汰出局。隨著技術(shù)的進步，燃煤發(fā)電的污染將會越來越小，逐漸實現(xiàn)污染的近“零”排放。由于燃煤機組脫硫裝置的大力建設(shè)，我國SO2排放自2007年以來持續(xù)下降，到2009年已經(jīng)提前一年實現(xiàn)了“十一五”減排10%的目標(biāo)。

誤解！中國火電是“北煤南運”和“負(fù)荷中心發(fā)電”的產(chǎn)業(yè)格局。大體量、大跨度、超負(fù)荷的電煤運輸，一旦遭遇自然災(zāi)害等不可控因素，電煤供給就會失去保障，電力供應(yīng)體系就會變得十分脆弱。另外，我國1993年進行煤炭價格部分市場化改革，國家為了確保電價穩(wěn)定，設(shè)定了國有大型電廠的電煤價格，從而形成了“計劃煤”與“市場煤”之間的價格雙軌制，這也造成了多年來的煤電矛盾。

2003年電力體制改革，廠網(wǎng)分開后，國家逐漸放開了發(fā)電用煤價格。2006年，國家又取消了對重點電煤合同的政府指導(dǎo)價，讓電煤價格完全由市場調(diào)節(jié)。隨著煤炭價格的上漲，煤炭企業(yè)與電力企業(yè)的矛盾愈演愈烈。國家有關(guān)部門制定的多種措施，解決煤電矛盾。

(1)大力建設(shè)特高壓輸電線路，實現(xiàn)空中輸煤，緩解電煤運輸矛盾，同時可以降低線損；建設(shè)鐵路客運專線，現(xiàn)有的鐵路可以增大電煤運輸能力。

(2)實行煤電聯(lián)動，電價上調(diào)以抵消電力企業(yè)的虧損；增大進口煤量，平抑國內(nèi)煤價。2005年開始實行的煤電聯(lián)動政策規(guī)定，以不少于6個月為一個煤電價格聯(lián)動周期，若周期內(nèi)平均煤價較前一個周期變化幅度達(dá)到或超過5%，便將相應(yīng)調(diào)整電價。但作為上游重要能源的電力，其價格一旦上調(diào)極有可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，加劇通貨膨脹，因此煤電聯(lián)動政策的實施受到經(jīng)濟發(fā)展的限制。

(3)煤電聯(lián)營或煤電一體化措施，可以緩解煤電矛盾。電力企業(yè)兼并重組煤礦，實現(xiàn)煤電一體化經(jīng)營；煤炭企業(yè)建設(shè)坑口電站，實現(xiàn)煤電一體化。

(4)電力企業(yè)節(jié)能減排，以技術(shù)進步來降低煤炭的消耗?！笆晃濉逼陂g，通過各項措施，火電企業(yè)的效率不斷提高，供電煤耗從2006年的367g/kW·h降低到2010年的335g/kW·h，相當(dāng)于2010年節(jié)約了1.4億噸標(biāo)煤。電網(wǎng)輸電線損由2006年的6.87%降為2010年的6.49%，相當(dāng)于2010年再節(jié)約了600萬噸標(biāo)煤。

目前“十二五”電力開發(fā)基調(diào)為：優(yōu)先開發(fā)水電；優(yōu)化發(fā)展煤電；大力發(fā)展核電；積極推進新能源發(fā)電；適度發(fā)展天然氣集中發(fā)電；因地制宜發(fā)展分布式發(fā)電。

“十二五”水電開發(fā)的基調(diào)是，繼續(xù)加快開發(fā)長江上游、烏江、南盤江紅水河、黃河中下游及北干流、湘西、閩浙贛和東北等7個水電基地，盡早開發(fā)完畢。重點開發(fā)金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、怒江、黃河上游干流等6個分布在西部地區(qū)的水電基地，推進雅魯藏布江等西藏流域開發(fā)，同時開發(fā)緬甸水電，向我國輸電。

根據(jù)規(guī)劃，2015年全國常規(guī)水電裝機預(yù)計2.84億千瓦左右，2020年全國水電裝機預(yù)計達(dá)3.3億千瓦左右。抽水蓄能電站規(guī)劃裝機容量4100萬千萬左右，2020年6000萬千萬左右。

“十二五”我國將重點開發(fā)山西、陜北、寧東、準(zhǔn)格爾、鄂爾多斯、錫盟、呼盟、霍林河、寶清、哈密、準(zhǔn)東、伊犁、淮南、彬長、隴東、貴州等大型煤電基地，大型煤電基地成為電力主要來源?！笆濉逼陂g，全國規(guī)劃煤電開工規(guī)模3億千瓦，2015年煤電裝機預(yù)計達(dá)到9.33億千瓦。

到2015年，我國將形成“東中部核電帶”，即在遼寧、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、海南等沿海省區(qū)加快發(fā)展核電；穩(wěn)步推進江西、湖南、湖北、安徽、吉林等中部省份內(nèi)陸核電項目。到2015年我國核電裝機4294萬千瓦，2020年核電規(guī)劃裝機容量9000萬千瓦。但是2011年的日本福島核電事故，使世界各國對核電的發(fā)展變得非常謹(jǐn)慎了，一些國家暫時關(guān)閉或停建核電站。

我國風(fēng)電重點在“三北”（西北、華北北部和東北）地區(qū)規(guī)劃和建設(shè)大型和特大型風(fēng)電場。按照規(guī)劃，2015年和2020年風(fēng)電規(guī)劃容量分別為1億千瓦和1.8億千瓦。

太陽能集中在甘肅、青海、新疆等地?！笆濉逼陂g，國家將在甘肅敦煌、青海柴達(dá)木盆地和西藏拉薩建設(shè)大型并網(wǎng)型太陽能光伏電站示范項目，在內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆等地選擇荒漠、戈壁、荒灘等空閑土地，建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目。到2015年太陽能發(fā)電規(guī)劃容量200萬千瓦左右，到2020年太陽能發(fā)電規(guī)劃容量將躍升至2000萬千萬左右。

天然氣發(fā)電則主要解決核電、風(fēng)電、水電季節(jié)性電能對電網(wǎng)的壓力，2020年天然氣發(fā)電裝機容量為4000萬千瓦。在電網(wǎng)延伸不經(jīng)濟的地區(qū)，發(fā)揮當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，在小水電資源豐富地區(qū)，優(yōu)先開發(fā)建設(shè)小水電站，根據(jù)風(fēng)、光和地?zé)豳Y源發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電。從“十二五”規(guī)劃可以看出，燃煤發(fā)電仍是電力的主要來源。在燃煤機組的建設(shè)中，600MW超臨界和超超臨界機組由于其具有國產(chǎn)化率高、運行可靠性高、有合適的廠址條件、符合電網(wǎng)運行安全要求等優(yōu)點，將成為主力機組。有中國特色的煤電發(fā)展之路。

二、煤粉的高效燃燒2010年我國煤炭產(chǎn)量為32億噸，燃煤電站消耗煤炭16億噸。雖然我國的煤炭等資源消耗量很大，但由于人口多，我國的人均能源消耗量還很小，只占世界平均人均能源消費水平的1/3，加上我國的能源利用率低，我國仍然是能源匱乏國，對外依存度很高。

和發(fā)達(dá)國家比，我國的能源利用水平還是很落后的。我國的能源利用率僅為33%左右，而歐盟為40%，美國為51%，日本高達(dá)75%。也就是說，我們浪費了能源產(chǎn)量的一半。

能源利用率低的原因是多方面的。例如，我國的主要工業(yè)產(chǎn)品能量單耗比國外高40%，單位產(chǎn)值能耗是發(fā)達(dá)國家的3-4倍，其中冶金噸鋼耗標(biāo)準(zhǔn)煤1000kg，比國外先進水平高300-400kg；化肥噸合成氨耗標(biāo)準(zhǔn)煤1300kg，比國外高出一倍；工業(yè)鍋爐和窯爐比國外先進水平多耗煤20%。還有每生產(chǎn)1美元產(chǎn)值的能耗，我國比印度高1.65倍，比美國高2.16倍，比巴西高3.82倍，比法國高4.98倍。

在鍋爐效率和發(fā)電效率方面我們也存在較大的差距。例如，我國現(xiàn)有40多萬臺燃煤工業(yè)鍋爐，其平均熱效率不超過60%，它消耗每年煤產(chǎn)量的1/3。13萬多臺燃煤工業(yè)窯爐的平均熱效率僅20%-30%，每年消耗15%的煤產(chǎn)量，民用爐灶的熱效率更低。電站鍋爐的平均熱效率可達(dá)90%以上，但電力標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為335g/kW·h，比國外先進水平高30-40g。

用電之中我們的浪費也比較嚴(yán)重。比應(yīng)該消耗的電力多20%，無論是生產(chǎn)用電還是生活用電的浪費都是非常嚴(yán)重的。例如，上海曾經(jīng)對有關(guān)單位進行調(diào)查，僅風(fēng)機水泵兩項年耗電量占整個工業(yè)用電的40%，經(jīng)設(shè)備改造，年節(jié)電為11.3%；電動機經(jīng)采用變頻調(diào)速、設(shè)備匹配和節(jié)電器等先進技術(shù)后，可節(jié)電15%-30%；節(jié)能照明，光效高、壽命長，與白熾燈相比可節(jié)電80%。可見節(jié)電是十分有成效的。

經(jīng)過不斷努力，我國的能源節(jié)約效果顯著。1980-2005年，中國能源消費以年均5.6%的增長支撐了國民經(jīng)濟年均9.8%的增長。按2005年不變價格計算，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗由1980年的3.39噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降到2005年的1.22噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均節(jié)能率3.9%。2006-2010年，我國能源消費總量從24.6億噸標(biāo)煤增長到32.5億噸標(biāo)煤，年均增長7.2%，我國國民經(jīng)濟年均11.2%。

在2006~2008年的3年期間，全國共淘汰小火電機組3421萬千瓦，落后煉鐵產(chǎn)能6059萬噸、煉鋼產(chǎn)能4347萬噸、水泥產(chǎn)能1.4億噸，大量減少了溫室氣體排放。2009年與2005年相比，電力行業(yè)300兆瓦以上火電機組占火電裝機容量的比重由47%上升到了69%。

2009年與2005年相比，火電的供電能耗下降了8.11%，也就是由05年的370克下降到了340克；噸鋼綜合能耗下降了11.4%，也就是說每噸鋼消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤由694千克下降到了615千克；水泥綜合能耗下降了16.77%，乙烯綜合能耗下降了16.77%，合成胺綜合能耗下降了7.96%，電解鋁綜合能耗下降了10.06%。

“十一五”前四年通過節(jié)能提高能效，少消耗了4.9億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放是11.3億噸，得到了國際社會的廣泛贊譽，也樹立了我們負(fù)責(zé)任大國的形象。這些成效的取得是在經(jīng)濟增速大幅度超出預(yù)期和應(yīng)對國際金融危機的情況下取得的，成績來之不易?！笆?/p>