燃料及燃料燃燒計算

1、第二章 燃料及燃料燃燒計算,燃料：能用來燃燒以取得熱量的物質(zhì)，是鍋爐的基本能源,表 31 燃料的分類,氣體燃料：天然氣，液化石油氣，沼氣，焦爐煤氣， 高爐煤氣及發(fā)生爐煤氣等。,21 氣體燃料和液體燃料,優(yōu)點：點火容易，易與空氣混合達到完全燃燒，調(diào)節(jié)方便,用途：制取合成氨、炭黑、乙炔等化工產(chǎn)品的原料氣，優(yōu)質(zhì)的燃料氣,高爐煤氣：煉鐵時的副產(chǎn)品，主要成分CO，其余為惰性氣體CO2和N2，熱值為 33604200 kJ/Nm3,沼氣：60% CH4，35%CO2，還有少量的H2和CO，熱值為14630 kJ/Nm3,液化石油氣：開采和煉制石油過程中而獲得的一部分炭氫化合物，主要成分為C3H8，C3H6

2、，C4H10，C4H8，習慣上稱C3,C4 ，熱值為91960121220kJ/Nm3,煉焦爐煤氣：冶金工業(yè)煉焦爐的副產(chǎn)品，是煤受熱所析出的揮發(fā)分，主要成分5060 H2，20% CH4，其余為少量CO2和N2，熱值為1500020000 kJ/Nm3,空氣煤氣：煤在空氣不足的條件下燃燒，所生成的CO，主要成分30%CO，56%N2，10%H2，熱值小于6000kJ/Nm3,發(fā)生爐煤氣,水煤氣：用水蒸汽與熾熱的煤反應，可生成水煤氣，主要成分4050%CO，4555%H2，其余為少量的CO2和N2，熱值為830010500kJ/Nm3,鍋爐燃用的油主要是重油和柴油,重油：由不同成分的炭氫化合物組

3、成的復雜混合物，由碳、氫、氧、氮、硫、灰份、水分等組成，Car8187，Har1114，Sar，Oar，Nar總量約為13，Mar=13%，Aar1%，Qar,net,p= 37.642 MJ/kg,粘度：溫度對粘度的影響最大，影響流動和霧化,主要性質(zhì),燃點和閃點：鑒別油著火、燃燒性能的重要指標 凝固點：凝固點的高低與石蠟的含量有關，含石蠟多的凝固點高 硫分和雜質(zhì)：硫?qū)⒁疱仩t受熱面的腐蝕和積灰，機械雜質(zhì)可能堵塞磨損噴嘴,液體燃料：,煤是遠古植物在地質(zhì)變化中形成的，因此，它含有一般植物所含的形成有機物的炭、氫、氧、氮、硫等元素，以及灰份和水份等惰性物質(zhì)。,22 煤的成分及性質(zhì),煤的分類,過去煤

4、分類多沿用煤的氣化、煉焦、煤化工等分類方法分類（包括褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、不粘煤、無煙煤），根據(jù)鍋爐設計、運行的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該法不適于動力用煤的分類，于是按干燥無灰基揮發(fā)份的含量分類為無煙煤、貧煤、煙煤、褐煤等種類,動力燃料用煤的分類方法,C + H + O + N + S + A + M = 100%,可燃質(zhì),惰性質(zhì),用百分比表示煤的成份：,炭(C)是燃料的主要成分，以煤中可燃性成分重量為100，炭占煤成分的5098，則植物纖維含炭4455，泥煤含炭5060，褐煤含炭6077，無煙煤含炭9098，1kg炭完全燃燒約可放出熱量32700kJ/kg，不完全燃燒（生成CO）可放

5、出熱量9270kJ/kg。 氫(H)是燃料中僅次于炭的可燃成分，發(fā)熱量120370kJ/kg，煤中可燃質(zhì)含氫28，重油含氫1213，炭氫化合物多的燃料易著火。 氮(N)主要由成煤植物中蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，含量13，在煤燃燒時氮常呈游離狀態(tài)逸出，不產(chǎn)生熱量。,氧(O) 不能產(chǎn)生熱量，形式上為有機成分，實為燃料內(nèi)部雜質(zhì)， 地質(zhì)年代高的煤含氧量低，相反則高。,硫(S) 是煤中可燃成分之一，但也是有害的成分。發(fā)熱量9100 kJ/kg，燃燒產(chǎn)物為SO2、SO3氣體。煤中硫可以分為有機硫和無機硫，我國煤中大約6070的硫為無機硫，3040為有機硫,還有磷(P)（含量不超過1）和其它稀有元素，如汞（Hg）、砷

6、（As）、硒（Se）、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈹(Be)、鋰(Li)、釩(V)及放射性元素鈾(U)等，一般含量甚微。,炭、氫、氧、氮四種元素在不同煤中的含量（）,水分(M)：,外部水分 內(nèi)部水分,煤樣置于105110的烘箱中使干燥至恒重，失去的水分,化合結晶水分：石膏CaSO42H2O，高嶺土Al2O3 2SiO2 2H2O,煤中的不可燃成分，降低煤的發(fā)熱量 推遲著火，在燃燒過程中汽化吸熱，降低爐膛溫度，使著火困難 降低鍋爐效率 易引起低溫受熱面腐蝕,水分對鍋爐運行的影響,煤中的水分含量(%),煤中所含的礦物雜質(zhì)燃燒后的固體殘留物,灰分(A)：,煤中的不可燃成分，降低煤的發(fā)熱量，灰份每增加1，

7、燃料消耗即增加1 使受熱面受污染影響傳熱，導致排煙溫度升高，降低熱效率 使受熱面磨損 易產(chǎn)生爐內(nèi)結渣，并會腐蝕金屬管壁 除灰渣系統(tǒng)任務重,灰分對鍋爐運行的影響：,注：同一煤質(zhì)，在還原性氣氛中要比在非還原性氣氛中的熔化溫度低，是由于Fe2O3被還原為FeO，形成了低熔點的2FeOSiO2物質(zhì),易熔灰：ST1400C，適于固態(tài)排渣爐,煤的成分通常用質(zhì)量百分數(shù)表示，由于灰份和水份因外界條件而變化，為了實際應用的需要通常采用如下四種基準：,干燥無灰基(dry and ash free):即可燃基，以可燃質(zhì)的成份作為100%,干燥基(dry)：以除去水分之外的可燃質(zhì)和灰份為100%,收到基（as rec

8、eived）：即應用基，以包含水分、灰分和可燃質(zhì)為100%,空干基（air dry）：即分析基，煤樣在試驗室中放置，在室溫20相對濕度60（顆粒0.2mm）的一般正常條件下，它會失去一些水份，以這種空氣干燥過的分析用試樣為100%,23 煤的成分基準及換算,收到基：Mar + Var + FCar + Aar = 100 % 空干基：Mad + Vad + FCad + Aad = 100 % 干燥基：Vd + FCd + Ad = 100 % 干燥無灰基：Vdaf + FCdaf = 100 %,煤的元素分析成份不同基準的表達：,收到基：Car + Har + Oar + Nar + Sar

9、 + Aar + Mar = 100% 空干基：Cad + Had + Oad + Nad + Sad + Aad + Mad = 100% 干燥基：Cd + Hd + Od + Nd + Sd + Ad = 100% 干燥無灰基：Cdaf + Hdaf + Odaf + Ndaf + Sdaf = 100%,煤的工業(yè)分析成份不同基準的表達：,注：一般煤的元素分析、工業(yè)分析以及發(fā)熱量等測定都要求煤的分析基試樣。,不同基之間的換算關系(以C元素為例)： 已知收到基，計算分析基成份：,已知收到基，求干燥無灰基的成份：,1kg收到基：,還包括發(fā)熱量Q、焦渣特性、灰熔點、顆粒度,24 煤的工業(yè)分析和燃

10、燒特性,煤在隔絕空氣的情況下加熱至一定溫度時，煤中的部分有機物和礦物質(zhì)便發(fā)生分解，析出的氣態(tài)產(chǎn)物。 實驗室測試:90010C加熱7min,主要成分：H、CmHn、CO、CO2、少量O和N。,揮發(fā)分開始析出的溫度隨煤的種類而變化,煤的揮發(fā)分：,揮發(fā)分對燃燒的影響： Vdaf高，容易著火和燃燒完全。 原因： Vdaf高，難燃的固定炭少，煤炭易于燃燒完全 大量揮發(fā)分析出并燃燒后，可放出大量的熱量，有助于固定炭的著火和燃燒 揮發(fā)分析出造成煤中孔隙增大，使煤和空氣的接觸面積增大，加快了煤的燃燒反應速度,不同煤種的揮發(fā)分（）,煤受熱析出揮發(fā)分后余下產(chǎn)物的焦結程度。一般煉焦煤（Vdaf=1826%）的焦結性

11、最大，適于煉焦炭。 對層燃爐燃燒的影響： 結焦性過強，導致通風不均，難于燃盡； 結焦性過弱，易受熱而松散，落到爐排下面，而損失掉。,焦結性：,發(fā)電用煤的分類：VAMSST及Q分類方法 例如：V4A1M1S2ST1,元素分析與工業(yè)分析間的關系：,煤單位質(zhì)量完全燃燒時所放出的熱量,煤的發(fā)熱量,注：我國在有關的鍋爐計算中以低位發(fā)熱量為準,高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量間的換算關系：,注：高位發(fā)熱量之間才能乘換算因子,在缺少氧彈測熱器的測試數(shù)據(jù)時，可用下式近似地求出可燃基低位發(fā)熱量：,該式的精確度與煤的折算灰份含量有關： 當折算灰份6時，誤差630 KJ/kg 當折算灰份6時，誤差840 KJ/kg,氧彈所測

12、發(fā)熱量換算為分析基低位發(fā)熱量Qad,net,p,煤的折算成份,科學地比較不同煤種的水份、灰份、硫份，以1兆焦為基準時所含成份的克數(shù)（SI）。過去以發(fā)熱1000大卡為標準,折算水份：,折算灰份：,折算硫份：,標準煤：便于比較不同燃煤裝置耗煤量或效率，以標準煤為比較基準，假定發(fā)熱量7000 kcal/kg，無具體成分。,楊樹 大同煙煤 元寶山褐煤 蔗渣,固體燃料干燥基成份比較,習題,1、已知煤的Mar、Aar和Mad，試導出其收到基和干燥無灰基之間的換算系數(shù)Kdaf-ar及收到基和空氣干燥基之間的換算系數(shù)Kar-ad。 2、已知 Qdaf,net，求 Qar,net 3、試推導出當煤的收到基水分由

13、Mar1變?yōu)镸ar2時，其收到基低位發(fā)熱量間的換算關系式。,O220.95，N278.09，Ar0.93, CO20.03 工程計算中近似為：O221，N279,空氣性質(zhì)：標準條件下空氣密度1.293 kg/m3,空氣中也含有水蒸汽，一般假定每標準立方米干空氣帶來0.0161標準立方米的水蒸汽，或者是10 g/(kg干空氣)。,空氣容積組成：,2-5 燃燒所需的理論空氣量,每1kg燃料中可燃質(zhì)完全燃燒，且空氣中的氧完全用完情況下所需的空氣量，V0,因此，1kg C完全燃燒需氧32/12=8/3 kg,同理，1kg硫完全燃燒需1kg氧；1kg氫完全燃燒需要8kg氧，,理論空氣量,其中，O2=1.

14、4286 kg/Nm3,因此，1kg燃料所需氧的容積為：,在缺少元素分析成份時，可根據(jù)燃料的低位發(fā)熱量 近似地估算理論空氣量,液體燃料,貧煤及無煙煤（ ）,煙煤（ ）,劣質(zhì)煙煤,= V / V0,實際空氣量（V）與理論空氣量（V0）之比值稱為過量空氣系數(shù)，以表示,過量空氣系數(shù),空燃比空氣質(zhì)量/燃油質(zhì)量,空燃比：混合氣中的空氣與燃料的質(zhì)量比,如,1kg汽油約需要14.8kg空氣，空燃比為14.8，此時稱為汽油機的理論混合氣,煙道中任一截面處的過量空氣系數(shù)：,燃料完全燃燒時燃燒產(chǎn)物： CO2，SOx，H2O蒸汽，NOx，N2和O2,在燃燒不完全時，還會有未燃盡的CO,CH4及H2等，一般CH4，H

15、2很少，可忽略，只分析CO即可。,2-6 燃料燃燒產(chǎn)物,一、理論煙氣量,理論煙氣量：燃料在供給理論空氣量的情況（即 ）下完全燃燒后所產(chǎn)生的煙氣量,1kg碳完全燃燒產(chǎn)生 Nm3的CO2， 碳產(chǎn)生的CO2為,1kg 硫完全燃燒產(chǎn)生 Nm3的CO2， 硫產(chǎn)生的SO2為,于是,氮氣的來源,（1）燃料中水份帶來的水蒸汽容積,（2）燃料中氫燃燒生成的水蒸汽容積,（3）理論空氣量帶入的水蒸汽容積,注：一般認為1kg干空氣中含有10g水蒸汽,水蒸汽有四個來源,于是，蒸汽霧化重油時的理論水蒸汽容積為,當沒有蒸汽霧化時，就不考慮最后一項,（4）在燃油爐中，當采用蒸汽霧化重油時，則噴入的水蒸汽容積,其中 為霧化用蒸

16、汽消耗率，單位為kg/kg,二、實際煙氣量,燃燒是在過量的空氣條件（ ）下進行的，于是實際煙氣量為,煙氣中水蒸汽的總量為,煙氣的總體積為,其中， 為干煙氣的容積,三原子氣體容積分數(shù)和分壓力為,水蒸汽容積分數(shù)及分壓力,煙氣中飛灰濃度,（kg/kg ）,煙氣質(zhì)量Gy,即,從煙氣分析知道干煙氣中（RO2+CO）的容積百分比，因此干煙氣的總體積Vgy為,已知1kg當量炭Kar燃燒后產(chǎn)生22.4/12=1.867Nm3的RO2和CO，,三、 根據(jù)煙氣分析結果推算煙氣體積,已知燃料的水份Mar，氫Har，再計入空氣帶來的水蒸汽，則可求出水蒸汽的總體積VH2O，于是求出煙氣的體積,四、根據(jù)煙氣分析結果推算過

17、量空氣系數(shù),已知=V /V0，則有,式中N2-1為與過量氧對應的過量氮，該式忽略了燃料中的Nar。,現(xiàn)煙氣分析中RO2 + O2 + CO + N2 = 100%，CO完全燃燒還要體積為0.5CO的氧，因此過量的氧為O2 0.5CO,已知空氣中氧氮比例為21/79，故與過量氧對應的氮為,已知N2=N2,已知N2100 （RO2 + O2 + CO）,代入上式得，,無CO時，該式為,奧氏煙氣分析方法,煙氣中CO的含量,稱燃料特性系數(shù),如果燃料完全燃燒而無過量空氣時，此時RO2可達最大值，即,RO2,max = 21 RO2,max %,理論空氣的焓,一、空氣焓的計算,實際空氣的焓,二、煙氣焓的計算,實際煙氣焓包括理論煙氣焓、過量空氣焓和飛灰焓三部分,27 空氣和煙氣焓的計算,而理論煙氣量中含有三種成分：,理論煙氣焓:,煙氣中的飛灰焓:,煙氣中的飛灰焓只有當,才計入,作業(yè)一,1、已知電廠某爐在額定負荷下運行時的煤耗量為60t/h，該爐燃煤元素分析成分如下： Car=74%,H