材料热工基础 燃烧

3.燃烧学研究燃烧基本理论与燃烧技术的一门科学。通过学习，达到最合理地、最有效的组织燃烧过程和控制燃烧过程。内容3.1燃料的种类和组成3.2燃料的热工特性3.3燃烧计算3.4燃烧过程的基本理论3.1燃料的种类和组成主要介绍燃料的分类及化学组成的表示方法。燃料：指通过燃烧能获得大量热能，且这些热能能为人们以各种方式所利用的可燃物质。

工业上选作为燃料的仅是指燃烧过程中以氧气(空气)作氧化剂的物质，故这些物质应当是由那些能与氧化合的元素所组成。热量的获得形式燃料燃烧电为热源按状态分固体：木柴、煤和可燃页岩。最常用是煤，有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。液体：石油及石油加工产品。常用加工产品重油。气体：天然气及人造煤气。常用天然气、液化石油气及发生炉煤气。按来源分天然燃料：自然界的原煤、石油、天然气、木柴等人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、发生炉煤气等。1、燃料的种类(依状态、来源分)(理解)3.1燃料的种类和组成2、燃料的化学组成及表示方法(掌握)(固液体，气体)(1)、固体和液体(元素分析法，工业分析法)①元素分析法固体和液体燃料组成可由化学分析获得，它们是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五种元素和部分的矿物杂质－灰分(A)、水分(M)根据不同的条件，固体和液体燃料的元素组成表示方法可分为下列四种：☯收到基：使用单位收到煤的组成，即实际使用煤的组成，在各组成的右下角“ar”3.1燃料的种类和组成☯空气干燥基：指分析实验室里所用的煤样组成，在各组成的右下角“ad”表示。空气干燥基准煤中的水分为两部分组成：空气干燥过程逸出的水分空气干燥状态残留的水分或表示如下：3.1燃料的种类和组成☯干燥基：指绝对干燥的煤的组成。“d”☯干燥无灰基：指假想的无水无灰的煤的组成。在各组成的右下角“daf”说明根据质量平衡原理，上述四种组成表示方法，可以相互进行换算。表4-13.1燃料的种类和组成②工业分析法主要是确定煤中的灰发分(V)、固定碳(FC)、灰分(A)和水分(M)的含量作为控制煤的质量指标。同样可用上述四种标准：收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基3.1燃料的种类和组成(2)、气体燃料(湿成分，干成分)气体燃料是由可燃成分CO、H2、CH4、H2S、CmHn等和不可燃成分CO2、H2O、N2、SO2、O2等组成的混合气体。其中SO2和H2S是有害气体成分。组成用体积百分含量表示，有干成分和湿成分二种：湿成分上标用“”,干成分上标用“d”。区别是否包括水蒸汽。湿成分3.1燃料的种类和组成干成分干、湿成分的换算：100m3湿气体燃料中所含水蒸汽的体积。3.1燃料的种类和组成3.2燃料的热工性质及选用原则1、发热量(概念，种类，测定，标准燃料)概念单位体积或单位质量的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量称燃料的发热量或热值。种类高位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水蒸汽全部凝结为水时所放出的热量；低位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水蒸汽仍以气态存在时所放出的热量。内容发热量(掌握)

燃料的其它热工特性(理解)

燃料的选用原则(理解)则收到基高、低位热值之差为：其它基准为：1kg固体或液体燃料燃烧后生成水量为：差别3.2燃料的热工性质及选用原则测定和计算专门的量热计测定：固体用氧弹量热计；气体用气体量热计。计算采用经验公式，见教材4-8～4-11公式标准燃料标准煤的收到基低位发热量为29270kj/kg(7000kCal/kg);标准油或标准气的低位发热量为41820kj/kg或kj/Nm3(10000kCal/kg,Nm3)1NM3气体燃料，高、低位热值的差别为：3.2燃料的热工性质及选用原则挥发粉；结渣性；水分；可燃硫含量。固体燃料有：液体燃料有：粘度；闪点、燃点、着火点；凝固点；密度；比热和导热系数；水分；机械杂质。气体燃料有：煤气的分子量和密度；煤气的平均比热。3、燃料的选用原则：教材P241随燃料的种类不同而不同。有以下几种：2、燃料的其它热工特性：3.2燃料的热工性质及选用原则3.3燃烧计算本节主要介绍燃烧计算的目的、内容、计算方法。内容

燃烧计算的目的、内容和基本概念(掌握)

燃烧的分析计算法(掌握)

燃料的近似计算法(了解)

估计空气量及烟气量(理解)

操作计算(掌握)

燃烧温度的计算(理解)1、燃烧计算的目的、内容和基本概念(掌握)目的是在给定的条件下求出燃料燃烧需用的空气量，燃烧产物生成量和成分，以及燃烧可能达到的温度；为设计工业窑炉和设备选型提供原始数据或对正在运行的热工设备进行热工标定，确定工作效率。(1)目的和内容3.3燃烧计算气体的体积都用标准状态(0℃,101325Pa)；气体看作理想气体，即1kmol的体积都是22.4升；温度基准：0℃；忽略空气中稀有气体的含量，将空气看成是由氮气和氧气二种所组成，其体积比为79:21。①机械不完全燃烧：由于机械设备的原因而燃料未能参加燃烧的部分称～。②化学不完全燃烧：由于空气供应量不足或燃料与空气混合不好而造成部分燃料未参加反应称～。(2)几个假设(3)几个基本概念3.3燃烧计算③空气过剩系数：通常实际供给的助燃空气量与按化学反应式计算出的燃料燃烧所需的空气量之比称～。的经验值如下：气体燃料：液体燃料：固体燃料：煤粉：3.3燃烧计算④火焰的气氛：根据燃烧产物的气氛性质，其燃烧后的火焰有氧化焰、中性焰和还原焰之分。氧化焰：>1，燃烧产物中有过剩的氧气O2。中性焰：，燃烧产物中没有过剩的氧气，也疫有未燃烧的CO、H2和CH4等可燃气体。还原焰：，燃烧产物中含有CO、H2和CH4等可燃气体。说明除特殊工艺需要外(如陶瓷制品的烧成)，燃烧的火焰一般都是氧化焰。3.3燃烧计算2、燃烧的分析计算法(固液体，气体)(掌握)(1)固体和液体燃料(掌握计算过程)已知燃料的收到基组成如下：燃料中可燃成分按下列氧化反应进行。过程如下3.3燃烧计算理论燃烧需氧量(Vo2o)理论空气需要量：(VaO)实际空气需要量：(Va)3.3燃烧计算理论烟气生成量：(VO)理论烟气量中：3.3燃烧计算实际烟气生成量：(V)当α>1时3.3燃烧计算烟气各组成量为：3.3燃烧计算当α<1时各烟气组成量：当α<1，表示缺少的空气量为

则缺少的氧气量为：假设因空气量不足，燃料中的H和S完全起反应，C一部分完全反应生成CO2，另一部分未完全反应而生成CO，则：3.3燃烧计算实际烟气的体积百分组成：以烟气中各组成气体的体积除以烟气的总体积。3.3燃烧计算(2)气体燃料(掌握)设气体燃料的体积百分组成(%)：CO、H2、CmHn、O2、CO2、H2O;其中可燃成分：CO、H2、H2S、CmHn可燃成分与氧反应式为：3.3燃烧计算理论空气需要量：实际空气需要量：理论烟气生成量：计算方法同前固液体实际烟气生成量：当α>1时，计算方法同前。当α>1时CO2、H2O和SO2与理论烟气中相同，仅N2量不同，此外还有过剩的O2。各烟气组成量：3.3燃烧计算当α<1时若煤气按比例燃烧，则：未燃煤气量，Nm3/Nm3燃烧生成的烟气量，Nm3/Nm3实际烟气生成量：说明以上项目计算统为干气体量，忽略其空气中水蒸汽含量。3.3燃烧计算3、燃料的近似计算法(理解)：燃料燃烧的理论空气量及烟气生成量与燃料的组成有关，而燃料的热值也与燃料的组成有关，则它们之间有内在的联系。按表4-15经验公式计算理论空气量和理论烟气量。4、估计空气量及烟气量(理解)：当燃料的化学组成及热值均不知道时，可按燃料的种类来粗略估计理论空气量及理论烟气量，表4-165、操作计算(掌握)：对正在运行的工业窑炉，可根据燃料及测出烟气组成计算出空气量和空气过剩系数。3.3燃烧计算其目的：了解燃料与空气的配比是否正常，分析燃烧操作是否合适等。(1)、实际烟气量和空气量的计算：已知燃料的组成和烟气组成，利用碳平衡，即燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的C，可计算烟气量；利用氮平衡，即燃料中的N2+空气中的N2=烟气中N2，可计算空气量。(2)、空气系数α的计算：方法：氧平衡法氮平衡法3.3燃烧计算氧平衡法实际需氧量理论需氧量=理论需氧量+过剩氧量理论需氧量完全燃烧时：见教材解释不完全燃烧时：烟气中仍有CO、H2、CH4和碳粒等可燃成分，则：3.3燃烧计算氮平衡法☃当固、液体燃料含氮量很少时，可略去，认为烟气中的氮含量就等于助燃空气中的氮含量。则上式为：烟气中的O2量减去与烟气中可燃物起反应的O2=过剩空气中的O2式中N2、O2、CO－烟气中各组成的百分含量3.3燃烧计算☃对氮含量很高的燃料不能忽略时，而干烟气中又有CO、H2、CmHn及O2时：为烟气中的O2量减去与烟气中可燃物起反应的O2量=过剩空气中的O2量式中N2、O2、CO、H2、CmHn

－烟气中各组成百分含量3.3燃烧计算(3)、漏入空气量的计算：测定窑内不同负压处的烟气组成，可计算出漏气量为：式中：—

漏入空气量，Nm3/hVaO

—

理论空气量，Nm3/Nm3或Nm3/kgQf

—

燃料量，Nm3/h或kg/hα1、α2—

不同测点处计算得的空气系数值(α2测点在后)3.3燃烧计算6、燃烧温度的计算(概念，分类，计算，改进)目的：为了保证物料或制品的煅烧的要求。燃料燃烧时放出热量，使燃烧产物的温度升高，此温度称为燃烧温度。分类量热计式燃烧温度理论燃烧温度实际燃烧温度掌握3.3燃烧计算（1）、量热计式燃烧温度：（tm）在绝热条件下，燃料燃烧放出的全部热量（燃料的显热及热值、助燃空气显热）均用于加热燃烧产物，并且不考虑燃烧产物在高温下的分解，此时所得燃烧产物的温度，叫～。式中：3.3燃烧计算（2）、理论燃烧温度：（tth）燃料燃烧放出的全部热量，补偿高温（>1600℃）时燃烧产物中部分CO2和H2O分解反应吸收掉的热量后，用于加热燃烧产物所得的温度，称～。CO2和H2O分解吸收的热量kJ/Nm3在一般硅酸盐窑炉中，燃烧产物温度下，CO2和H2O的分解量极小，可忽略，故上式或写成：3.3燃烧计算（3）、实际燃烧温度：（tp）燃料在燃烧室或窑内燃烧时，由于各种因素，收入的热量不能全部用来加热燃烧产物，则实际燃烧温度较理论燃烧温度低。散热灰渣带走热燃烧产物吸热3.3燃烧计算说明在实际操作过程中，tp较容易测定，Qch、Qml、Ql、Qa,s、Qm不易测定，因此，根据实际操作可得出不同窑炉的实际操作中总结出实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值—高温系数。3.3燃烧计算计算在计算理论燃烧温度时，由于烟气的平均比热C随温度的变化而变化，依上述公式计算时，须采用“试差法”。为了减少计算次数，可用“内插法”：即设t1—C1—Q1，若Q1>Q，另设较小的t2—C2—Q2,使Q2<Q，此时tth值必在t1与t2之间，则可求得tth,即：为了计算方便，为常使（t1-t2）差为100。计算过程通过物料和热平衡进行。基准：1kg或1Nm3燃料，温度：0℃3.3燃烧计算亦可用图解法：教材图4-3已知：t1、Q1得B点；t1、Q2得A点，联接AB线，由Q可找到tth。例4－7（4）、提高实际燃烧温度的途径(掌握)✿选用高发热量的燃料：✿控制适当的空气系数：✿预热空气或燃料：

✿减少向外界散热：（5）、空气预热温度的计算3.3燃烧计算当实际燃烧温度不能达到工艺要求时，常采用预热助燃空气来达到满足工艺要求。例4－83.5燃烧过程的基本理论主要介绍燃烧的分类及其燃烧有关基本概念。1、燃烧的概念及其分类：(掌握概念)燃烧是指燃料中可燃物与空气发生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随有强烈的发光现象。从燃烧的本质分可燃气体的燃烧固定碳的燃烧从燃烧的速度分正常燃烧爆炸性燃烧单相燃烧多相燃烧2、着火温度：

(掌握概念)(掌握概念)概念任何燃料的燃烧过程都有“着火”及“燃烧”两个阶段。在自然条件下的燃料会与空气中的氧起缓慢的氧化反应，并产生热量。如果散热条件不好，一部分热量会使燃料温度升高，使氧化反应加剧，当燃料温度升高到某一值时，氧化反应发生飞跃并发出火光，这种现象称为自然。由缓慢的氧化反应飞跃转变为剧烈氧化反应并发出火光的温度称着火温度。影响因素（气体的燃烧反应）设有一容器内盛有煤气与空气的混合物，氧化放热反应，单位时间内氧化放出的热量与单位时间内散失于外围热量与混合气体温度（T）的关系为：(掌握)3.5燃烧过程的基本理论2、着火温度：

(掌握概念)式中：将上二式绘成曲线，见教材图4-4。3.5燃烧过程的基本理论由图可知：Ⅰ—放热曲线：放热速率与温度的关系Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ—不同外围空气温度的散热曲线

混合气体温度：对于曲线Ⅰ和Ⅱ，A点是稳定点，因为当混合气体温度T>TA或T<TA时，放热速率大于散热速度及散热速率大于放热速率，则温度均不稳定。此时氧化反应速度低，属缓慢的氧化反应。B点是不稳定点，因为当混合气体温度T<TB或T>TB时，放热和散热速率均不相等，气体温度均要发生相应的变化。3.5燃烧过程的基本理论

周围介质温度：当周围介质温度TO↗TO/时，Ⅱ曲线右移，当到达Ⅲ曲线位置时，放热与散热速度相切，二者速度相等，则C点是稳定情况存在的极限点。当TO继续升高而且>TO/时，放热速度总是大于散热速率，温度升高，反应加速，发生自然现象。C点叫着火点，TC叫着火温度。结论着火温度不是一个定值；与燃料的组成及其参数、散热条件等有关。教材表4-203.5燃烧过程的基本理论3、着火浓度范围气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内才能着火燃烧，这一范围称着火浓度范围。在着火浓度范围内的可燃气体与空气的混合物，遇到明火时可能产生爆炸现象，所以着火浓度极限又叫爆炸极限。混合气体中可燃气体的含量低于下限或高于上限时，在一般情况下不会着火燃烧或爆炸。爆炸极限由实验测定。教材表4-214、固定炭的燃烧炭的燃烧是气-固两相反应的物理-化学过程。特点3.5燃烧过程的基本理论✌氧气扩散至炭粒表面；✌氧气与炭粒表面反应；✌生成物CO、CO2从表面炭粒扩散出来。过程机理（几种说法）✌氧气扩散至炭粒表面先氧化成CO2，当炭