锅炉与锅炉房设备第2章(4课时)

第2章燃料及燃料计算主要内容：燃料的化学成分1煤的燃烧特性2煤的分类3液体燃料4气体燃料5燃料的燃烧计算6锅炉烟气分析及其结果的应用7燃料成分与性质燃料的定义：

燃料是指从技术经济上讲适宜于用来获取大量热量的物质。燃料的分类：

一般可以将燃料分为两个大类：有机燃料和核子燃料，后者用于核反应堆，不属于常规能源的范畴，我们以下所说的燃料一般是指有机燃料。1.1.燃料的化学成分及其性质有机燃料：是指主要元素成分为碳和氢的物质，它在空气中燃烧时可以释放出大量的热量。最重要的有机燃料是化石燃料。所谓化石燃料是指埋藏在地下的远古生物的遗体，经过长期的地质作用所形成的物质，主要有煤、石油、天然气、油页岩和煤页岩，也包括石油伴生气和煤层气（瓦斯气），以及目前还难以开采的天然气水合物。生物质也是比较常见的有机燃料，主要是柴薪和各种农林废弃物，如甘蔗渣、稻壳、木屑、农作物秸秆等等。城市生活垃圾和某些工业废弃物中也含有可以燃烧的有机组分，适当处理后也可以看成一种有机燃料。燃料成分与性质有机燃料按照其状态可以分为三类：固体燃料、液体燃料和气体燃料。有机燃料的元素组成：有机燃料由有机物和无机物组成。有机组分一般含有碳C、氢H、氧O、氮N、硫S五种元素，而无机组分一般认为是由水分M和灰分A组成的，通常将以上七个组分称为有机燃料的元素组成。可燃基：高分子化合物，成分C,H,O,N,S惰性基：多种矿物质，灰分燃料成分与性质有机燃料的元素解析：碳C它是有机燃料中的最主要的可燃组分，在空气中完全燃烧时每千克碳可以放出32866千焦的热量，其完全燃烧产物是二氧化碳。氢H它是有机燃料中重要的可燃组分，在空气中完全燃烧时每千克氢可以放出120370千焦的热量，所以含氢较多的燃料一般发热量也较高，它的燃烧产物是水蒸气。燃料成分与性质氧O它存在于燃料的有机组分中，是一种不可燃组分。燃料有机组分中的氧元素和其它元素之间总是要由化学键连接起来，氧元素的存在必然会降低燃料的化学能，使得燃料的发热量下降，所以含氧量较多的燃料的发热量必然较低。氮N它也是存在于燃料的有机组分之中的不可燃组分。燃料中的氮在燃烧之后绝大部分转化成氮气，少部分经过复杂的中间过程生成各种氮的氧化物即NOX（主要是NO），烟气中这部分NOX称为燃料型NOX。燃料成分与性质硫S硫也是一种可燃组分，每千克单质硫燃烧生成二氧化硫时可以释放出的热量。燃料中的硫可以存在于有机组分和无机组分中，分别称为有机硫和无机硫。有机硫以硫醚、噻吩或其它形式存在于燃料有机质的大分子中，燃烧之后被氧化成硫的氧化物（SO2或SO3，统称SOX）。无机硫有两种存在形式，分别为硫铁矿和硫酸盐，相应地称作硫铁矿硫和硫酸盐硫，其中硫铁矿中的硫份在燃烧过程中生成SOX进入烟气，硫酸盐根据燃烧条件可以分解释放出SOX或者维持原型进入灰渣。燃料成分与性质硫S硫份是燃料中最为有害的成分。燃烧过程中生成的SOX进入烟气之后，会对后续的受热面产生腐蚀，并且是受热面上产生粘结性积灰的重要原因之一，所以燃料中的硫份对于设备的工作有严重的不利影响。另外，有机燃料的燃烧产生的SOX也是我国大气污染最大的污染源。燃料成分与性质水分M(Moisture)燃料中的水分有多种可能的赋存方式。

存在于燃料中的游离水分称为外在水分，外在水分的含量极其不稳定，容易随着环境条件的变化而变化；以表面力或其它方式吸附或凝聚在微孔隙之中的水分称为内在水分，它相对比较稳定，只有在燃料受热时才会释放出来；以结晶水的方式存在于矿物质中的水分称为结晶水。通常所说的燃料的水分不包括结晶水。燃料成分与性质水分M(Moisture)水分对燃料的燃烧过程有多方面的影响。燃料受热后，所含水分的蒸发过程需要吸收大量的热量，所以含水量较高的燃料着火比较困难，这是水分的有害的方面；但是，水分的团聚作用可以降低火床燃烧过程的飞灰量，更重要的是，烟气中的水蒸汽可能直接或间接地参与燃烧反应，这是其有利的方面。燃料所含的水分在燃烧过程中以蒸汽状态进入烟气，所以燃料的含水量影响到烟气中水蒸汽的含量，从而影响到烟气的性质，进一步影响到受热面的工作过程，包括辐射传热和对流传热过程，以及受热面的腐蚀和积灰等。燃料成分与性质灰分A(Ash)燃料的无机组分中，除了水分之外，就是各种矿物质，它在灼烧之后是各种氧化物的混合物，常见的组分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、V2O5等等，其中SiO2和Al2O3是酸性组分，其余为碱性组分。矿物质基本上是不可燃组分，被视作燃料中的杂质，含矿物质多的燃料常常称为劣质燃料。燃料成分与性质灰分A(Ash)燃料中的灰分是指燃料灼烧之后的剩余物，所以严格地讲，灰分和矿物质并不完全是同一个概念，因为燃料的矿物质中的结晶水在灼烧之后可能消失，碳酸盐也可能在灼烧过程中分解，某些矿物质也可能在灼烧过程中升华（比如Na2O、K2O、V2O5等组分在800℃以上即可升华，这些组分通常称作升华灰）。煤的灰分一般采用灼烧失重法来测定，为了尽量减小测定结果与煤中固有矿物质之间的差别，同时为了减小水分和挥发份的析出带走部分样品，所以灰分的测定过程应当严格控制升温速度和灼烧温度，并且保证足够多的灼烧时间以使得残碳完全燃尽。燃料成分与性质灰分A(Ash)灰分对锅炉的工作过程有着非常深刻的影响。首先，燃烧过程的几个重要指标，比如着火性能、燃烧速度、燃尽率等等，在很大程度上受到灰分含量和组成的某种限制；其次，灰分还决定着炉膛结渣过程和受热面积灰过程；最后，灰分中的某些组分可能参与受热面的烟气侧腐蚀过程和磨损过程，所以必须要对燃料中的灰分含量和性质给予足够的重视。燃料成分与性质灰分A(Ash)燃料中灰分的来源有多种途径。成煤植物中所含的矿物质、成煤过程中地下水和微生物带入的矿物质是煤中固有的，这部分灰分在煤中基本呈现均匀分布，称之为内在灰分；另外，在燃料的开采、加工、运输、存储等环节，可能混入各种杂质，这部分灰分称为外在灰分。一般，燃料的内在灰分的含量比较稳定，而外在灰分的含量会随着外界的条件的不同而波动。燃料成分与性质燃料的成分表达基准：如上所述，燃料中的有机组分基本是稳定的，但是无机组分的含量则是不稳定的，尤其是外在水分和外在灰分在不同的场合可能会有较大的变化，这就对燃料组分的定量描述带来不确定性，所以在对燃料的组分进行表达时，首先应当明确的就是采用何种基准，也就是说，应当指明样品的制备条件。燃料成分与性质收到基指以实际被使用的燃料作为成分基准，又称应用基。燃料的收到基成分是设计计算和运行校核的依据。收到基成分用下标“ar”表示，即：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100(%)其中，Car表示燃料中碳占有的质量份额，它是一个百分数，通常在燃料的成分表示中约定将百分号约去，比如“某燃料Car=58”的含义是：该燃料的收到基碳份为58%，余此类推。燃料成分与性质空气干燥基指实验室中以温度为60℃、相对湿度60%的空气对燃料进行风干后制取的样品作为成分基准，又称分析基。燃料的分析基成分可以比收到基更稳定地表示燃料的成分，它基本排除了外在水分的波动对成分表达的影响，常用于在实验室中用于描述燃料。分析基成分，用下标“ad”表示，即：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100(%)燃料成分与性质干燥基指以除去所有水分的燃料样品作为成分基准，它完全排除了水分对成分表达的干扰。燃料的干燥基成分常用于表达燃料的灰分含量。干燥基成分用下标“d”表示，即：

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100(%)无水无烟基指以除去了所有水分和灰分的样品作为成分基准，又称可燃基。无水无灰基以下标“daf”表示，即：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100(%)燃料成分与性质基准之间的换算：同一种燃料，可以用不同的基准来表达，不同的基准之间可以通过等比关系加以换算。比如，某种燃料的成分用收到基和空气干燥基表达分别为：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100由于两个基准之间的差别仅在于水分，将上面二式移项：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar=100-Mar

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad=100-Mad

这二式的左侧具有完全相同的组成，则以等式的右侧为基准时各组分的含量应当相同，所以有：燃料成分与性质基准之间的换算：所以，收到基和空气干燥基的碳份之间有如下的换算关系：其它组分之间也有完全相同的关系，所以称为收到基和空气干燥基之间的基间换算系数。使用相同的方法，可以得出任意两个基准之间的换算系数。燃料成分与性质换算例题：例：已知某种固体燃料，该燃料在实验室中的分析结果为空气干燥基碳分和水分分别为60%和10%;现场取样分析得到该燃料的收到基水分为15%，现欲求取该燃料的收到基碳分。解：通过换算系数有燃料成分与性质燃料的发热量的定义：

关于燃料发热量的定义有以下一种解释，请大家注意分析其正确性发热量是指单位质量（对于气体燃料，指单位体积）的燃料在完全燃烧之后将燃烧产物冷却到燃烧前的温度所释放出的热量，又称作燃料的热值。它的国际标准单位为“千焦/千克”（kJ/kg），对于气体燃料为“千焦/标米立方”（kJ/Nm3）。燃料的发热量是燃料最重要的经济性指标。煤的燃烧特性1.2.煤的燃烧特性燃料的发热量的定义：上述发热量的定义很不严密，至少可以有三种不同的解释：1、没有指定燃烧过程的条件：如果燃烧过程是定容过程，对应的发热量称作恒容发热量；如果燃烧过程是定压过程，对应的发热量称为恒压发热量；2、未说明燃烧产物中水的状态：根据燃烧产物中水的状态，又可以将发热量分为高位发热量（又称为毛热值）和低位发热量（又称为净热值），前者指烟气被冷却到燃烧前的温度时，其中的水分以液态的方式存在，后者指水分以水蒸气的方式存在，二者之间相差烟气中所含的水蒸汽的凝结潜热；3、燃料的发热量还应当指明所用的样品的基准。煤的燃烧特性燃料的发热量的定义：所以表示燃料的发热量时，一定要指明燃烧过程特征、燃料的基准和燃烧产物中水的状态这三个条件，符号表达中将这三个条件以下标的方式注明，例如：Qnet,p,ar——表示燃料的收到基恒压低位发热量；Qgross,v,ad——表示燃料的空气干燥基恒容高位发热量。使用氧弹量热计对燃料进行发热量测定，得到的是燃料的空气干燥基恒容高位发热量。我国的国家标准规定：热工计算涉及燃料的热值时，以收到基恒容低位发热量为准。煤的燃烧特性同位之间的发热量换算：根据定义可知，同位异基之间的发热量的换算可以直接使用基间换算系数。同基之间的发热量换算：根据定义，同基之间高位发热量和低位发热量之差等于烟气中所含水分的凝结潜热。燃料燃烧生成的烟气中的水分有两个来源：燃料中的氢元素生成的水分和燃料中的水分蒸发生成的水分。由于每千克氢生成9千克水，所以每千克燃料生成的烟气中，所含水分的质量为：千克则有煤的燃烧特性式中，r为水蒸气的凝结比潜热，它的大小取决于燃烧产物的压力。我国的标准规定，热值换算时，统一取r=2512kJ/kg。异基异位之间的发热量换算：这种换算可以分两步进行：先进行同基异位之间的换算，再进行同位异基之间的换算。异位同基换算关系：煤的燃烧特性

对于高位发热量来说，水分只是占据了质量的已定份儿而使发热量降低；对于低位发热量，水分不仅占据了质量的一定份额，而且还要吸收汽化潜热。因此高位异基可利用表2-1进行换算。

对于低位发热量则不然，必须要考虑烟气中全部水蒸汽的汽化潜热，低位异基利用表2-2进行换算。煤的燃烧特性例题：实验室中测得某燃料的空气干燥基恒容毛热值为21000kJ/kg，空气干燥基水分为8%，氢分为4%；现场取样测得收到基水分为12%，求该燃料的收到基恒容净热值。已知:Qgr,v,ad=21000,Mad=8%,Had=4%,Mar=12%解：（1）（2）煤的燃烧特性二、煤的工业分析元素分析成分反映了燃料的元素组成，但是元素分析的设备和操作过程都很复杂，普通用户难以进行，而且元素分析所得的数据并不能有效地反映出它的实际燃烧特征。为此，本着简单实用的原则，将煤看成是由水分、灰分和可燃质组成的混合物，一、煤在炉内加热燃烧过程1．预热和干燥2．挥发物的逸出3．焦炭的形成4．灰渣的形成煤的燃烧特性而对可燃质不用元素组成来描述，而是看作是由挥发分V和固定碳FC组成的，用这种方式描述的煤组成称为煤的工业分析成分，即：V+FC+A+M=100（%）煤的工业分析包括：1、工业分析成分的测定；2、粘结性的测定；3、灰的熔融性的测定；4、煤的可磨性指数的测定；5、其他性质的测定（比如冲蚀指数等）。煤的燃烧特性挥发分V：挥发分被定义为：煤在受热时，在释放出水蒸气之后，继续释放出的那部分气相产物；而固定碳则被定义为除了挥发f分之外的那部分可燃质。确切地讲，挥发份和固定碳并不是煤的固有成分，而是煤炭使用过程中表现出的一种性能参数。组成：

挥发份是气相混合物，具体组成与煤种和加热条件相关，它一般由CO、CO2、H2、N2以及各种烃类组成，是煤炭的有机大分子裂解后的气相产物，挥发份的高低表征着煤炭的着火性能的好坏，是一个非常重要的参数，通常用无水无灰基的挥发分Vdaf来加以描述。煤的燃烧特性挥发分的测定：挥发分并不是煤中的固有组分，它是在使用过程中表现出来的，所以挥发分的大小与受热条件密切相关。为了得到统一的、可以比较的挥发分含量的数据，必须对受热条件作出统一的规定。国家标准对于煤的挥发物测定作了如下限定：挥发份的测定在箱式电炉中进行，炉温事先预热915℃，然后在天平上秤取1克左右的粒度小于1mm的煤样置于特制的带盖坩埚中，打开炉门将坩埚置于炉内，并快速关闭炉门，开始计时到7分钟时取出坩埚，在干燥皿中冷却后秤重。煤样失去的质量占煤样的份额即为挥发份和水分的和。煤的燃烧特性挥发分的意义：煤的挥发分含量只是在规定条件下的测定结果，这个结果可以用于煤种之间的比较，但是这个结果并不能代表煤在实际燃烧过程中释放的气相产物，事实上，实际燃烧过程中，煤炭释放的气相产物的多少是与升温速度和其它许多因素相关的。由于燃烧过程中，气相可燃物的反应速度远大于固相可燃物，所以挥发份的高低直接影响到煤的燃烧性能，尤其是着火性能。煤的燃烧特性固定碳FC：固定碳指煤中除了水分、灰分和挥发份之外的剩余组分，所以在测定了以上三个组分的含量之后，就可以计算出煤中的固定碳含量，而不需要测定。工业分析与元素分析的比较：

有机组分

无机组分

FCV

A

M

CHONSAM煤的燃烧特性煤的粘结性（焦结性）：按照标准规定的方法进行挥发分测定之后，坩埚中的剩余物是灰分和固定碳的混合物，称为焦渣。不同的煤具有不同的焦渣特性，又称为煤的粘结性。按照挥发物测定的剩余物的形态，可以将焦渣分为8种。煤的燃烧特性粘结性的分类：1、粉状2、粘着3、弱粘结4、粘结5、弱膨胀粘结6、不熔融膨胀粘结7、弱熔融膨胀粘结8、强膨胀熔融粘结煤的燃烧特性粘结性的意义：煤的粘结性对实际的锅炉工作过程有重要影响，主要表现在：粘结性强的煤种十分容易在受热之后结焦，也就是煤的颗粒之间相互粘结在一起而形成大的“焦块”，火床燃烧时破坏燃料层的通风，火室燃烧时在燃烧器出口或炉墙上形成大的焦渣。煤的燃烧特性灰的熔融性：煤在燃烧过程中，必然要经受高温，而煤中的灰分一旦在高温条件下发生熔化，就会对锅炉的工作过程产生十分不利的影响，主要表现在两个方面：1）熔融的灰分将煤粒包裹起来，阻隔了可燃质与氧气的接触，从而造成可燃质无法燃尽的后果这种现象称为“裹灰”。2）熔融的灰分结成大块的现象称为“结渣”。炉墙上结渣会破坏炉膛传热过程甚至引发严重事故；火床炉的床层内结渣，会破坏床层的通风工况。煤的燃烧特性灰熔点：表征灰的熔融性的指标是灰熔点，它指的是煤中的灰分发生“固-液”相变时对应的温度。但是，煤中的灰分是多组分的混合物，它并不象晶体那样具有固定的熔点，它的相变过程是在一个温度范围内发生的，所以灰熔点只能以几个特征温度来描述。煤的燃烧特性灰熔点的测定：将灰分测定后所得的灰样在模具内压制成底边为正三角形的灰锥，底边边长为7毫米，灰锥高度为21毫米，置于托盘上送入管式电炉中缓慢升温，观察灰锥形态变化与温度的对应关系，从而得到三个特征温度：变型温度t1、软化温度t2和熔化温度t3,这三个温度就用来代表灰熔点。煤的燃烧特性特征温度：三个特征温度与灰锥形态的对应关系为：

灰锥

t1t2t3煤的可磨性指数：煤粉锅炉使用的燃料形态是煤粉，煤的可磨性指数是指在实验室内的一个标准磨煤机中样品的制粉电耗与参比煤样的制粉电耗的比值。它是制粉系统设计的重要依据。煤的燃烧特性煤炭分类方法：按干燥无灰基挥发分多少，也即接近于按煤的煤化程度对煤进行分类，可以分为褐煤煤化程度较低，Vdaf可达37%-50%，容易着火，但吸水能力较强。其内部杂质和外部杂质都多，碳含量Car在40%-50%，发热量不高，一般在1150-2100kJ/kg。2.烟煤碳含量高，挥发分也多，Vdaf>20%-40%，易着火和燃烧，灰分和水分较少，发热量较高。烟煤呈黑色，质地松软，具有一定光泽，燃烧时多烟，是自然界分布最广和最多的品种。1.3.煤的分类煤的分类3.贫煤其煤化程度低于无烟煤，其挥发分Vdaf>10%-20%.和烟煤相比，较难着火和燃烧，发热量介于无烟煤和一般烟煤之间。4.无烟煤俗称白煤，煤化程度最高，挥发分含量最少，Vdaf<10%;碳含量最高，最高的干燥无灰基碳含量达95%-98%，着火困难，发热量一般较高,可达6000-6500kJ/kg。煤的分类煤的分类：煤的分类工业锅炉用煤的分类：我国的工业锅炉用煤以挥发份为一级指标，将煤分为褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤四个大类，另外加上高灰分的煤矸石（称为石煤），组成了五个大类煤种。以发热量和灰分为二级分类指标，再将石煤、烟煤和无烟煤各分为三个类别，总共有11个小类。煤的分类工业锅炉煤质分类表：煤的分类锅炉用液体燃料主要有两类：重油（燃料代号YZ）和轻油（一般指柴油，燃料代号YQ）。液体燃料的主要性能指标有：热值、粘度、含硫量、机械杂质含量、闪点、凝固点等。凝固点：一般指液体燃料失去流动性时对应的温度，它对燃料的储运有极其重要的影响。（例如重油为22-36摄氏度）1.4.液体燃料液体燃料黏度：黏度是液体燃料使用过程中涉及的最为重要的指标，它不仅影响到燃料的储存和输运，更重要的是影响到燃烧时的雾化性能。黏度有两种：绝对黏度（单位为mm2/s)和条件黏度。条件黏度是在实验室条件下采用某种方法测得的黏度，常用的条件黏度有恩氏粘度（无量纲，符号为0E）、雷氏黏度（单位为秒）、赛氏黏度（单位为秒）等，我国常用恩氏黏度。液体燃料的黏度与温度的关系密切，一般可以通过提高温度的方法来降低黏度。液体燃料液体燃料的牌号：

重油：一般用50℃时的恩氏粘度的数值来表示重油的牌号，常见的牌号比如20号、50号、100号、200号重油等等。

轻油：一般用凝固点来表示柴油的牌号，常用的有10号、0号、-10号等等。液体燃料锅炉用气体燃料主要有：天然气（燃料代号QT）、高炉煤气、焦炉煤气、城市煤气、煤层气、液化石油气等等。气体燃料几乎不含灰分，对锅炉的工作十分有利。气体燃料之间的热值相差很大。高热值的石油液化气和天然气是优质的气体燃料，低热值的高炉煤气是劣质的气体燃料。1.5.气体燃料气体燃料气体燃料的特点：基本无公害，有利保护环境只含有少量硫分和灰分，经脱硫后硫分污染忽略不计。运输方便，使用性能优越管道运输，无运输和存储过程中有害物泄漏、粉尘污染和噪声污染；更易于空气混合，可提高锅炉燃烧效率。易于燃烧调节燃烧器具有跟踪并迅速适应和满足锅炉负荷变换的特点。其他燃料：生物质燃料：主要是农林产品的加工废弃物，比如甘蔗渣（燃料代号G）、稻壳（燃料代号D）、木屑（燃料代号M）等等。人工燃料：比如水煤浆、油煤浆等等。工业废弃物：含有可燃质的工业废气、废液等，比如造纸黑液。可燃固体废弃物：比如城市垃圾等。气体燃料1.6.燃料的燃烧计算理论空气量计算实际空气量计算理论烟气量计算实际烟气量计算空气与烟气焓计算温焓表燃烧计算理论空气量（Vko）的计算：定义：单位质量（对于气体燃料为单位体积）燃料完全燃烧时所需要的最小空气体积，单位为Nm3/kg(对于气体燃料为Nm3/Nm3）。计算：依照化学反应当量比，得：燃烧计算燃烧所需的空气量计算实际空气量（Vk）的计算：指实际参与燃烧得空气量。定义：实际参与燃烧得空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，即：则：实际空气量可以表达为：其中（Vk-Vko）被称为过量空气。燃烧计算理论烟气量（Vyo）的计算：定义：指过量空气系数为1的条件下单位质量（或体积）的燃料完全燃烧所生成的烟气量。根据定义和化学反应当量比，可得理论烟气量得计算式：燃烧计算燃烧生成的烟气量计算实际烟气量（Vy）的计算：定义：指实际燃烧条件下（过量空气系数大于1）的单位质量（或体积）的燃料完全燃烧所生成的烟气量。根据定义，可得实际烟气量的计算式：燃烧计算理论空气焓（Iko）的计算：定义为