煤的燃烧基本理论

第一部分

煤的燃烧基本理论

河北联合大学裴秀娟

2013.8主要内容§1-1煤的种类和组成§1-2煤的发热量§1-3燃烧计算§1-4煤燃烧的基本理论§1-1煤的种类和组成

一、煤的种类和特点按其挥发分含量，煤可分为褐煤、烟煤和无烟煤三类。1.褐煤

性质：刚开采出的褐煤的水分约为20～40％，风干后为12～3％，Ad=0.5％～50％，发热量约为1300～17000kJ/kg。用途：制造煤气，锅炉燃料。褐煤的煤化程度低，外观多呈褐色，光泽暗淡，含有较高的内在水分和不同数量的腐殖酸，热值低。煤种褐煤烟煤无烟煤Vdaf/％＞3710～45＜10挥发分含量高、灰分及水分较少，发热量高。可分为贫煤、焦煤、肥煤、气煤等。2.烟煤性质：挥发分10％～45％，固定碳35％～75％，灰分7～30％；水分3～18％；发热量21000～29000kJ/kg；着火温度400～500℃。用途：适合于作水泥回转窑燃料。3.无烟煤性质：固定碳含量高，可达90％以上；挥发分少，一般小于10％；水分和灰分一般也较低；发热量一般为25000～29000

kJ/kg；着火温度较高，一般为650～700℃。用途：现国内一些企业已成功采用无烟煤作为回转窑燃料，对提高水泥企业经济效益效果显著。挥发份含量低，燃点较高，燃烧时没有粘结性。二、煤的组成及其表示方法

(一)元素分析法

即用元素表示燃料组成的分析方法。1.组成：主要包括C、H、S、O、N等五种元素和灰分(A)、水分(M)。CC+O2

煤中含量最多的可燃元素，一般含量为15～99%可燃氢(净氢)：与碳和硫相结合的氢不燃氢：与氧相结合的氢H2H2+O2=2H2OCO2

COS可燃组分

S

+O2=SO2燃烧产物对设备及环境有害M(moisture)不燃组分，降低煤的品质★灰分，可燃成分，发热量

★灰分，燃烧速度及燃烧温度

A(ash)灰分是指煤中不能燃烧的矿物杂质O、N不可燃组分，降低了煤的燃烧能力

元素分析中的S、O、N、A、M

均为煤的有害成分。2.组成的表示方法由于煤的开采、运输和贮存的条件不同，因此煤的组成往往有较大的变动，故表示煤的组成时，必须说明所选煤的基准。表示煤的组成的常用基准有：(1)收到基：actualyreceivedCar％+Har％+Sar％+Oar％+Nar％+Aar％+Mar％=100％

即

注：在煤的燃烧计算中必须用此基准的组成。指实际使用的煤的组成，用下角标“ar”表示。Mar外在水(Mar,f)：在干燥过程中逸出的水分。（free）内在水(Mar,inh)：空气干状态下残留在煤中的水分。(inherent)Mar=Mar,inh+Mar,f但是，Mar,inh≠Mad

(2)空气干燥基（又称为分析基）:Cad％+Had％+Sad％+Oad％+Nad％+Aad％+Mad％=100％指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成，用下角标“ad”表示。airdried

即

注：将煤样在20℃和相对湿度为70%的空气中连续干燥1h后质量变化不超过0.1%的煤样即指绝对干燥的煤的组成，用下角标“d”表示。(dry)Cd％+Hd％+Sd％+Od％+Nd％+Ad％=100％(3)干燥基：这种基准的组成不受开采、运输和贮存过程中水分变化的影响。指无水无灰的煤的组成，用下角标“daf”表示。Cdaf％+Hdaf％+Sdaf％+Odaf％+Ndaf％=100％(4)干燥无灰基：driedash-free

一般地，同一矿井的煤，干燥无灰基的组成不会发生很大的变化，因此，煤矿的煤质资料常以此基准表示。

HONSACM干燥无灰基干燥基空气干燥基收到基Mar.fMar,in3.组成的换算

已知“基”所要换算的“基”收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基1111燃料组成的换算系数

(二)工业分析法

1.组成：

包括挥发分(V)、固定炭(FC)、水分(M)和灰分(A)。volatile-ness

fixed

2.分析方法：采用称重法。

试样称重(m1)110℃称重(m2)900℃干馏7min称重(m3)燃烧称重(m4)则：§1-2煤的发热量（热值）定义：单位质量的煤完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度(20℃)时所放出的热量，kJ/kg。高位发热量(Qgr)：指燃烧产物中的水蒸气全部凝结为20℃液态水时的发热量。(gross—总的

)低位发热量(Qnet)：指燃烧产物中的水以20℃蒸气存在时的发热量。(net—实得的)

根据产物中水的状态分为：实际上，Qnet更接近于实际，因此，燃烧计算中用Qnet。不特指时发热量一般均指Qnet。一、发热量（热值）的概念二、发热量的测定和计算1.发热量的测定

对于固、液体燃料，用氧弹量热计测定。2.发热量的计算

根据煤的组成，可用经验公式计算发热量。(1)当已知燃料的元素分析值时，经验公式为：

Qnet,ar=339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar

(2)当只有燃料的工业分析资料时：Qnet,ad=Ko-360Mad-385Aad-100Vad

无烟煤（Vdaf≤10％

）：Ko根据查下表Ko与的关系Vdaf

(%)≤3.0>3.0～5.5>5.5～8.0>8.0Ko34300348003520035600a和b的取值与煤的干燥基灰分有关，如下表。Ad(%)30～4025～3020～2515～2010～15≤10a0.800.850.950.800.900.95b0.100.100.10000

烟煤（Vdaf>10％）：Qnet,ad=100K1-(K1+25.12)(Mad+Aad)-12.56Vad

K1—系数，随Vdaf

及焦油特征而异。三、标准燃料换算：标准煤：Qnet,ar=29270kJ/kg=7000kcal/kg标准油：Qnet,ar=41820kJ/kg=10000kcal/kg标准气：Qnet,ar=41820kJ/Nm3

=10000kcal/Nm3人为规定，标准燃料的低位发热量为：作用：便于统计和评比产品的燃料消耗量。1.煤的热值越大越好，灰分越低越好，这样可以有利于达到要求的火焰温度。窑型干燥基灰分(Ad)/%干燥基挥发分(Vd)

/%干燥基低位热值(Qnet,d)

/kJ/kg干法窑＜2518~30＞23000四、回转窑用煤的质量要求2.

挥发分要求：Vd=18～30%。若煤的挥发分过低(＜18%)，着火缓慢，形成的黑火头过长，使高温部分火焰变短，影响熟料质量；若挥发分过高(＞30%)，火焰变长，同时在对煤进行烘干时，会有一部分挥发分溢出，造成浪费。注意：当采取有效措施（如提高二次风温度、调整煤粉细度等）改善燃烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。煤粉在窑内燃烧形成火焰过程示意图黑火头§1-3燃烧计算一、计算的目的、内容与基本概念

(一)目的

为了设计窑炉的需要；为了操作窑炉的需要。(二)计算内容

1.空气量的计算：鼓风机选型计算的依据。2.烟气量的计算：排风机选型、烟囱、烟道等计算的依据。3.烟气成分的计算：烟气密度的计算依据。5.燃烧温度的计算：燃耗的计算依据，并分析影响因素，改进燃烧条

件，提高燃烧温度。4.空气系数的计算：判断燃烧操作情况。(三)计算中的假设条件

(1)计算所涉及的气体均为理想气体，即22.4Nm3/kmol；(2)空气中只有O2和N2，并且体积比为O2∶N2=21∶79；(3)计算温度的基准点是0℃。(四)基本概念

1.完全燃烧：燃料中的可燃成分与空气中的氧气反应生成最终产物。（C—CO2、H—H2O、S—SO2)

2.不完全燃烧：燃料中的可燃成分没有被完全氧化为最终产物。机械不完全燃烧：由于机械设备原因或机械操作不当而使燃料产生的不完全燃烧。化学不完全燃烧：由于空气不足或燃料与空气混合不好而

造成燃料不完全燃烧。危害：燃料损失，燃烧温度降低，影响炉内气氛和产品质量。4.理论空气量()：单位质量的煤在理论上完全燃烧时所需的空气量。5.实际空气量(Va)：单位质量的煤燃烧时实际需要的空气量。3.理论需氧量()：单位质量的煤在理论上完全燃烧时所需的氧气量，Nm3/kg。6.空气系数()：实际空气量与理论空气量的比值。数学表达式为：

影响因素(1)与煤的组成及细度有关；(2)与煤粉喷嘴的种类及结构有关。

水泥回转窑煤粉燃烧的空气系数一般为：＝1.05～1.15。7.理论烟气量(Vo)：用使单位质量的煤完全燃烧时产生的烟气量。8.实际烟气量(V)：用Va使单位质量的煤燃烧时产生的烟气量。在窑炉设计及操作中的意义：

(1)选择合理的空气系数有利于提高燃烧温度。这是因为即保证了燃料的充分燃烧，又使生成的烟气量尽可能少。(2)

控制空气系数是控制烧成气氛的保证。(3)影响气体流动。当空气系数较大时，烟气量增大，则气体流速增大，阻力损失也随之增加。(4)对传热的影响。空气系数越大，则烟气中的CO2、H2O的含量相对降低，即分压减小，因此辐射力降低。烧氧化焰时，>1烧中性焰时，≈1烧还原焰时，<1(5)影响热利用率。空气系数越大，产生的烟气量增大，则烟气离窑时带走的热损失增加。二、空气量、烟气量及烟气组成的计算

(一)分析计算法

条件：已知煤粉的元素分析组成。

组成：Car

、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar

计算基准：1kg煤粉。1.空气量的计算

燃烧反应：理论需氧量：(1)理论需氧量的计算：

计算式：

Nm3/kg(2)理论空气量的计算：

(4)实际空气量的计算：

(3)理论湿空气量的计算：若空气的湿含量为xkg水蒸气/kg干空气

2.烟气量及烟气组成的计算(1)理论烟气量的计算：

理论烟气组成：

CO2、SO2、H2O和N2CO2来源于C的燃烧，即：SO2来源于S的燃烧，即：H2O来源于H的燃烧和燃料中的水，即N2来源于燃料和空气，即理论烟气量：(2)实际烟气量及烟气组成的计算：

当>1时，实际烟气量计算式为：

实际烟气中各组成量的计算：其他组分的计算类似(二)近似计算法

条件：已知煤的种类及低位发热量。(三)估算法

条件：只知道煤的种类。方法：先估算出Vao及Vo

；再取值，计算出Va及V。经验公式：方法：利用经验公式计算Vao及Vo

；再取值，计算Va及V。Nm3/kgNm3/kg对于烟煤：Vao=6～8Nm3/kg，Vo=6.5～8.5Nm3/kg。N2、O2、CO均为烟气中含量

计算公式：条件：已知烟气的组成。(四)操作计算法

计算目的：检测窑炉工作是否正常，分析煤的燃烧操作是否得当。1.空气系数()的计算2.漏入空气量的计算测定窑炉系统内不同负压处的烟气组成，则两测量点之间漏入空气量的计算式为：Nm3/h燃料量，kg/h不同测点处计算所得的空气系，其中2测点在后

三、燃烧温度的计算

定义：燃料燃烧时，燃烧产物的温度叫燃烧温度。分为：理论燃烧温度和实际燃烧温度。燃烧过程中热量收支情况（基准：1kg煤粉，0℃)：

收入热量：

①煤的低位发热量，Qnet

；②煤带入的物理热，Qf=cftf

；③空气带入的物理热，Qa=Vacata

支出热量：

①烟气所含的物理热，Q=V

ctp

；②传给周围物体的热量，Ql

；③机械不完全燃烧的热损失，Qml；④化学不完全燃烧的热损失，Qch

；⑤烟气中部分CO2和H2O在高温下分解消耗的热量，Qdi

；⑥灰渣带走的物理热，Qa,s

。列热量平衡：

烟气燃料空气(一)理论燃烧温度(tth)(theoreticaicombustiontemperture)

定义：燃料在绝热系统中完全燃烧放出的热量，只考虑烟气中部分CO2和H2O在高温(>1600℃)下分解消耗的热量时，所得燃烧产物的温度。燃烧过程中的热平衡式为：

Qnet+Qf+Qa=Q+Qdi

∴有

在水泥工业窑炉内的燃烧温度下，CO2和H2O分解的量极小，故Qdi可忽略，则有：(二)实际燃烧温度(tp)

(practicalcombustiontemperture)定义：燃料燃烧时，燃烧产物的实际温度。

燃烧过程中的热平衡式为：

Qnet+Qf+Qa=Q+Ql+Qml+Qch+Qdi+Qa,s

∴有

(三)窑炉的高温系数()定义：实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值。数学式为：

对于水泥回转窑，=0.70～0.75。由于Ql、Qml、Qch、Qdi、Qa,s

等不易获得，因此tp无法直接计算tp，而是通过计算理论燃烧温度(tth)、选取值，再求出tp值。(四)提高实际燃烧温度的途径由分析得

：1.选取Qnet

高而烟气量V小的燃料。但是当Qnet

的提高与烟气量V增加速度相对应时，Qnet对tp效果不明显。2.控制适当的空气系数。即在保证燃料完全燃烧的前提下，采用最小的值。3.预热助燃空气，。4.富氧燃烧。使Va

，则V

。5.减少散热损失，加强窑体保温。一般一次风不预热，因此其用量不宜过多。从燃烧的角度分析，各种燃料的燃烧均可归纳为可燃气体和固态炭的燃烧。一、着火温度任何燃料的燃烧过程，都有“着火”和“燃烧”两个基本阶段。定义：由缓慢的氧化反应转化为剧烈的氧化反应(燃烧)的瞬间叫着火，

转变时的最低温度叫着火温度。燃烧的条件：除了要有燃料、空气外，尚需达到燃烧所需的最低温度——着火温度。§1-4煤燃烧的基本理论燃烧：指燃料中的可燃物与空气中的氧气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随有强烈的发光现象。固定炭的着火温度低于可燃气体的着火温度。固定炭的燃烧速度低于可燃气体的燃烧速度。二、固态炭的燃烧

C的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合。要使C迅速燃烧，O2必须扩散至C表面，在高温下与C氧化生成碳氧化物，然后这些碳氧化物必须迅速从C表面扩散出去，以使新的O2再扩散至C表面。炭O2碳氧化物碳燃烧速度与化学反应速度与扩散速度有关。一般地(1)当温度<800℃时，化学反应速度<扩散速度，此阶段总反应速度由化学反应速度控制，称为动力燃烧区；(2)当温度为800～1000℃时，化学反应速度与扩散速度相当，总反应速度由化学反应速度和扩散速度共同控制，此阶段称为过渡区；(3)当温度>1000℃时，化学反应速度>扩散速度，此阶段总反应速度则由扩散速度控制，称为扩散燃烧区。在水泥工业窑炉中，固态炭的燃烧一般在扩散燃烧区内进行。固定炭燃烧速度的影响因素碳的氧化反应速度氧气、燃烧产物扩散速度碳粒的形状煤与空气的混合程度表面温度<800℃时，为动力燃烧表面温度>1000℃时，为扩散燃烧强化碳燃烧的主要方法：增大空气与煤的接触面积、加强煤与空气的混合。煤粉愈细，或在喷煤管内加装风翅，以加强煤与空气的混合，或提高一、二次空气的温度，均能提高燃烧速度，而使火焰短。

OCH4+OCH4O+O2H2OH2OCH4O2HCOOHHCHO+O2CO+OCO2O--------------------------以CH4的燃烧为例，其过程如下：三、可燃气体的燃烧

主要反应机理是按链锁反应进行。连锁反应的产生必须要有链锁刺激物(中间活性物)存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞，气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。可燃气体燃烧的特点：存在延迟着火现象。延迟着火：可燃气体与空气混合并加热到着火温度之后，要经过一定的感应期后，才能迅速燃烧。延迟着火时间与气体的种类、外界的温度及压力等有关。T↑，P↑，则延迟着火时间越短。四、煤的燃烧过程(一)准备阶段：

包括燃料的干燥、预热和干馏。1.干燥：在110℃左右，吸附水(即物理水)全部逸出，吸热过程，水分越多，Q吸↑，干燥时间越长。

2.预热：干燥后，燃料温度继续升高。

3.干馏：当温度升高到一定值时，便开始分解，放出挥发分，剩下固定炭。V↑，开始放出挥发分的温度越低。

煤的干馏温度：褐煤：～130℃；烟煤130～400℃；无烟煤～400℃。此阶段不需要氧气，为吸热阶段，一般希望此阶段所需的时间越短越好。包括三个阶段：准备阶段、燃烧阶段和燃烬阶段。(二)燃烧阶段：

包括挥发分V和固定炭FC的燃烧。由于挥发分的着火温度<FC的着火温度，通常把V的着火温度粗略地看作煤的着火温度，V↑，着火温度↓。一般地，褐煤：250～350℃；烟煤250～400℃；无烟煤350～500℃。在此温度下，虽然能着火燃烧，但其速度很慢，因此往往把燃料加热到较高的温度，并且供给充足的空气，才能加快燃烧速度和燃烧完全程度。如，褐煤加热到550～600℃；烟煤加热到750～800℃；无烟煤加热到900～950℃。(三)燃烬阶段（或称灰渣形成阶段)：

它是固体燃料所特有的阶段

由于焦炭将烧完时，外壳包裹了一层灰渣，阻碍了空气向里扩散，因而使燃烧速度变慢，尤其灰分高的煤更难燃烬。为了使燃烧完全，此阶段要保持一定的温度和时间。火焰：指燃烧着的燃料与空气的混合气流。火焰的特性：通常用“五度”来描述温度长度刚度黑度宽度（铺展性)五、燃烧火