能源管理师培训热能燃料与燃烧解析

能源管理师培训热能燃料与燃烧解析第1页/共77页第一篇热能基础知识

第四章

燃料与燃烧

第2页/共77页第一节

燃料一、燃料总论1、燃料定义是指在燃烧过程中能释放出大量热量，该热量又

能经济、有效地应用于生产和生活中的物质。2、燃料的分类按物态分类：固体燃料（煤炭等）

液体燃料（石油、酒精等）

气体燃料（天然气、氢气等）第3页/共77页3、固态燃料—煤炭的化学组成（p112）

固体燃料是各种有机化合物的混合物。混合物的元素组成为：碳（C）、氢（H）、氧（O）、

氮（N）、硫（S）、灰分(A)和水分（M）等。4、煤的种类（p112)

泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤四类煤的炭化程度：低高煤的挥发分：高低第4页/共77页5、煤的特性（1）煤的热解挥发特性挥发分是煤在隔绝空气条件下加热至一定温度时，煤中部分有机质和矿物质热分解析出的气态产物，其占煤样的质量百分比称为挥发分产率，简称挥发分。挥发分的主要成分为：H2、CO、CO2、CmHn

（如CH4、C2H4）等。挥发分不是以析出状态自然存在。

第5页/共77页（2）煤的焦结性：焦炭的粘结程度称为煤的焦结性，是指煤粒在隔绝空气条件下加热后形成一定大小和强度焦块的能力，是煤重要特性指标之一。焦炭：指煤在隔绝空气条件下加热析出挥发分、水分后所剩下的固体残留物；焦炭由灰分、固定碳两部分组成。

第6页/共77页（3）煤灰的熔融性

煤灰的熔融性是表征煤灰在高温下粘塑性

变化的性质，习惯称为煤的灰熔点。

煤的灰熔点是用三个特征温度表示；

变形温度

软化温度

流动温度灰分：焦炭中的可燃物（固定碳）燃烧殆尽后的残留物；◆灰分是煤中的矿物杂质；◆与介质性质有关系

还原性气氛中比氧化性气氛中低200~300℃第7页/共77页（4）煤的结渣性

煤的结渣性是指煤中矿物质的结块性能。

它是判断煤在气化、燃烧过程中是否容易结渣的一个重要指标。相对于灰熔点，用结渣性来判断煤是否容易结渣更加适宜。◆灰熔点越低，结渣率越高；◆灰分含量越高，结渣率越高；◆无机硫含量越高，结渣性越强；

◆还原性气氛中结渣率高。第8页/共77页6、

液态燃料的组成

液态燃料的主要成分与固态燃料相似；

包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、

硫（S）、灰分(A)和水分（M）等。◆作为燃料使用的液态石油产品主要为：

汽油、煤油、柴油和重油四类。

◆工业燃烧设备中使用的燃油主要是重油。第9页/共77页7、液态燃料的主要性能和参数（1）闪点和燃点

闪点：燃油由常温加热到适当温度后，其中沸点

较低的成分先蒸发,燃油表面将出现油蒸汽，

火源掠过油面时，油面出现短促蓝色闪光，

此时的温度称为该燃油的闪点。◆闪点分为开口闪点和闭口闪点。

燃点：是指油温超过闪点，蒸发速度加快，闪火后能使燃油

燃烧维持在5秒以上的最低温度。◆燃点一般高于闪点10～30℃左右。第10页/共77页（2）凝固点

凝固点是燃油刚刚失去流动性态的温度。◆燃油的凝固点越高，其低温流动性就越差。◆凝固点是确定燃油输送的一项重要技术指标。第11页/共77页（3）粘度（恩氏粘度）

恩氏粘度采用恩格勒粘度计在规定条件下测定。定义：把200ml待测燃油倒入恩格勒粘度计的标准容器

内，加热到指定温度，然后令其从规定小孔中流

出，测量燃油全部流出所需要的时间，所测时间

与20℃、200ml的蒸馏水从相同容器中流出的时

间之比，称为该燃油的恩氏粘度，用符号oE表示：第12页/共77页二、燃料组成的表示方法

1、燃料组成有三种：

工业分析组成、

元素分析组成

成分分析组成

◆固态燃料和液态燃料：

工业分析组成和元素分析组成表示；◆气态燃料：成分分析组成表示；第13页/共77页（1）工业分析组成：燃料中水分（M）、挥发分（V）、灰分（A）和固定碳（FC）4种组分的质量百分比。

M+A+V+FC=100

2、元素分析组成和工业分析组成—固、液体燃料◆水分代表固态燃料水分的总量；

灰分代表无机矿物质的含量；这两项为非可燃组成；◆挥发分和固定碳为燃料的可燃组分；

挥发分代表煤中易挥发可燃物的含量；

固定碳代表燃料中不挥发性可燃物的含量。第14页/共77页（2）元素分析组成：燃料中主要化学元素组分碳（C）、氢（H）、氮（N）、硫（S）和氧（O）以及灰分（A）和水分（M）的质量百分比。◆

M是燃料全水分的质量百分比，

包括内在水分和外在水分；◆水分M及灰分A与工业分析相同；第15页/共77页3、元素组成的表示基准燃料中的灰分和水分会随着燃料的开采、运输和储存过程而发生变化。而燃料成分表示的是各成分的相对百分含量，为此必须规定燃料成分表示的分母基准。根据燃料中灰分和水分的变化情况，分为4种表示基准：收到基（应用基）空气干燥基（分析基）干燥基干燥无灰基（可燃基）第16页/共77页（1）收到基（ar下表）将全部水分和灰分都包括在内的燃料作为100%的成分

Mar是燃料的全水分；

由于燃料全水分中的外在水分很容易受气候、输送、储存等外在因素影响，收到基组分常常因水分的变化无法准确反映燃料化学组成。第17页/共77页（2）空气干燥基（ad下标）以去掉外部水分的燃料成分总量作为100%的计算基准。即在实验室内进行燃料分析时的试样成分，又称分析基。（3）干燥基（d下标）以去掉全部水分的燃料作为100%的计算基准，第18页/共77页（4）干燥无灰基（daf下标）以去掉全部水分和灰分的燃料作为100%的表示基准。

干燥无灰基没有不稳定成分灰分和水分变化的影响，

比较准确地反映了燃料的实质，便于区别不同种类的燃料。第19页/共77页（5）各成分的表示方法及其组成的相互关系思考：同一燃料的元素成分哪一种基准的成分最高？第20页/共77页(6）燃料成分基准的换算上述各个基准之间存在换算关系，可以通过通分运算进行相互换算各种基准之间的换算系数第21页/共77页基准之间水分的换算关系Mq：燃料的全水分；Mw：燃料的外在水分；Mn：燃料的内在水分；Mad：燃料的收到基水分；第22页/共77页4

气态燃料成分组成的表示方法——成分分析组成：化学分析方法测定气体燃料各组分的体积百分比。（1）气态燃料成分分析的两种表示基准

湿成分基准

干成分基准◆湿成分基准为包括燃料中水蒸汽组分的表示基准；◆干成分基准为不包括燃料中水蒸汽组分的表示基准。第23页/共77页（2）干气体成分：以去除水蒸气后的燃料成分作为100%。（3）湿气体成分：包括水蒸气在内的燃料成分作为100%，

用上标w表示。第24页/共77页（4）气态燃料干成分和湿成分的换算干、湿气体的体积分数之间的换算按式（4.1-14）计算：——湿气体中某种气体组分的体积分数，%；——干气体中某种气体组分的体积分数，%；——湿气体中水蒸气的体积分数，%。◆水蒸气含量一般为对应温度下的饱和水蒸气量；由式（4.1-15）和（4.1-16）计算。第25页/共77页三燃料的热值（发热量）1

定义

燃料热值是指单位质量或者单位体积的燃料

完全燃烧时所能释放的最大热量。◆固体、液态燃料热值单位：kJ/kg◆气态燃料热值单位：kJ/Nm3◆高位热值和低位热值之分第26页/共77页2、

燃料热值的表示方法（1）高位热值Qgr（高位发热量）：单位质量（或单位体积）

常温（25℃）下燃料完全燃烧后，燃烧产物冷却到

初始温度使其中水蒸汽凝结成水所放出的热量。（2）低位热值Qnet（低位发热量）：单位质量（或单位体积）

常温下燃料完全燃烧后，将燃烧产物冷却到初始温度

，但水分仍以水蒸汽形式存在时所放出的热量。第27页/共77页注意点：◆高位热值和低位热值两者之间差别为燃烧产

物中水分的汽化热。◆实际上燃料燃烧后，其产物中的水分基本上

以水蒸气形式排出，因而低位热值是燃料能够利用的热值。◆工程燃烧计算中采用低位热值。第28页/共77页3、热值之间的换算关系（1）高位热值和低位热值之间的换算关系固、液体燃料：公式（4.1-17）气体燃料：公式（4.1-18）（2）固、液态燃料不同基准热值间的换算关系◆直接乘以表4.1-12中相应的换算系数即可；◆各种基准低位热值之间的换算，必须考虑

水分气化潜热。（表4.1-13）◆各种基准之间的低位热值换算，必须先将低位热值

换算成高位热值，再进行换算。

★比较复杂，一般知道到时查表计算即可。第29页/共77页（3）干、湿气态燃料高位热值换算关系注：气体燃料换算希望知道。第30页/共77页四、燃料的分析方法一般了解即可，不做为重点。第31页/共77页第二节工程燃烧计算重点：计算题可能出在此部分第32页/共77页一、完全燃烧和不完全燃烧（概念要知道）完全燃烧：燃料中所有的碳全部氧化为二氧化碳、所有的硫都氧化为氧化硫、所有的氢都氧化为水蒸气，这种燃烧称为完全燃烧；不完全燃烧：燃料中有一些可燃物分子不能被充分氧化而生成

H2、CO等；

燃烧产物的组成完全燃烧反应：CO2、H2O、SO2、N2及少许的氧；不完全燃烧反应：除CO2、H2O、SO2、N2及少许的氧，尚有CO、H2、CH4等。第33页/共77页二、工程燃烧计算的规定（要清楚）1、在燃烧反应计算的过程中，氧化剂多数是空气，少数是氧气或富氧。空气的主要成分：氧气、氮气、水蒸汽。干空气的成分：按质量：氧占23.2％，氮占76.8％；按体积：氧占21％，氮占79％.空气中水蒸气的含量：通常按某温度下的饱和水蒸汽含量计算。2、在燃烧反应计算时，对于固、液体燃料用收到基成分计算；气体燃料用湿成分计算。3、在燃烧反应计算的过程中，氧化剂（空气或氧气）和燃烧产物应当成理想气体来进行计算。第34页/共77页三、燃烧空气量的计算1、理论空气量（1）定义：使单位量（1kg或1m3）的燃料完全燃烧所需的最少的空气量（燃烧产物烟气中氧气为零，可燃物质或元素为零）。用V0表示。（2）通常是先求出1kg或1m3燃料所需理论氧气量，然后折算成空气量。第35页/共77页（3）固体、液体燃料的理论空气需要量计算已知燃料收到基成分的质量百分数为：空气中的氧气含量为21%时，1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为：

（4.2-6）◆重点：要会计算，记住公式；◆思考：如果不是空气，比如富氧燃烧，如何计算？第36页/共77页（4）气体燃料的理论空气量的计算已知气体燃料湿成分（体积百分数）为：

1m3气态燃料完全燃烧时所需的理论空气量为：（4.2-10）◆重点中的重点：一定要会计算，记住公式；◆注意点：给定的一般是气体燃料的干成份，要先换算成湿成分；换算由公式（4.1-14）；◆如果没有告诉气体燃料中水分含量，要根据其饱和水蒸气含量先计算出气体燃料水分含量；第37页/共77页问题：严格来讲，上述所有计算所得理论空气量

是否是真正的理论空气量？第38页/共77页以上计算中均未计入空气中的水分，即使常温下空气中也含有水蒸气，当需要精确计算或空气含水分较多时，要把水分计算在内；（5）考虑空气中水分的理论空气量计算空气中的水分含量d通常为1m3干空气中的水分含量，（一般采空气温度下的饱和水蒸气含量）空气中水蒸气体积：湿空气理论空气量（4.2-15)第39页/共77页（6）燃烧所需的实际空气量与空气系数

实际空气量

空气系数：实际空气量与理论空气量的比值称为空气系数实际空气量=理论空气量+过量空气量

实际空气量的计算：第40页/共77页问题：空气系数的高低对燃烧设备的运行经济性的影响α值的高低对燃烧设备的运行经济性有很大影响。α偏低，供给燃料燃烧的空气量不足，不完全燃烧热损失将增加；α偏高，会导致排烟量增加，排烟热损失也会增加。使这两种热损失之和降到最低的空气系数称最佳空气系数，燃烧设备效率达到最高。第41页/共77页四

燃烧烟气量的计算（一）理论烟气量的计算定义：理论烟气量是指1kg（1m3）燃料在供应理论空气量（α=1）时完全燃烧所生成的烟气量，用表示。理论烟气量由CO2、SO2、H2O及N2组成。1、了解固、液体燃料的理论烟气量计算方法2、了解气体燃料的理论烟气量计算方法第42页/共77页（二）实际烟气量的计算1、完全燃烧时实际烟气量的计算

当α＝1时，理论烟气量为；当α≠1时，实际烟气量只是比理论烟气量增加了多供入的湿空气第43页/共77页2、不完全燃烧时烟气（燃烧产物）量的计算问题：当发生不完全燃烧时，与完全燃烧相比，烟气量是增加了还是减少了?当α≥1时，和完全燃烧相比烟气的生成量增加了，烟气中若有1m3CO，则烟气体积增加0.5m3；烟气中若有1m3H2，使烟气体积增加0.5m3，CH4则不引起烟气体积的变化。第44页/共77页五、燃烧温度计算（一）燃烧温度的概念1、定义：燃料燃烧时燃烧产物达到的温度——燃烧温度。2、燃烧温度计算原理：根据燃烧前后的能量守恒定律第45页/共77页（二）燃烧温度的几种表示方法1、实际燃烧温度：实际条件下的燃烧产物的温度ty。第46页/共77页2、理论燃烧温度（重点）假设燃料是在绝热系统中燃烧（无散热，Qcr=0），并且完全燃烧（Qwr=0），此时燃烧产物的温度称为“理论燃烧温度”

。如忽略高温气体分解热Qlj（高于1800℃才予考虑）理论燃烧温度简化为：第47页/共77页

理论燃烧温度又称绝热燃烧温度。它表示某种燃料在某一燃烧条件下所能达到的最高温度。

理论燃烧温度对于燃料和燃烧条件的选择，温度水平的估计和炉内换热计算都由实际意义。第48页/共77页3、理论发热温度如果燃烧条件规定为燃料和空气均不预热（hr=0，hk=0），且空气过剩系数n=1，燃烧温度只与燃料性质有关，称为理论发热温度。第49页/共77页4、影响理论燃烧温度的因素（重要）（1）燃料种类和发热量一般来说，热值高的燃料理论燃烧温度亦高；（2）空气和燃料的预热温度预热温度愈高，理论燃烧温度越高；（3）空气系数为保证完全燃烧，空气系数应大于1，但不宜过大，否则会增加燃烧产物的生成量，从而降低理论燃烧温度。保证完全燃烧条件下，α愈小愈好（4）空气的富氧程度（富氧燃烧）空气中的氧含量增加，烟气量减小，理论燃烧温度升高。第50页/共77页第三节

煤的燃烧第51页/共77页一、煤的燃烧过程煤从进入炉膛到燃烬，一般要经过三个阶段：着火前的准备阶段挥发分与焦炭着火与燃烧阶段残碳燃烬形成灰渣阶段

着火前的准备阶段是一个吸热阶段，为了使煤能够及时着火必须给予足够的热量。第52页/共77页二、煤的燃烧技术及设备◆煤的三种燃烧基本方式：层状燃烧（火床）沸腾燃烧（流化床）悬浮燃烧（煤粉火室燃烧）第53页/共77页（一）层状燃烧过程及特性要点：1、煤的层状燃烧原理——了解2、煤的层状燃烧设备常用的层燃炉主要有哪些?手烧炉、链条炉、往复炉排炉、振动炉排炉和抛煤机炉等第54页/共77页（二）煤的悬浮燃烧技术及设备1、煤粉悬浮燃烧原理和特点是什么？2、为使煤粉迅速着火和完全燃烧，需要的四个基本条件是什么?（1）足够高的炉膛温度；（2）适当的空气量；（3）燃烧气流良好前期混合和后期扰动；（4）煤粉在炉内足够长的停留时间;3、旋流煤粉燃烧器主要有哪几类？蜗壳式、轴向叶片式和切向叶片式三大类。第55页/共77页（三）煤的沸腾燃烧技术及设备1、煤的沸腾燃烧（流化床燃烧）原理是什么？(了解)2、循环流化床锅炉的燃烧主要有哪些特点?

（掌握、重要）（1）燃烧室内的流化速度快，燃烧室内的颗粒浓度较高。（2）燃烧室内颗粒的横向混合剧烈，燃料着火稳定迅速。（3）炉膛上部稀相区存在着强烈的物料返混，燃烧室内的气固两相混合较好。（4）循环流化床内的温度分布均匀，强化了稀相区的传热与传质。

第56页/共77页2、循环流化床锅炉的燃烧主要有哪些特点?(续)（5）循环流化床具有较高的燃烧效率；（燃煤循环流化床燃烧效率可达到97%～99%）（6）循环流化床具有很高的炉内脱硫剂利用率。（炉内脱硫剂利用率可达90%以上）（7）炉膛截面较小，截面热负荷较高；（8）负荷调整范围大，负荷调节速度快。

要求至少记住5-6条第57页/共77页第四节

燃油的燃烧第58页/共77页一、油的燃烧过程及特点1、液态燃料主要燃烧形式有哪些?（四种）液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧、雾化燃烧。2、工业炉窑上应用的液态燃料主要燃烧形式是什么?雾化燃烧3、何谓雾化燃烧？雾化燃烧是利用各种形式的雾化器把液态燃料破碎成许多直径从几十微米到几百微米的小液滴，悬浮在空气中边蒸发、边混合、边燃烧。第59页/共77页二、油的雾化（重要）问题：影响燃油雾化质量的主要因素主要有哪些?这些因素对雾化质量有什么影响？

影响燃油雾化质量的主要因素有：燃油温度、雾化剂的压力和流量、油压、油烧嘴结构等。这些因素对雾化质量有什么影响:燃油温度越高，粘度越小，雾化质量越好；雾化剂的压力和油压越高，雾化质量越好；雾化剂流量越大，雾化质量越好；一般雾化喷嘴越小，因油膜薄，雾化质量较好。第60页/共77页第五节

气态燃料的燃烧第61页/共77页一、气态燃料的燃烧特点1、气态燃料的主要燃烧方式有哪些？气态燃料的主要燃烧方式为：扩散式燃烧预混式燃烧部分预混式燃烧2、工业上气体燃烧的主要方式是：扩散燃烧。第62页/共77页二、扩散燃烧1、扩散燃烧种类：层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧。2、湍流扩散燃烧与层流燃烧相比的优越性：