关于内燃砖内燃料发热量的探讨

关于内燃砖内燃料发热量的探讨

3燃料掺兑比的确定内燃砖装载量的合理分配是提高产品质量的重要技术措施。为了合理分配热量，应考虑两个方面。首先，应合理确定装载量。其次，应确定内部燃料的发热量应符合内燃砖的实际情况。如前所述,对于内燃烧砖内燃料掺兑比,多年来都以内燃料的收到基低位发热量或干燥基低位发热量然后以含水量来修正(实际上亦等于采用收到基低位发热量)为依据进行计算确定,笔者认为欠妥。下面拟以内燃料的各组分在内燃砖生产过程中的不同作用和内燃料中纯可燃物质燃烧放出的热量被有效利用的实际情况为依据,提出笔者的意见,以求共同探讨。3.1“型煤”在砖体中的燃烧机理如上所述以及从利用工业分析数据和元素分析结果计算固体燃料发热量的经验公式中,可清楚地了解,燃料完全燃烧放出的热量,受到燃料中矿物质的分解和水分汽化吸热的影响,也可以说燃料完全燃烧放出的热量,是燃料中的纯可燃物质完全燃烧放出的热量,被燃料中的矿物质分解和水分汽化吸收一部分后,剩余的热量。在通常的工业燃烧装置中被有效利用(包括在利用过程中的各项不可避免的热损失)的就是这部分热量,然而内燃烧砖并非如此。笔者认为,将满足砖坯烧成所需要的足够量的内燃料掺入制砖原料并均匀混合后,内燃料的各组分将在砖的制造过程中,发挥各自不同的重要作用,内燃料中的矿物质和水分已成为制砖的基本原料和成型水分的一部分,而纯可燃物质则负责提供砖烧制过程中所需热量,从而使内燃料中的各组分的功能进行了有效的分离,各负其责互不干扰,而成为既独立又统一的整体。掺入内燃料的混合料制成的砖的坯体,实际上已成为一种具有一定强度和较低发热量的“燃料”——特制的“型煤”。这种“型煤”的组成与通常所说的固体燃料一样,除含有纯可燃物质外还含有矿物质和水分(坯体干燥后的残余水分,既有内在水分又有外在水分),不同的是前者与后者相比纯可燃物质含量很少,人工干燥约含5%左右,自然干燥仅在3%左右,而是以矿物质(粘土和非粘土矿物)为主,其次是坯体经干燥后的残余水分。全内燃砖坯体在窑中的焙烧过程,实际就是特制的“型煤”在窑中的燃烧过程,与通常的固体燃料燃烧既有相同之处又有不同之处。相同之处,都要经历预热、水分蒸发、纯可燃物质燃烧、矿物质失去化学结合水并分解、烧结、熔融和冷却等一系列物理——化学变化过程。不同之处在于,矿物质受热进行物理——化学变化的目的和程度不同,后者燃烧的目的是要为工业生产如发电、外燃砖的焙烧或为人们的日常生活等提供热能,具有较快的燃烧速度,矿物质的物理——化学变化在瞬间或较短的时间内进行,很不充分,其燃烧产物——灰分(固体残留物)和水蒸气在吸收燃料中纯可燃物质燃烧放出的部分热量后成为废物被舍弃和溢出,因此,此时有效利用的热量是燃料收到基低位发热量。而前者燃烧的目的是要使“型煤”燃烧后的固体残留物成为保持原有形状的烧结制品——烧结砖,此时,在窑中“型煤”中的纯可燃物完全燃烧放出的热量,首先使“型煤”经干燥后的残余水分蒸发,进而使“型煤”中的矿物质(粘土和非粘土矿物)失去结晶水和分解并产生烧结和部分熔融,在这一过程中水分的汽化和矿物质的物理——化学变化过程要吸收大量热能,然而,这完全是烧结砖生产热工工艺过程的需要,从而使由“型煤”燃烧后的固体残留物烧结而成的制品产生强度,并具有相应的物理化学性能,成为我们所需要的最终产品——烧结砖;为此,要人为的控制“型煤”燃烧全过程——坯体焙烧过程的干燥和预热、、加热、烧成以及保温和冷却等各个阶段的温度和时间,而具有较长的“燃烧”周期,进行充分的物理——化学变化。显然,在窑中“型煤”中纯可燃物完全燃烧放出的热量,全部用于了砖在烧成过程中所需要的各项热量支出,包括坯体残余水分的蒸发耗热、矿物质的化学反应耗热以及各项不可避免的热损失等,并非像在通常的工业燃烧装置中,如在锅炉中或在外燃烧砖过程中,因燃料中水分汽化溢出和矿物质分解的残留物(灰分)被舍弃,使燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的热量,被无谓的损失一部分。因此,可以说内燃砖的烧成利用的是内燃砖坯体所含纯可燃物完全燃烧放出的全部热量,或者说是利用掺入的内燃料中所含纯可燃物完全燃烧放出的全部热量,并非是利用内燃料的收到基低位发热量。3.2内燃发热量的计算由前面的讨论可知,内燃烧砖并非像一般工业燃烧装置那样利用的是燃料的低位发热量,即单位燃料中纯可燃物燃烧产生的热量,其中的一部分被燃料本身所含水分的汽化和矿物质的分解吸收损失后放出的热量,而是内燃料所含纯可燃物完全燃烧放出的全部热量。为便于问题的研究并有别于通常所说的燃料的发热量,不妨将单位质量内燃料中纯可燃物完全燃烧放出的热量,即单位质量内燃料在内燃烧砖燃烧时放出的被实际或者说有效利用的热量,称为内燃料的“内燃发热量”(笔者曾将其称之为“实用发热量”)以符号Qnr表示。那么的发热量,应称为混合料的内燃发热量,即单位质量混合料所含纯可燃物质完全燃烧时放出的热量;坯体的发热量,则应称作坯体内燃发热量,即每块坯体所含纯可燃物质完全燃烧放出的热量,也就是对坯体的配热。内燃料中的纯可燃物质中一般含有固定碳和挥发分,而挥发分中含有氢,在纯可燃物质燃烧时则有水生成并汽化,因此,内燃料的内燃发热量亦有高位和低位之分,分别称之为高位内燃发热量和低位内燃发热量,以符号Qnr,gr和Qnr,net表示。内燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的热量,难以用氧弹法测出,但可利用固体燃料工业分析数据进行计算。在通常的工业燃烧装置中,燃料完全燃烧后灰分成为工业废渣而被舍弃,水分汽化溢出,因此,从利用工业分析数据计算固体燃料低位或高位发热量的经验公式可以看出,其发热量是将纯可燃物完全燃烧放出的热量减去水分汽化和矿物质(以灰分表示)分解的吸热,这就是通常工业生产和人们的日常生活中实际利用的燃料的低位或高位发热量,从而充分地体现出燃料中所含矿物质的分解和水分的汽化吸热对燃料发热量的负面影响,是符合客观规律的。如前所述,由于内燃烧砖的内燃料所含水分成为坯体成型水分的一部分,矿物质已成为制砖原料的组成部分,纯可燃物质与矿物质和水分,在砖的烧成过程中发挥各自不同的功能互不干扰,特制“型煤”——坯体中经干燥后的残余水分(其中包括内燃料所含的部分水分)的汽化是生产工艺过程的需要,而矿物质经分解、烧结和部分熔融等过程,成为烧结砖的组成部分,并没有成为工业废渣被舍弃,显然,都没有对纯可燃物质完全燃烧放出的热量造成损失。也就是说内燃烧砖利用的是内燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的全部热量。因此,完全可以将前面由煤研总院化学所提出的不同煤的发热量计算公式式(4)～式(6)和式(8)～式(11)中的水分和灰分吸热校正值删除,用来计算内燃料在内燃烧砖时,所含纯可燃物质完全燃烧放出的全部热量,也就是砖烧成时被实际利用的发热量即内燃发热量。因此,笔者认为,按下述公式计算各种固体燃料,用作内燃料时的内燃发热量,是符合内燃砖烧成时燃料燃烧放出的热量被有效利用的实际情况——没有因燃料所含矿物质分解和水分汽化的吸热,对燃料中纯可燃物质完全燃烧产生的热量造成热损失,是符合科学规律的。3.2.1空气干燥基高位内燃发热量的计算a.低灰分煤空气干燥基低位内燃发热量的计算①计算无烟煤空气干燥基低位内燃发热量的经验公式由式(4)删除水分和灰分吸热校正值,得式中Qnr、net,ad——分析煤样(空气干燥基)低位内燃发热量,J/g。②计算烟煤空气干燥基低位内燃发热量的经验公式由式(5),得删除水分和灰分吸热校正值,得③计算褐煤空气干燥基低位内燃发热量的经验公式由式(6),得删除水分和灰分吸热校正值,得以上三式中的系数K0、K1、K2,可查阅参考文献的表7-1-33～39或有关资料。b.由空气干燥基低位内燃发热量Qnr、net,ad值换算成收到基低位内燃发热量Qnr、net,ar值上述三个经验公式计算出的仍为空气干燥基(分析基)低位内燃发热量,在实际应用时应换算成收到基(应用基)低位内燃发热量,由于内燃料的内燃发热量不受水分汽化吸热的影响,故由式(7)可得:式中Qnr,net,ar—应用煤(收到基)的低位内燃发热量,J/g;Mar—应用煤(收到基)的水含量,%;3.2.2高位内燃发热量的计算a.高灰分内燃料的空气干燥基高位内燃发热量计算公式由式(8)～式(11)分别删除水分和灰分吸热校正值,得①高分(Ad>40%)石煤高位发热量计算公式式中Qnr,gr,ad—分析煤样(空气干燥基)高位内燃发热量,J/g。②高灰分(Ad>45%)无烟煤(包括煤矸石、炉渣)用作内燃料时高位内燃发热量计算公式③高灰分(Ad>45%)炼焦烟煤及其煤矸石和炉渣等用作内燃时高位内燃发热量计算公式④非炼焦高灰分烟煤及其煤矸石和炉渣等高位内燃发热量计算公式b.空气干燥基高位内燃发热量Qnr,gr,ad换算成空气干燥基低位内燃发热量Qnr,net,ad从固体燃料的高位内燃高位发热量(Qnr,gr)换算成低位内燃发热量(Qnr,net,ad)的主要原理是对化学结合水的汽化热加以校正。由于内燃料的内燃发热量不受内燃料所含矿物质分解和水分汽化吸热的影响,因此由式(12)可得如下计算公式:式中Qnr,net,ad—分析煤样(空气干燥基)的低位内燃发热量,J/g;煤化学所提出确定高灰分煤的Hdaf(h)的方法:高灰分石煤,因其Hdaf(h)多小于2%而灰分又高,故Had(Hf)可近似地采用0.5这个常数作为换算Qnr,net,ad用;高灰分无烟煤,如年老变质无烟煤(如京西、四望嶂等),Had(Hf)可采用0.5这一常数,中等变质无烟煤(如焦作、晋城等)和年轻无烟煤(如阳泉、芙蓉山等),Had(Hf)可分别采用1.0和1.3;高灰分烟煤,其Hdaf(Hr)可按表5确定:鉴于高灰分烟煤的Vdaf(Vr)往往因受矿物质的影响而实测值大多偏高很多,为此采用表5前需先按下式求出校正后的Vdaf(Vr),然后再用V校正,daf由上表查出Hdaf值。c.由空气干燥基低位内燃发热量Qnr、net,ad值换算成收到基低位内燃发热量Qnr、net,ar值,亦采用式(17)计算。3.3坯体燃料掺兑量和实际配热量的确定内燃料的内燃发热量是单位质量内燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的热量,不受燃料中矿物质分解和水分汽化吸热的影响;通常所说的燃料的发热量,是指单位质量燃料完全燃烧放出的热量,其受到燃料中矿物质分解和水分汽化吸热的影响。因此,两者有较大的差距,随着灰分和水分含量的增加差距加大。如根据坯体耗热,用高灰分固体燃料的收到基低位发热量确定内燃料掺量,将会使坯体所含内燃料燃烧放出的实际用于坯体烧成的热量严重超热,而会使砖的焙烧和产品质量出现种种弊端。下面举例说明:如用作内燃砖内燃料的某中等变质无烟煤的煤矸石分析结果如表6所示。当人工干燥全内燃烧结砖坯体烧成耗热为Q块=3980kJ/块,分别计算内燃砖采用煤矸石收到基低位发热量和收到基低位内燃发热量,每块坯体内燃料掺兑量,以及当采用收到基低位发热量确定的掺量对坯体的实际配热。a.采用煤矸石收到基低位发热量和每块坯体内燃料的掺量①煤矸石收到基低位发热量的计算首先由式(9)计算空气干燥基高位发热量Qgr,ad值由式(12)计算空气干燥基低位发热量Qnr,net,ad值所以收到基低位发热量由式(7)计算,得②每块坯体煤矸石的掺兑干质量m1:m1=Q块/Qnet,ar=3980/4368=0.91(kg/块)b.采用煤矸石收到基低位内燃发热量和每块坯体内燃料的掺量①煤矸石收到基低位内燃发热量的计算首先由式(19)计算空气干燥基高位内燃发热量Qnr,gr,ad值Qnr,gr,ad=335FCad+209Vad=335×14+209×5.4=5818.6(kJ/kg)空气干燥基低位内燃发热量由式(22)计算Qnr,net,ad=Qnr,gr,ad-225Had=5818.6-225×1=5593.6(kJ/kg)所以收到基低位内燃发热量由式(17)计算,得Qnr,net,ar=Qnr,gr,ad·(100-Mar)/(100-Mad)=5593.6×(100-4.6/100-1.9)=5440(kJ/kg)②每块坯体煤矸石的掺兑干质量m2:m2=Q块/Qnr,net,ar=3980/5440=0.715(kg/块)c.按煤矸石收到基低位发热量确定之掺量对坯体的实际配热如前所述,由于内燃烧砖实际利用的不是燃料的收到基低位发热量,而是收到基低位内燃发热量即单位质量内燃料中纯可燃物完全燃烧放出的热量5440(kJ/kg),如每块坯体掺入按上述计算的0.91kg/块,则每块坯体所含内燃料完全燃烧用于砖烧成的热量,即对坯体的实际配热为Q实:Q实=Qnr,net,ar·m1=5440×0.91=4950(kJ/kg)经计算可知,按煤矸石收到基低位发热量确定之掺量进行坯体配热,坯体的实际配热是坯体烧成所需热量的4950/3980=1.244倍,比烧成实际所需热量高出970(kJ/块),严重超热,不仅将使焙烧难以控制,而且使产品质量受到影响。4内燃料掺兑比和坯体配热的内涵a.燃料收到基低位发热量,完全符合燃料在一般工业燃烧装置中,如锅炉、外燃烧砖等,完全燃烧放出的被有效的用于工业生产和人们日常生活的热量(包括在利用过程中不可避免的各项热损失)的实际情况——燃料中矿物质吸热分解后被舍弃,水分吸热汽化后溢出,而使燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的热量造成损失。因此,要求在进行一般的工业燃烧装置燃料燃烧或热工计算时,均应使用燃料的收到基低位发热量,是符合燃料燃烧放出的实际可利用热量的科学的客观规律的,并不是人为的违背客观规律的主观规定。b.燃料收到基低位发热量,不符合内燃烧砖内燃料燃烧放出的被有效的用于砖的烧成热量的实际情况——内燃料中的矿物质和水分,分别成为坯体的主要组成原料和成型水分的一部分,它们的分解和汽化吸热是烧结砖生产热工工艺过程的需要,没有使燃料中纯可燃物质完全燃烧放出的热量造成损失,而是全部用于了烧结砖的生产。因此,要求采用燃料的收到基低位发热量(或干燥基发热量),计算内燃料的掺兑比或进行坯体配热,是不符合内燃料燃烧放出的用于砖烧成的实际可利用热量的客观规律的。c.本文提出的内燃料收到基低位内燃发热量,是指用作内