冶金炉热工基础 第二章 燃料及燃烧计算

冶金炉热工基础

11.燃料的定义第二章燃料及燃烧计算2.1冶金企业常用燃料22.对燃料的要求第二章燃料及燃烧计算33.燃料的种类按物态可分固体燃料、液体燃料和气体燃料三类按来源可分天然产品和加工产品两种第二章燃料及燃烧计算燃料的物态燃料来源天然产品加工产品固体燃料木柴、煤、油页岩等木炭、焦炭、粉煤液体燃料石油焦油、重油、煤油、汽油气体燃料天然煤气高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气工业用燃料一般分类44.常用燃料的特性燃料的化学组成必须分清哪些组成物是发热的，哪些组成物是有害的。燃料的发热量这是评价燃料质量的重要指标。第二章燃料及燃烧计算5(1)气体燃料的化学组成气体燃料是由简单气体化合物与气体单质所组成的机械混合物。其中：CO、H2、CH4、C2H4、CmHn、H2S等是可燃性气体成分，能燃烧放出热量。CO2、N2、SO2、H2O、O2等那么是不燃成分，不能燃烧放热，故其含量均不宜过多，以免降低燃料的发热能力。CmHn总称为重碳氢化合物,，包括C3H6、C2H6、C2H2…等。每单位体积(m2)重碳氢化合物燃烧，约放出71176kJ热量。气体燃料中的氧，在高温预热的情况下，能与可燃成分作用，从而降低气体燃料燃烧时的放热量。假设氧的含量超过一定数量，那么有爆炸危险。因此，氧的含量应受到限制，一般应小于0.2%。第二章燃料及燃烧计算A、燃料的化学组成及其成分换算6(2)气体燃料成分的表示方法气体燃料成分的表示方法有两种：即湿成分和干成分。湿成分〔包括水分在内)：CO湿+H2湿+CH4湿+N2湿+···+H2O湿=100%CO湿、N2湿···等符号分别代表湿气体燃料中各成分的体积百分含量干成分(不包括水分在内)：CO干+H2干+CH4干+N2干+···=100%CO干、H2干···等符号那么分别代表枯燥气体燃料中各成分的体积百分含量。第二章燃料及燃烧计算7气体燃料的水分含量可以认为等于在该温度下的饱和水蒸汽量。当气体燃料的温度变化时，饱和水蒸汽含量发生变化，因而整个燃料的湿成分亦将发生变化。因此，气体燃料的湿成分只能代表某一固定温度下的气体燃料的成分。故气体燃料的湿成分不具有代表性，在一般的情况下气体燃料的化学组成用干成分表示，而气体燃料在使用时所具有的实际成分为湿成分，所以湿成分是气体燃料的供用成分，在进行燃烧计算时必须以湿成分为依据。第二章燃料及燃烧计算8湿成分与干成分之间可以相互换算，换算的原那么质量守恒。其步骤是：先由表查出然后由(式中X表某成分)最后计算出水分的含量：干OHg2〔3〕气体燃料的化学组成及干湿成分换算第二章燃料及燃烧计算9B、液体和固体燃料的化学组成及各成分的换算〔1〕液体和固体燃料的化学组成固体和液体燃料的根本组成有C、H、O、N、S、W(水分)及A(灰分)，其中C、H、S能燃烧放热构成可燃成分，但S燃烧后生成的而氧化硫为有毒气体。所以视硫为有害成分；氧和氮的存在相对降低了可燃成分的含量，属于有害物质；水分(W)的存在不仅相对降低了可燃成分含量，而且水分在蒸发时要吸收大量的热，所以视水为有害物质；灰分的存在不仅降低了可燃成分的含量，而且影响燃烧过程的进行，在燃烧过程中易溶结成块，阻碍通讯，造成燃料浪费和增加排灰的困难。第二章燃料及燃烧计算10〔2〕固(液)体燃料的成分分析碳[C]：是固体和液体燃料的主要成分。常以其含量评价燃料的质量。在固体燃料中碳的含量变动在50~90%之间。氢[H]：是固体和液体燃料的第二主要成分。在燃烧中有两种存在形式：一种叫可燃氢，燃烧时能大量放热；另一种叫化合氢，与氧结合为水，不能燃烧放热。氮[N2]：氮不参加燃烧反响，不能放热，是燃料中的惰性物质。氮存在时相对降低了碳、氢等可燃物的含量，但因含量较少，通常只有l~2%左右，故危害不大。燃料燃烧后氮仍以本身形态进入废气。第二章燃料及燃烧计算11第二章燃料及燃烧计算氧[O]：氧是固、液体燃料中的有害组成物，它不能燃烧，也不能助燃。因为它已和燃料中的碳、氢等可燃物形成H2O、CO等氧化物，使这局部可燃物不能燃烧放热，从而降低了燃料的发热能力。硫[S]：是有害组成物，在燃料中有三种〔有机硫、、黄铁矿硫、硫酸盐硫〕存在形式。前两种硫能燃烧放热，计算中把它们当作自由存在的硫，并统称挥发硫。最后一种硫不能燃烧，它以各种硫酸盐的形式存在于燃料中水分[H2O]：是有害组成物。本身不能放热，还要吸收大量热以加热其蒸汽至燃烧产物的温度。灰分[A]：是最有害的组成物。燃料中的灰分就是一些不能燃烧的矿物杂质。12〔3〕液体和固体燃料成分的表示方法成分表示方法有四种，即：供用成分：燃料实际使用时的成分枯燥成分：燃料排除水分后的成分可燃成分：燃料不考虑水分和灰分的成分

有机成分：燃料只含C、H、O、N四种元素的成分

第二章燃料及燃烧计算C用+H用+O用+N用+S用+A用+W用=100%C干+H干+O干+N干+S干+A干=100%C燃+H燃+O燃+N燃+S燃=100%C机+H机+O机+N机=100%13换算的根本原理是：燃料中各种成分子任何一种表示方法中，其质量相等。第二章燃料及燃烧计算〔4〕液体和固体燃料成分的表示方法固体、液体燃料的成分换算系数

已知的燃烧成分

欲换算的燃料成分有机成分“机”可燃成分“燃”干燥成分“干”供应成分“供”有机成分“机”——(100-S燃)/100[100-(S干+A干)]/100[100-(S用+A用+W用)]/100可燃成分“燃”100/(100-S燃)——(100-A干)/100[100-(W用+A用)]/100干燥成分“干”100/[100-(S干+A干)]100/(100-A干)——(100-W用)/100供应成分“供”100/[100-(S用+A用+W用)]100/[100-(W用+A用)]100/(100-W用)——145.燃料的发热量A.燃料发热量的概念

单位质量(体积)的燃料完全燃烧时所放出的热量称为燃料的发热量，用Q表示，单位为kJ/kg

或kg/m3

。根据燃烧产物的状态，燃料的发热量有高发热量(废气中的水均冷却成0℃的液态水

)和低发热量(废气中的水均冷却成20℃的水蒸气

)之分，在燃烧计算时一般用，高、低发热量之间有如下关系：GWQDWQDWQKgKJHWQQ用用yDWyGW

)9(17.25++=第二章燃料及燃烧计算/15B.发热量的计算〔1〕气体燃料发热量的计算〔2〕固(液)体燃料的发热量计算〔3〕混合煤气的发热量计算32424

231599360108128mKJSHHCCHHCOQ用用用用用用DW++++=KgKJWSOHCQ用用用用用用DW

25)(1091030339---+=321

)1(mKJQxxQQ用用用DW-+=第二章燃料及燃烧计算///16C．标准燃料国家规定标准燃料的发热量等于29.27×10KJ/Kg，即2000Kcal/Kg的燃料为标准燃料，燃料的发热量与标准燃料发热量的比值称为燃料的热当量。用以评价燃料质量的优劣。3第二章燃料及燃烧计算17第二章燃料及燃烧计算6.常用燃料的种类、性质和用途一、冶金生产常用煤气有高炉煤气，焦炉煤气，发生炉煤气，天然煤气。A、高炉煤气高炉煤气是炼铁生产的副产品，冶炼每吨生铁大约得到4000标米3的煤气。主要可燃成分为CO，含量随着炼铁生产波动而波动，一般不超过三分之一。大量是不可燃的N2，含量超过50%，CO2含量超过10%。高炉煤气发热量很低，仅3560~3980kJ/m3，一般与焦炉煤气混合使用。

18第二章燃料及燃烧计算B、焦炉煤气焦炉煤气是炼焦生产的副产品，每炼一吨焦炭大约得到300~380标米3煤气。主要成分是H2，含量超过50%，其次是CH4，含量占25%，其余是少量CO、N2、CO2、H2S等。焦炉煤气发热量比较高，可达16750~l8840kJ/m3，一般做为民用燃料，也可与高炉煤气混合使用。19第二章燃料及燃烧计算C、发生炉煤气在没有高炉煤气和焦炉煤气的地区，可以将固体燃料直接加工得到发生炉煤气，主要成分是CO，含量不到三分之一，其次是H2，含量可达10%，不燃成分主要是N2，含量超过50%。发生炉煤气发热量比较低，仅5020~6280kJ/m3。20D、天然气天然气是一种发热量很高的优质燃料。主要可燃成分是甲烷CH4，含量在80%以上，发热量约为3490~37680kJ/m3，理论燃烧温度高达1090℃。有的天然气和石油产在一起，叫做伴生天然气，它的主要可燃成分除了甲烷以外，还含有较多的不饱和烃(约占30%)，发热量高达41870kJ/m3。E、使用煤气平安知识使用煤气要注意平安。输送管道要严密无缝隙。防毒、防爆，严格遵守煤气平安制度。第二章燃料及燃烧计算21第二章燃料及燃烧计算二、液体燃料液体燃料包括汽油、煤油、柴油及重油等。冶金炉及其他工业炉用的液体燃料主要是重油。重油较稠浓，为黑褐色或绿褐色，发热量高达39780～41870kJ/kg。重油是石油的加工产物，是高炉较为理想的喷吹燃料。我国商品重油共分4个牌号，即20、60、100和200号重油。每个牌号的命名是按照该重油在50℃时的恩氏粘度来确定的。22第二章燃料及燃烧计算重油的粘度粘度是表示流体质点之间内摩擦力大小的一个物理指标。粘度的大小对重油的输送和雾化都有很大影响，因粘度愈大流动性愈小。23第二章燃料及燃烧计算三、固体燃料木材、木炭、煤、焦炭、粉煤等都是固体燃料，在冶金生产中有实用意义的是煤、焦炭和粉煤。A、煤我国煤的特点是：煤质优良，储量丰富，分布普遍。按照煤的生成过程，煤可分为四类：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。泥煤年龄最轻，无烟煤最老。工业上应用最多的是烟煤。24第二章燃料及燃烧计算25第二章燃料及燃烧计算(2)固定碳就是煤分解出挥发分以后，残留下来的固体可燃物质(不包括灰分)。固定碳的主要成分是C。但不是纯C。还残留有少量其他元素如H、O、N等。(3)灰分煤完全燃烧以后，残留下来的固体矿物灰渣，称为灰分。(4)水分26第二章燃料及燃烧计算27第二章燃料及燃烧计算c、无烟煤无烟煤是煤中埋藏年代最久，炭化程度最高的煤，几乎全部有碳组成。无烟煤的特点是含固定碳最多达90%以上，挥发分极少，仅3~9%。无烟煤组织致密、坚硬、不易吸水，便于长期保存。发热量可达32660kJ/kg左右，是一种很好的民用燃料。近来高炉喷吹煤粉也多由无烟煤磨制而成。28第二章燃料及燃烧计算29c)、块度冶金焦炭的块度一般规定为25~125毫米，小于25毫米者不超过2%。d)、灰分冶金焦炭中灰分应尽量少e)、反响能力冶金焦炭的反响能力是指高温下焦炭复原CO2的能力.在中性或氧化性的鼓风炉中那么要求焦炭的反响能力小。在复原性的炉中，焦炭不仅是热能来源，并且起复原剂作用，以保证工艺过程在复原性气氛中进行。反响能力强，第二章燃料及燃烧计算30第二章燃料及燃烧计算31第二章燃料及燃烧计算2.2燃烧计算32第二章燃料及燃烧计算b、完全燃烧与不完全燃烧燃料中的可燃物全部与氧发生充分的化学反响，生成不能燃烧的产物CO2、H2O、SO2等叫完全燃烧。燃料的不完全燃烧存在两种情况：(1)化学性不完全燃烧燃烧时燃料中的可燃物质没有得到足够的氧，或者与氧接触不良，因而燃烧产物中还含有一局部能燃烧的可燃物H2、CO等被排走，这种现象叫化学性不完全燃烧。(2)机械性不完全燃烧指燃料中的可燃物未参加燃烧反响就损失掉的那局部。不管是那种情况的不完全燃烧都造成燃料的损失，降低燃烧温度。所以必须分析原因，掌握其内部规律，采取准确措施，主动地防止不完全燃烧损失。33第二章燃料及燃烧计算c、空气消耗系数燃料中可燃物燃烧时根据化学反响计算出来的空气量，叫理论空气需要量以L0表示。为了保证燃料完全燃烧，实际供给燃烧的空气量均大于理论空气需要量。实际空气需要量以Ln表示，它与理论空气需要量的比值叫空气消耗系数以n表示，即：空气消耗系数的大小与燃料种类、燃烧方法以及燃烧装置的结构特点有关。气体燃料的空气消耗系数一般在1.05~1.15之间；液体燃料为l.10~1.25；固体燃料那么更大一些，约为1.20~l.50；人工加煤的小炉子可达2。实践证明，燃料与空气混合愈好，n值愈小，n值适当能得到较高的炉温，n值过大或过小都将影响炉温降低。34第二章燃料及燃烧计算3、燃烧计算的内容及假设条件燃料燃烧的系统理论计算根底是化学计算，根据化学反响式找出反响物和生成物相互间量的变化规律。一般燃料燃烧计算包括以下内容：(1)燃料燃烧时所需要的空气量的计算；(2)燃烧产物量的计算；(3)燃烧产物的成分和密度的计算；(4)燃烧温度的计算;(5)空气消耗系数的计算。35第二章燃料及燃烧计算工程上为了适用、简便起见，燃烧计算采取以下假定：(l)燃料中可燃成分完全燃烧。元素的分子量取近似整数计算。(2)气体的体积都按标准状态(0℃和101825Pa)计算。任何气体在标准状态下的千克分子体积(或千摩尔体积)都是22.4立方标米；(3)当温度不超过2100℃时，在计算中不考虑燃烧产物的热分解，亦不考虑固体燃料中灰分的热分解产物。(4)计算空气量时，忽略空气中的微量稀有气体及CO2，认为干空气中O2和N2的36第二章燃料及燃烧计算燃料燃烧的分析计算法是根据化学反响进行计算。计算中的关键是计算燃烧所需的氧，然后按空气中N2和O2比例就可求出所需的空气量和燃烧产物量。2、燃料燃烧的分析计算法37第二章燃料及燃烧计算气体燃料燃烧计算除上述共性外，还具有以下特殊点：(1)气体燃料的L0及V0指的是1m3气体燃料完全燃烧时所需要的空气量和生成的燃烧产物量，其单位为m3/m3；(2)因为任何气体的千克分子体积在工程计算中都可以看成22.4m3，所以燃烧反响方程式中反响物与生成物之间的分子比就是体积比。A、气体燃料燃烧理论空气需要量和燃烧产物量的计算38第二章燃料及燃烧计算气体燃料的组成成分以体积百分数表示。燃烧计算时用湿成分。计算过程中取100m3，故各成分体积百分含量的绝对值，与其体积数相等。例如100m3的煤气中含CO为30%，CO的数量就是30m3。气体燃料中可燃成分有CO、H2、CH4、C2H4、H2S，它们的化学反响式如下：CO+½O2→CO2H2+½O2→H2OCH4+2O2→CO2+2H2OC2H4+2O2→2CO2+2H2OH2S+3/2O2→H2O+SO239第二章燃料及燃烧计算气体燃料中的CO2、N2、H2O及少量SO2，燃烧过程中不反响，燃烧后直接进入废气。故1m3气体燃料燃烧的燃烧产物量为：那么燃烧所需的氧为：1m3的气体燃料燃烧，理论空气需要量为：40第二章燃料及燃烧计算固体和液体燃料燃烧计算除与气体燃料燃烧计算具有共性外，其单独的特点是计算过程是以千克分子〔Kg/mol〕数作为计算单位，其最终结果仍应换算为体积表示。固体和液体燃料燃烧的理论空气需要量及理论空气燃烧产物量，仍分别用L0和V0代表，单位是m3/Kg，它表示1Kg固体或液体燃料完全燃烧时所需要的空气和生成的燃烧产物的体积。B、液体和固体燃料燃烧理论空气需要量和燃烧产物量的计算41第二章燃料及燃烧计算固体和液体燃料的可燃成分为碳、氢、硫，其完全燃烧时的化学反响方程式为：可燃成分完全燃烧时的化学反响方程式碳(C)C+O2=CO212Kg32Kg44Kg22.4m322.4m3氢(H)H2+½O2=H2O2Kg16Kg18Kg22.4m322.4m3硫(S)S+O2=SO232Kg32Kg64Kg22.4m322.4m342第二章燃料及燃烧计算工业上所使用的固体或液体燃料组成成分共有七种，即：C用+H用+O用+N用+S用+A用+W用=100%上述七种组成物性质不同，燃烧计算时的处理情况也不同。灰分不参加燃烧反响，也不变成气态燃烧产物，所以不计算它。碳、氢、硫均系可燃成分，能燃烧放热，燃烧所需的氧就是根据它们的燃烧反响来计算的。氮、水分不发生变化，燃烧后直接进入废气中。O用是指燃料中原有的氧。43第二章燃料及燃烧计算取100kg燃料进行燃烧计算，先将各组成成分的质量换算成千克分子数：C用/12;H用/2;O用/32;N用/28;S用/32;W用/18得出100Kg燃料燃烧时所需要的氧千克分子数为：100kg燃料燃烧所需的理论空气量为:44第二章燃料及燃烧计算以千克分子数表示的理论空气量换算成体积，即1kg燃料燃烧的理论空气量为：100kg燃料燃烧的理论燃烧量的千克分子数为:那么1kg燃料燃烧的理论燃烧产物量为：45第二章燃料及燃烧计算b、当考虑到空气中的饱和水蒸汽时C、燃料燃烧的实际空气需要量和实际燃烧产物量的计算a、当空气消耗系数n>1时：实际空气需要量为：Ln=nLom3/kg或m3/m3

实际燃烧产物量为:m3/kg或m3/m3实际空气需要量应为:m3/kg或m3/m3实际燃烧产物量:m3/kg或m3/m346第二章燃料及燃烧计算

燃烧产物的成分是指燃烧产物中各种组分所占的体积百分数。

燃烧产物的密度是指1m3燃烧产物所具有的质量，单位是kg/m3。燃烧产物的成分和密度都是进行热工计算时必须知道的原始数据。其中燃烧产物成分是计算炉气黑度的依据，燃烧产物密度在气体力学方面的计算中要经常用到。D、燃烧产物成分和密度的计算47第二章燃料及燃烧计算a、固体和液体燃料的燃烧产物成分和密度的计算燃烧产物成分:48第二章燃料及燃烧计算(2)当不知燃烧产物的成分时，可以根据物质不灭定律(参加燃烧反响的原始物质的质量应等于燃烧反响生成物即燃烧产物的质量)，用下式计算燃烧产物的密度：燃烧产物的密度(1)当燃烧产物的成分时，燃烧产物的密度ρ可用下式计算49第二章燃料及燃烧计算b、气体燃料的燃烧产物成分和密度的计算燃烧产物成分:50第二章燃料及燃烧计算(2)当不知燃烧产物成分时，其计算公式为：燃烧产物的密度:(1)当燃烧产物的成分时，燃烧产物的密度ρ可用下式计算：51第二章燃料及燃烧计算一、燃烧温度的概念燃料燃烧放出的热量，全部被燃烧产物所吸收，燃烧产物所能到达的温度叫燃料的燃烧温度。4、燃烧温度燃烧温度既与燃料内部的化学组成有关，又受外部燃烧条件的影响。即燃烧温度的上下，取决于燃烧产物中所含热量的多少。燃烧产物中所含的热量越多，它的温度就越高。燃烧产物中所含热量的多少，取决于燃烧过程中热量的收入和支出。根据能量守恒和转化定律，燃烧过程中燃烧产物的热量收入和热量支出之间必然相等，写出它的热平衡方程式，就可以算出它的燃烧温度。52第二章燃料及燃烧计算热量的来源(即燃烧过程热平衡方程式的收入项)有(1)燃料的化学热Q低(2)空气的物理热Q空气(3)煤气的物理热Q煤气热量的支出项有:(1)燃烧产物得到的热量Q产(2)传给周围介质的热量Q介(3)由于不完全燃烧所损失的热量Q不(4)由于燃烧产物的热分解而损失的热量Q解因此，燃烧过程的热平衡方程式为：Q低+Q空气+Q煤气=Q产+Q介+Q不+Q解53第二章燃料及燃烧计算根据热平衡方程式，可求出燃烧产物所含的热量为：Q产=Q低+Q空气+Q煤气-Q介-Q不-Q解又因：得：t产反映了在生产实际条件下燃烧产物所能到达的实际温度，所以叫做“实际燃烧温度〞，并用符号t产表示。在完全燃烧和绝热条件下，也就是当Q不和Q介都等于零时，燃烧产物所能到达的温度叫做“理论燃烧温度〞，即：得：54第二章燃料及燃烧计算二、燃烧温度的计算由求出以下各项参数：(1)燃烧产物的体积Vn。(2)燃烧产物的平均热容量c产，可以根据燃烧产物的成分及每种成分的平均热容量来计算。(3)燃料的低发热量Q低。(4)空气的物理热Q空气。(5)煤