火法冶金设备——2燃料与燃烧(4学时).ppt

1、火法冶金设备,第2章 燃料与燃烧,第2章 燃料与燃烧,2.1 概述 2.2 燃料 2.3 燃烧计算 2.4 燃料的燃烧与燃烧器,2 燃料与燃烧,2.1 概述 实现冶金过程需要能源。用作冶金的能源主要是燃料和电力，其中碳质燃料的消耗达到30%。因此，在冶金生产过程中，正确地选择和使用燃料，对提高炉子生产、降低生产成本，改善劳动条件，都具有特别重要的意义。,我国冶金工业消耗的能源约占全国总能耗的1214%，是能耗的大户。能源的种类很多，有燃料、电力、太阳能、水能、风能、潮汐能、地热能和原子能等。冶金工业的能源主要是碳质燃料。,自2002年起，我国十种有色金属产量居世界第一，2004年十种有色金属产

2、量为1400万吨，2005年产量达到1635万吨， 2006年产量达到1917万吨。 十种有色金属产量 万吨,最新统计数据显示，2006年我国粗钢产量为42266万吨；钢材产量为47340万吨。 预计2007年我国粗钢产量达到4.8亿吨。,我国有色金属工业年消耗标准煤超过7000万吨，约占全国能源消耗量的3.48%。 2003年我国有色金属工业消耗电力1052亿千瓦时，煤炭1765万吨，焦碳159万吨，燃料油80万吨。单位消耗4.76吨标准煤。 其中铝冶金为耗能大户，年耗电力占国内电力总消耗的4%，约占有色金属工业总能耗的75%以上。 2006年全国消耗能源24.6亿吨标煤，其中原煤23.7亿

3、吨。1.18吨标煤/千美元GDP，为美国的3倍、日本的6倍。,2004年版中国节能技术政策大纲明确规定：到2010年十种有色金属单位产品能耗必须由2000年的4.642吨标准煤降低到4.305吨标准煤，到2020年降低到4.095吨标准煤，其中：,单位：吨标准煤,十届全国人大四次会议 2006.3.5 2006年国民经济和社会发展主要预期目标: 国内生产总值增长8%左右; 单位国内生产总值能耗降低4%左右; 居民消费价格涨幅控制在3%; 城镇新增就业900万人,失业率控制在4.6%; 国际收支平衡。,十届全国人大四次会议 2006.3.5 “十一五”规划纲要提出经济社会发展主要指标22个，其中

4、8个是约束性指标: 全国总人口控制在13.6亿人; 单位GDP能耗降低20%左右; 单位工业增加值用水量降低30%; 耕地保有量保持1.2亿公顷； 主要污染物排放总量减少10%； 森林覆盖率达到20%； 城镇基本养老保险覆盖人数达到2.23亿人; 农村合作医疗覆盖率提高到80%以上。,十届全国人大四次会议 2006.3.5 在人大政府工作报告和“十一五”规划纲要中，均把单位GDP能耗指标列入，这是我国首次将能耗指标列入国家经济社会发展目标。 表明了产业结构调整方向，即控制高耗能产业的发展规模，鼓励促进低能耗产业； 督促企业进行技术升级，通过技术创新、改造新工艺，以最小的能耗换来最大的产出； 扩

5、大全社会的节能意识。,资源节约措施: 运用各种手段，促进节约使用和合理使用资源; 鼓励发展节能降耗产品和节能省地型建筑; 大力推动以节能降耗为重点的设备更新和技术改造，加快淘汰高耗能、高耗水、高耗材的工艺、设备和产品; 加强管理，把节能降耗纳入经济社会发展的统计、评价考核体系; 建设资源节约型社会。,2006年完成情况： （十届人大五次会议报告） 国内生产总值（GDP)增长10.7%; 单位国内生产总值能耗降低1.23%; 主要污染物排放总量? 没有实现目标！,2.1.1 燃料的定义及种类,燃料的定义 凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地被利用在工业和其他方面的物质统称为燃料。

6、燃料的分类,表1-2-1 燃料的一般分类,（1）气体燃料：各种简单气体的混合物,可燃成分：CO、H2、CH4、CnHm等碳氢化合物，以及H2S； 不可燃成分：N2、CO2、SO2、O2、H2O等，微量的粉尘。 （2）固、液体燃料：碳、碳氢、氧、氮、硫等可燃化合物 可燃成分：C、H、CnHm、H2S等，以及硫化物MeS； 不可燃成分：N、O、硫酸盐、灰分和水分等。,2.1.2 组织燃烧过程和炉子工作关系,使用燃料的炉子中，燃烧装置是炉子的重要组成部分，而燃料的燃烧过程是炉子热工过程的重要内容。所以，燃烧过程不仅影响炉子的产量和质量，而且还影响炉子的使用寿命、车间的劳动生产条件和操作环境等；同时还

7、在很大程度上决定产品的成本。 在炉子设计与生产中考虑如何合理地选用燃料，如何选择和计算燃烧装置，以及如何保证冶炼所需的高温等是非常重要的，因此必须很好地组织炉内的燃烧过程，掌握燃料的特性及其燃烧过程的规律和燃烧计算，合理地设计燃烧器。,2.2 燃 料,作为工业燃料应满足以下要求： 燃烧时能放出大量的热量，能满足生产工艺对热量的需要； 燃烧过程便于控制和调节； 燃烧产物主要是气体，且对人、动物和设备没有危害； 蕴藏量大，便于开采和运输，成本底。,2.2.1 燃料的组成与换算,2.2.1.1 气体燃料的化学组成与换算 化学组成：通常是以体积百分含量表示。 干成分：不含水分的体积百分含量（%）， 例

8、如： COg+H2g+N2g=100% 湿成分：包括水分在内的体积百分含量（%），例如： COs+H2s+N2s+H2Os=100%,实际使用的燃料都有水分，故湿成分即为实用成分；因为1m3标的干燃气能吸收的饱和水蒸汽量为g克，其水蒸汽的体积为 (g/18)22.4 10-3 = 0.00124g m3标 此时湿燃气的体积为 (1+0.00124g) m3标, 气体燃料组成的表示方法和换算,在不同的温度下干燃气能吸收的饱和水蒸汽量g值是不同的，燃气干、湿成分的换算如下： 以MS表示某组分的湿成分，Mg表示该组分的干成分；则,式中： gGH2O每标米立方干燃气在一定的温度下所吸收的饱和水蒸气量，

9、gNm-3，根据温度由有关手册查得。,2.1.1.2 固体和液体燃料的化学组成与换算, 化学成分 固、液燃料的化学元素共有七种： C、H、O、N、S、灰分和水分。 表示方法及换算 其成分常用各化学组成的质量百分含量表示： 实用成分、干燥成分、可燃成分、有机成分,碳（C）：C在固、液体燃料中以化合物状态存在，C能燃烧，它是固、液体燃料中的主要可燃成分。 氢（H）：H在固、液体燃料中以两种形式存在：一种是与C、S化合的氢，称可燃氢或有机氢，能燃烧且放出大量的热（是碳的3.5倍）；另一种是与O化合的氢，不能燃烧。 氧（O）：固、液体燃料中O与C、H等元素化合后，既不能燃烧、又不能助燃。 氮（N）：固

10、、液体燃料中的N是惰性物质，不能燃烧；它的存在，使燃料中的可燃质减少，降低燃料的质量。 硫（S）： S在固、液体燃料中以三种形式存在：有机硫，与C、H化合的S，能燃烧；黄铁矿硫，与铁化合为FeS2，能燃烧；硫酸盐硫，存在与各种硫酸盐中，如CaSO4、FeSO4中的硫，不能燃烧。 灰分（A）：燃料中不能燃烧的矿物质，其主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等。 水分（W）：水分（A）是有害物质成分，不仅降低燃料的质量；而且在燃烧过程，由于水的蒸发消耗热量，使燃烧温度降低。,Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy=100% 干燥成分：不含水分 Cg+Hg+Og+Ng+Sg+Ag=10

11、0%分析基 可燃成分：不含水分和灰分 Cr+Hr+Or+Nr+Sr=100% 有机成分：除去水分、灰分和硫 Cj+Hj+Oj+Nj=100% 换算的前提是：各化学组成的质量绝对值不变。,实用成分：包括水分和灰分,例2-1：已知烟煤的成分为：Cr81.5%，Hr5.00%，Sr1.5%，Or1.00%，Nr2.00%，Ag12.00%，Wy15.00%；求该煤的实用成分。 解：以C为例，先求灰分的实用成分 干燥成分与实用成分：, Cy=0.748Cr=0.74881.5%=60.96% Hy=0.748Hr=0.7485.00%=3.74% Oy=0.748Or=0.74810.00%=7.48

12、% Ny=0.748Nr=0.7482.00%=1.5% Sy=0.748Sr=0.7481.5%=1.12% 则: Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy =60.96%+3.74%+7.48%+1.5%+1.12%+10.20%+15.00%=100%,实用成分与可燃成分之间的换算关系有：,2.2.2 燃料发热量及计算,燃料发热量及标准燃料的概念: 单位质量（或单位体积）燃料在完全燃烧时放出的热量，用“Q”表示，单位是“kJ/m3” 或“kJ/kg” 。 高发热量：单位质量（或单位体积）燃料在完全燃烧后，燃烧产物冷却至20，产物中的水则冷凝为0时，所放出的热量；用“QGW” 表示。 低发

13、热量：单位质量（或单位体积）燃料在完全燃烧后，燃烧产物冷却至20，产物中的水也为20时，所放出的热量；用“QDW” 表示。 QGW与QDW的关系： QGW= QDW+25.12（Wy+9Hy）,标准燃料的概念,标准燃料：规定发热量为29309kJkg-1 的燃料为公斤标准燃料。例如发热量为QDW=24201 kJkg-1的烟煤，其公斤标准燃料为：,（1）气体燃料：kJm-3（标准状态）QDW=128COS+108H2S+360CH4S+599C2H4S+231H2SS （2）固、液体燃料：kJkg-1 ，门捷列夫公式：QDW=339Cy+1030Hy109（OySy）25Wy,发热量的计算,多

14、少大卡？,2.2.3 常用燃料,燃气 冶金生产常用的燃气有高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、重油裂化气和天然气等。钢铁联合企业广泛采用高炉煤气和焦炉煤气；有色冶金企业往往使用发生炉煤气或石油裂化气。 液体燃料 用于冶金的液体燃料主要有重油、重柴油和轻柴油。 固体燃料 冶金生产使用的固体燃料主要是煤及其加工产品焦炭和粉煤。,2.3 燃烧计算,2.3.1 概述 燃料燃烧计算是根据燃料在燃烧过程中的物质平衡的原理进行的。它是炉子热工计算的重要组成部分。 燃料燃烧计算的内容有：燃烧需要的空气量、燃烧产物的生成量，成分和密度以及燃烧的温度。,燃料燃烧计算过程的假设条件,气体的体积按标准状态（0，10132

15、5Pa）下的体积计算。在标准状态下，1kmol的任何气体其体积为22.4m3； 燃料的化学成分，按实际使用状态时成分计算，即固体（液体）燃料为应用成分，气体燃料为湿成分； 燃料完全燃烧，当温度不高于2100时，不计热分解消耗的热量和分解的产物； 燃料燃烧需要的氧气来自空气。空气的成分由O2和N2组成，不计其他气体。按体积，空气中O2的含量为21，N2的含量为79%。如果需要按湿空气计算时，则取饱和水蒸汽的含量。 计算结果通常只取小数点以后的两位。,2.3.2 空气消耗量、燃烧产物量及其成分,燃气燃烧空气需要量的计算 理论空气需要量的计算：L0（燃料中可燃成分完全燃烧反应的需氧量） 煤气中可燃成

16、分（CO、H2、CnHm、H2S）的燃烧反应： CO + O2 = CO2 体积（标准状态下的m3）： 1 1 H2 + O2 = H2O 体积（标准状态下的m3）： 1 1,CnHm +（n +m/4）O2 = nCO2 + m/2 H2O 体积： 1 n + m/4 n m/2 H2S + O2 = H2O + SO2 体积： 1 3/2 1 1 则：燃烧1m3（标）的煤气所需要的氧气量为 O2 = (COS + H2S) +(n + m/4 )CnHmS +3/2H2SS O2S(m3) 空气需要量为（m3） L0 = 4.762 O2 =4.7621/2（COS + H2S ）+ （n

17、 + m/4 ） CnHmS + 3/2 H2SS- O2S,实际空气需要量的计算：Ln,Ln = nL0 式中n为空气消耗系数: 煤气有焰燃烧 n = 1.031.05 煤气无焰燃烧 n = 1.051.20,固液体燃料燃烧空气需要量的计算,理论空气需要量的计算：L0 实际空气需要量的计算：Ln 燃烧产物的计算： 燃烧产物量的计算：Vn 燃烧产物成分的计算：M 燃烧产物密度的计算：0,理论空气需要量的计算：L0,固液体燃料中的可燃成分有C、H、S，且完全燃烧，燃烧反应如下： C的完全燃烧反应： 反应 C + O2 = CO2 质量 12 32 44 mol数 1 1 1 则燃料中含碳为Cy（

18、%），1kg燃料中碳的质量为Cy /100（kg），mol数为：,根据以上反应1mol的C，需要1mol的O2；同时产生1mol的CO2。,H的完全燃烧反应,反应 H2 + 1/2 O2 = H2O mol质量 2 16 18 mol数 1 1/2 1 则燃料中含氢为Hy（%），1kg燃料中氢的质量为Hy /100（kg），mol数为：,根据以上反应1mol的H，需要1/2 mol的O2；同时产生1mol的H2O。,反应 S + O2 = SO2 mol质量 32 32 64 mol数 1 1 1 则燃料中含硫为Sy（%），1kg燃料中硫的质量为Sy /100（kg），mol数为：,S的完全燃

19、烧反应,根据以上反应1mol的S，需要1mol的O2；同时产生1mol的SO2。,固、液体燃料中的可燃成分C、H、S完全燃烧所需的氧量为：,标态下，1kmol质量物质的体积为22.4m3，而1m3的氧气相当于4.762m3的空气； 固、液体燃料完全燃烧所需的空气量为：, 实际空气需要量的计算：Ln,Ln=nL0 m3/kg 人工层状燃烧n=1.21.5 机械层状燃烧n=1.21.3 固体 n为空气消耗系数 粉煤燃烧 n=1.151.25 重油低压烧嘴燃烧n=1.101.15 重油高压烧嘴燃烧n=1.201.25,2.3.2.3 燃料燃烧产物的计算,根据燃烧反应的物质平衡原理，燃料燃烧产物的计算

20、内容有：气态产物的生成量、气态产物的成分和密度。 （1）燃烧产物生成量的计算 碳质燃料燃烧生成的气态产物主要有CO2、H2O（g）、SO2、N2和O2，它们是由燃料中的可燃物燃烧生成或非可燃物（除灰分）转入的，以及助燃空气带入的。标准状态下1m3的湿燃气完全燃烧时生成的产物量Vn为各成分生成量之和，即：,燃烧产物的计算,燃烧产物量的计算：Vn,(2)燃烧产物成分的计算：M,（3）燃烧产物密度的计算：0,燃烧产物密度是指标准状态下1m3燃烧产物所具有的质量，用0表示，单位是kgm-3。,对气体燃料：,对固体、液体燃料用此式计算：,2.3.3 燃烧温度的计算,炉内温度的高低是保证炉子工作的重要条件

21、。以燃料供热的炉子，炉温的高低主要取决于燃料燃烧产物的温度。 由于燃烧条件不同，燃烧温度有理论温度和实际温度。,理论燃烧温度tth,指在绝热的条件下，燃料完全燃烧时达到的温度tth，该温度可根据燃料燃烧过程的热平衡关系求得：按单位燃料燃烧计算，燃烧过程有热收入、热支出。,热收入： 燃料完全燃烧放出的热量 QDW 燃料带入的物理热Qf 空气带入的物理热Qa,热支出：燃烧产物吸收的热量QC.P燃烧产物高温下热分解消耗的热量Qt.d燃料不完全燃烧而损失的热量Qi 由燃烧产物传给周围物体的热量Qt.c,由以上关系燃料燃烧的实际燃烧温度的计算式为,式中 tc.p实际燃烧温度， Qc.p=VnCc.ptt

22、h QDWQfQaVnCc.ptth,由于燃烧产物的平均比热Cc.p是理论燃烧温度tth的函数。为了计算简便，工程上往往利用It图图解法近似计算。It图如图1-2-1所示，即 tth=f（I，VL%） 式中： I=Cc.ptth燃烧产物在理论燃烧温度时的热含量，kJm-3 VL%=(Ln-Lo)/Vn过剩空气在燃烧产物中的体积百分数，% 根据已知的I和VL%，便可从图1-2-1中查得理论燃烧温度tth。,图1-2-1 I-t图,燃料在实际燃烧过程所达到的温度称为实际燃烧温度，用tc.p表示。实际燃烧温度tc.p比理论燃烧温度tth低。其原因是燃料不完全燃烧以及燃烧过程散热等因素造成的热损失。由

23、于无法准确计算，所以目前工程上多按以下经验公式近似计算： tc.p=tth 式中为炉温系数，是经验值，可由表1-2-11查得。,2.3.3.2 实际燃烧温度,表1-2-11 某些炉子的炉温系数,2.4燃料的燃烧与燃烧器,燃料的燃烧过程是急剧氧化的过程,并伴随着放热和发光。燃料燃烧的必要条件是供给足够的助燃空气和加热到着火温度。 着火温度是指燃料与空气的混合物进行化学反应自动加速而达到自燃着火的最低温度。,2.4.1 气体燃料的燃烧及烧嘴,2.4.1.1 燃气燃烧过程：分为三个过程 燃气与空气混合物的混合：即二者是互相扩散掺混的过程 燃气和空气混合气物的加热与着火（自然着火和强迫着火） 燃烧反应

24、：燃烧反应机理为支链反应,一个氢原子可产生三个氢原子，再燃烧时可产生九个氢原子，如此下去，从尔大大加速氢气的燃烧速度,2.4.1.2 燃气的燃烧方法,有焰燃烧： 燃气与助燃空气不预先混合，从燃烧器喷出后，边混合边燃烧的过程；属扩散燃烧。 有焰燃烧可用于要求火焰长、炉温均匀的火焰炉。 无焰燃烧： 燃气与助燃空气混合后从燃烧器喷出燃烧的过程。 无焰燃烧可用于中小型的火焰炉。 概念：火焰传播速度、回火、灭（脱）火,2.4.1.4 燃气燃烧器烧嘴,有焰烧嘴 有焰燃烧所用的燃烧器称为有焰烧嘴。常用的有焰烧嘴有套管式烧嘴、低压涡流式烧嘴、扁缝涡流式烧嘴、环缝涡流式烧嘴等同。 无焰烧嘴 目前工业上应用的无焰烧嘴多为喷射式烧嘴。它是以燃气作为喷射介质，按比例吸入助燃所需的空气，并在混合管道内充分混合，而后喷射燃烧。其结构示意图如图1-2-5所示。,2.4.2 液体燃料的燃烧与烧嘴,工业生产使用的液体燃料主要是重油 重油燃烧过程：雾化、油雾与空气混合、混合物燃烧及燃烧反应四个过程。 重油烧嘴 低压烧嘴：通常用鼓风机供给的空气作雾化剂（风压0.30.7104Pa