【燃料及其燃烧过程】燃料与燃烧

第三章 燃料及其燃烧过程与设备

硅酸盐制品需要消耗大量的热量。

热量的来源：

1、燃烧燃烧产生，即化学能转化为热能。资源丰富，但价格低廉 2、以电为热源，即电能转化为热能。效率高，但相对短缺。 目前硅酸盐行业热源以燃烧为主。

第一节 燃料的种类及组成

燃料：在燃烧过程中能过发出热量并能利用的可然物质 燃料的种类 按状态分：

固体燃料：木碳，煤等。其中煤又分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。 液体燃料：石油及其制品。

气体燃料：天然气、人造煤气。 按来源分：

天然原料： 人工原料： 一、固体燃料： （一）煤的种类及特点：

按国家标准，分为三类:褐煤、烟煤、无烟煤

1). 褐煤：外观褐色，光泽黯淡。水分含量高，热值低，密度较小，含氧量高，化学反应强，极易氧化和自然。常作为加压气化燃料，锅炉燃料

2). 烟煤：挥发份含量高、灰分及水分较少，发热量高。可划分贫煤、焦煤、气煤 3). 无烟煤：挥发份含量低，燃点较高，燃烧时没有粘结性。 （二）、固体燃料的组成及换算 ： 常用两种表示方法：

（1）元素分析法：C、H、O、N、S、A （灰分） 、M （2）工业分析法：挥发分（V）、固定碳（FC）、A、M 1、元素分析法： C、H、O、N、S、A、M

C：煤中含量最多的可燃元素，一般含量为15-90%

以两种形式存在：碳氢化合物：碳与氢、氮、硫等元素结合成有机化合物

碳呈游离状态:

H、可燃元素，一般含量为 3-6%

以两种形式存在：化合氢（H2O)：与氧化合成结晶水形式(不可燃 ）

自由氢：与化合物组成的有机物，如CnHm(可燃）

O：不可燃元素，一般含量不等。它可与其它可燃物形成氧化物

N、煤中惰性气体含量为0.5-2%，在高温下与氧形成有害物质NOx,污染大气 S：含量小于5%

以三种形式存在：有机硫：与碳氢化合物结合在一起

硫化物中硫：主要存在于FeS2

硫酸盐中硫：存在于各种硫酸盐中（CaSO4 , FeSO4

 硫为有害物质。S+O2=SO2 、 SO2+O2=SO3

SO2+H2O=H2SO3 、 SO3+H2O=H2SO4

A：煤燃烧后的产物，为有害物质，降低煤的发热量，造成不完全燃烧损失。

主要产物为：SiO2 、AlO3 、FeO3 、CaO、 MgO

M：不可燃物质。水分含量增加即降低可燃物质的含量，也降低煤的发热量 煤中水分以两种形式存在：

外在水分（表面水分）：机械的附在煤表面的水分。经风干及外界条件变化可出去的水分。 内在水分（固有水分）：达到风干后煤中残留的水分。（包括化学吸附水和结晶水） 同种煤的组成成分是波动的，在表明煤的组成时，必须说明选用的基准。 常用煤的基准：

（1）收到基(应用基)（2）空气干燥基（分析基) （3）干燥基 (干燥基)（4）干燥无灰基（可燃基） 1）收到基（应用基） ：

以实际使用的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 收到基

（应用基）

收到基水分Mar有两种：外在水Mar.f和内在水Mar.in 2）空气干燥基（分析基 ）：

以实验室使用的风干煤样（用温度为20℃，相对湿度为70%的空气）为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 空气干燥基分析基

（3）干燥基（干燥基）：

以无水的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。

干燥基干燥基

（4）干燥无灰基（可燃基 ）：

以无水、无灰的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。 干燥无灰基（可燃基 ）

各种基之间的转化

例如：收到基与空气干燥基之间的转换。 设：已知Cad、Mar、Mad ，求 Car 。

解：取100kg收到基煤为基准，相当于空气干燥基煤为：(100–Mar.f)(kg) 二者含碳质量相等：收到基含碳质量=空气干燥基含碳质量

即：

2、工业分析法：

挥发分（V）+固定碳（FC）+A+M=100% 工业分析规程：

煤在隔绝空气的条件下加热，随温度升高发生的变化： 100—150℃：外部水分蒸发

200—450℃ ：碳氢化合物分解释放出可燃气体（CH4、H2、CmHn）。矿物结晶水逸出 ---850 ℃ ：气体挥发停止

1000—1100 ℃ ：完全停止一切气体逸出，残留下固体焦炭

.

二、液体燃料 分类：天然原料：石油 人工原料：重油

常用表示方法： 与固体的元素分析法(C、H、O、N、S、A 、M)相同 三、气体燃料：

工业上常用的气体燃料： 高炉煤气、发生炉煤气和天然气 组成：用体积百分数来表示。

两种表示方法：干基：不含水蒸气；湿基：含有水蒸气。 气体燃料组分：CO 、H2 、CH4…… CmHn、CO2、 O2等 干基：

(新国标） COd +H2 d+CH4d+…… CmHnd、+ CO2 d+ O2d =100% （旧国标）COg +H2 g+CH4g+…… CmHng、+ CO2 g+ O2g =100% 湿基：

(新国标）COv+H2 v+CH4v+…… CmHnv、+ CO2 v+ O2v +H2Ov=100%

（旧国标）COs +H2 s+CH4s+…… CmHns、+ CO2 s+ O2s + H2Os=100%

干基与湿基二者的换算关系：

第二节 燃料的热工性质及选用原则

一、发热量：

1、固体、液体的发热量

（1）定义：单位质量的燃料完全燃烧时所放出的热量。 单位：kJ/kg煤 高位热值Qgr.ar(QGW)：燃烧产物中的H2O已经冷凝为0℃的液态水。 低位热值Qnet.ar(QDW)：燃烧产物中的H2O为20℃的水蒸汽。

注：热值的组成与煤的组成相对应，分为应用基、分析基、干燥基、可燃基热值 （2）高位热值Qgr.ar与低位热值Qnet.ar的关系 例： Qgr.ar 与Qnet.ar 的转换

设:1kg应用基煤中，含水分Mar/100 kg, Har/100 kg 1kg固燃料生成的水量为：

 而1kg0℃的液态水变为20℃的水蒸汽所需要吸收的热量为2500 kJ/kg [+忽略项

:Cp(20-0) kJ/kg ]

同理

 不同基准时，高位热值之间的转换参见表4—1。  低位热值之间的转换参见表4—4。 （3）、热值的测定与计算

测定：固体燃料热值的测定通常采用氧弹量热仪 计算：采用一些给定的经验公式。

 元素分析法的经验公式： 

 工业分析法公式，参见教材229页（4-9，4-10）。 标准燃料的概念

 规定: 热值为29300kJ/kg（约合7000kcal/kg）的煤为标准煤。热值为41820kJ/kg（约合10000kcal/kg）

的煤为标准油。

 衡量工业用能源数量的多少通常看是消耗了多少标准煤。 2、气体燃料的发热量：

（1）定义：单位体积的燃料完全燃烧时所放出的热量。单位：kJ/Nm3

气体燃料也有高位热值Qgr、低位热值Qnet之分：

标准燃料的概念

规定: 热值为41820kJ/kg（约合10000kcal/kg）的气体为标准气。 二、其它热工性质 1、固体燃料

（1）挥发分：在隔绝空气的条件下，将一定量的煤样在温度900℃下加热7min，所得到的气态物质（不包括其中的水分）

组分：含矿物结晶水、挥发性成分和热分解产物 煤中挥发物含量影响燃烧的火焰长度及着火温度。 一般的：挥发物含量高时火焰长，着火温度低，易着火 （2）煤的粘结性

指粉碎过的煤粒在规定条件下干馏成焦，煤粒或与外加物相粘结的强度。 粘结性强的煤：易结大块； 粘结性弱的煤：易堵塞炉栅。 二、液体燃料（硅酸盐行业主要用重油性质） 重油性质 （1）粘度：

（2）闪点、燃点、着火点、凝固点

闪点：当油被加热到一定温度时，表面挥发逸出蒸汽。 当火焰接近时，油类会出现短暂的兰色亮光，此

时油温为―闪点‖。

燃点：油温继续提高至点燃后连续不熄，此时油温为―燃点‖。 着火点：油温升高至表面油蒸汽自燃起来,此时油温为―着火点‖ 凝固点：油类完全失去流动时的最高温度为凝固点。 （3）水分

含水分高，容易降低燃料的发热量，但燃烧时需要掺加少量的水，以利于重油雾化。 （4）机械杂质：重油中的杂质，易堵塞油泵及喷嘴。 （5）密度、比热容、导热系数(P233)。 三、气体燃料：

工业上常用的气体燃料：高炉煤气、发生炉煤气和天然气 煤气的分子量和密度、平均比热

分子量：标准密度：

平均比热:

三、燃料的选用原则 基本原则：书上236

在能够满足工艺、确保产品质量的前提下，尽可能用低品位的劣质燃料。

第三节 燃烧计算

一、基本知识 1、计算目的与内容： 1）为设计窑炉需要：

已知：燃料的组成及燃烧的条件

计算：燃料燃烧所需要的空气量、烟气生成量、烟气组成及烟气温度。从而设计燃烧室、管道空气烟道 2）为操作窑炉需要

已知：燃料的组成及烟气成分

计算：燃料燃烧所需要的实际烟气量、空气量、空气过剩系数、漏气量等，从而评价燃烧的操作水平。 2、计算方法：：

1）分析计算法（设计计算）：根据燃料的成分分析进行计算

2）近似计算法：在燃料组分未知时，根据燃料的种类及发热量进行近似计算

3）估算法：在燃料组分及发热量未知时，根据经验估算。 4）操作计算（检测计算） 3、几个基本概念：

1）理论空气量（Va0 ）：理论上燃料中的可燃成分完全燃烧所需的空气量。 2）理论烟气量（V0 ）：燃料与理论空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。 3）实际空气量（Va ）：实际燃烧过程中所加入的空气量。

4）实际烟气量（V ）： 燃料与实际空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。 5）烟气组成（体积百分数）：烟气中各组成量与总烟气量的比值。 6）空气过剩系数（α）：实际空气量与理论空气量的比值。

α=1:空气供给恰好,烟气中无多余氧气 α>1:空气供给过剩,烟气中有多余氧气 α

2)空气供给恰好或供给过剩,但由于燃料和空气接触不好, 导致燃烧不完全 空气过剩系数的选择：

1）与燃料的种类有关：燃料越细匀，α越小，α=1.05～1.15。 2）与燃烧气氛有关：氧化气氛，α>1；还原气氛，α

3）与燃烧方式有关：如对于气体燃料，长焰燃烧，α=1.2～1.6；无焰燃烧，α=1.05。 4）与燃烧设备有关：对于煤粉燃烧或立窑，α较大； 而对于回转窑，α较小 二、空气量、烟气量及烟气组成的计算 （一）分析计算法 1、空气量的计算 1)固、液体燃料

①取100kg收到基燃料为计算基准，其中各种成分的质量为：

其中的可燃成分为：而Oar为助燃成分 ②确定

VO20

 燃料中的含O2量为：

Oar/32

③理论空气量Va0

 空气中O2含量为21%，因此 

 注意：若空气中含有水蒸气，则称为湿空气。 设水蒸气含量为xkg水蒸气/kg干空气，

则理论干空气Va0Bm3/kgfuel中的水蒸气量为：

燃烧所需的理论湿空气量为：

④实际空气量Va同样，实际湿空气量：2）气体燃料:

①取100Bm3湿基燃料为计算基准，其中各成分体积量为：

 找出可燃成分为：

②确定

VO20

③理论空气量

Va0

④实际空气量

Va

2、完全燃烧产生的烟气量、烟气组成的计算 完全燃烧时：

理论上：完全燃烧，烟气组分CO2 、 SO2、 H2O、N2 实际上：完全燃烧，烟气组分CO2 、 SO2、 H2O、N2、O2 1）固、液体燃料： （1）理论烟气量、烟气组成

取100kg应用基燃料为计算基准，其中各种成分的质量为：

理论烟气量：

理论烟气的组成百分含量：

(2)、实际烟气量(α>1时)、烟气组成 实际烟气量

烟气组成量：

2）气体燃料

（1）、理论烟气量、烟气组成 烟气成分:

理论烟气量：

（2）、实际烟气量(α>1时) 、烟气组成 实际烟气量

:

烟气组成量：

例题：P242：4-2;4-3 （二）、近似计算法

近似计算法：在燃料组分未知时，根据燃料的种类及发热量进行近似计算。 书上： P245：4-15

(三）、估算法：在燃料化学成分及发热量未知时，根据燃料种类进行经验估算。 书上： P245：4-16 （四） 操作计算

已知：燃料的组成及烟气成分

计算：燃料燃烧所需要的实际烟气量、空气量、空气过剩 系数、漏气量等， 目的：评价燃烧的操作水平 1、实际烟气量及空气量的计算 方法：根据质量守恒定律，

即燃烧前后某种元素的总质量保持不变。 ①用碳平衡计算烟气量：

燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的C ②用氮平衡计算空气量：

燃料中的N+空气中的N=烟气中的N ③氧平衡：

燃料中的氧（包括水）+空气中的氧=烟气中的氧（包括水） 例题： 4-5：

取100kg收到基煤为基准，所产生干烟气量为vg，所需实际空气量为Va 列碳平衡计算烟气量：

燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的

C

生成水蒸气量

湿烟气量=954+71.7=1026（Nm3/100kgfuel) ②用氮平衡计算空气量：

燃料中的N+空气中的N=烟气中的

N

2、空气过剩系数α的计算 方法：

1、定义式法2、氧平衡法

若令RO2为烟气中CO2和SO2的半分含量之和，VO20‗， VO20‖分别为生成每立方米RO2和H2O的需氧量，过剩氧量为O2则理论需氧量为：

则

式中：3、氮平衡法：

利用N平衡，则：

同除以干烟气量

V

 固、液体燃料中的含氮量很少，可以忽略。此时烟气中的N2可以看成全部来自空气则：

•

若烟气中又有CO， 则：

 若灰渣中有C，此时真正过剩的O2应该再减去灰渣中的C燃烧所需要的O2。 若气体燃料中的含氮量很高，且干烟气中又有可燃成分时，

3、漏入空气量的计算

 若考虑燃料的消耗量Qf（ kg/h或Bm3/h），则如图：

例题4-6 分析：

取1Bm3燃料为基准，设所产生干烟气量为v， 列碳平衡计算烟气量：

燃料中的C=烟气中的C+灰渣中的

C

三、 燃烧温度的计算 燃烧温度：燃烧产物的温度

计算基准：1kg或1Bm3燃料，温度为0℃或室温（20℃）

列热量平衡：

（一）人为定义的几种燃烧温度值 1、量热计式燃烧温度tm

条件：绝热，Ql=0；完全燃烧，Qml=Qch=Qas=0；无热分解，Qdi=0。

2、理论燃烧温度tth

条件：绝热， Ql=0；完全燃烧，Qml=Qch=0 ，Qas=0；

 对于硅酸盐窑炉，通常其温度低于1600℃，CO2、H2O很少分解，Qd=0，此时

3、实际燃烧温度tp

考虑各种散热：

 通常认为，tp=tthη，

 η为窑炉的高温系数。即在计算中先求tm, 再求tp。 （二）计算燃烧温度时应该注意的问题 因为：c=f(tp)

所以：计算时采用试算法——先求tth再求tp。 步骤：

①求出收入热量：Q=Qnet+Qf+Qa

②设定一个tth‘，从而可以查出对应的c‘， 得到Q1= Vc‘ tth‘ ，并使Q1>Q

③再设一个小一点的tth‖（一般取tth‘与tth‖应该是两个相邻的温度间隔），从而可以查出对应的c‖， 得到Q2= Vc‖tth‖，并使Q2

从而可以求出tth。

⑤tp=tthη，即可求出实际燃烧温度tp。 P252: 4-7,

（三）提高实际燃烧温度的途径

①选用热值高的燃料，即提高Qnet。 ②选用合适当的空气过剩系数α。

 若α1时，由于Va过多，导致V过多，从而tp下降。

因此，在保证完全燃烧的前提下，应该使α较小。

③预热空气和燃料，使ta和tf增大。但由于预热燃料受到一些限制，因此主要是预热空气。 ④减少各种散热损失。 （四）空气预热温度的计算 书上例题4-8

第四节 燃烧过程的基本原理

 燃烧的定义：燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量，并伴有强烈的发光

现象。

 普通燃烧：正常燃烧，靠燃烧层的热气体传质、传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行的燃烧

传播。火焰的传播速度较小，几m/s，属于等压过程。

 爆炸燃烧：靠压力波将冷可燃物加热至着火温度以上而燃烧。火焰的传播速度大，1000~4000m/s，

高温高压下进行。

 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。

着火温度：由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间叫―着火‖，转变时的最低温度叫作着火温度。着火温度范围表4-20 二、着火浓度范围

指燃料和空气的比例必须在一定的范围内才燃烧 三、固定碳的燃烧

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。

 碳燃烧反应速度应该与化学反应速度与扩散速度有关。

 低温（

化学反应速度慢，k 小，燃烧反应速度主要取决于化学反应速度，温度升高，燃烧反应速度加快与气流速度无关，此时称为动力燃烧区；

 高温（>1000℃）时， k 大，燃烧反应速度主要取决于扩散速度，不随燃料性质而变，与温度关

系不大，而和气流速度关系很大，此时称为扩散燃烧区。  二者之间为过渡区。 三、可燃气体的燃烧 连锁反应, 以燃烧反应为例：

第五节 燃料的燃烧方法与设备

 气体、液体、固体燃料的燃烧方法与设备 特点。