哈尔滨工业大学燃烧工程研究所

哈尔滨工业大学燃烧工程研究所燃烧学哈尔滨工业大学燃烧工程研究所邱朋华哈尔滨工业大学燃烧工程研究所第2章燃料哈尔滨工业大学燃烧工程研究所2.1燃料及其概况哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、什么是燃料？•燃料：是各种（有机和无机）复杂化合物的混合物，通过燃烧可以将其化学能转化为热能的物质，同时在技术上是可行的，经济上是合理的–例如：天然气、石油、煤炭等–金刚石可以燃烧，但不作为燃料，经济上不合理•燃料是远古时代的动、植物被埋于地下，在缺氧高温高压的条件下，由细菌作用形成的固、液、气态的碳氢化合物哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、燃料分类•天然燃料–例如：天然气，石油和煤炭•人工燃料–煤气、沼气和人造酒精等哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、我国燃料情况•储量丰富–煤已探明储量：7800亿吨，居世界第三位–石油：116亿吨，居世界第八位–天然气：居世界第十六位–经济可采储量–俄罗斯2440亿吨–美国2405亿吨–中国1145亿吨–澳大利亚909亿吨煤石油天然气2334066三种主要化石能源可应用年限估计哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、我国燃料情况•发展迅速–燃料总产量（折合亿吨标准煤）年19501960197019801990年产量0.213610哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、我国燃料情况•能源消费以煤为主–能源构成的百分比煤石油天然气水力核能中国7419241世界30441862哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、我国燃料情况•燃料供给相对不足–人均消费能源低•1995年，中国发电业装机容量2亿千瓦，发电量1万亿千瓦时，居世界第4位，但人均发电量仅为世界的1/3•1989年，世界人均煤炭储量312.7吨，中国234.4吨，同期苏联为1045吨，美国为1846吨–设备效率低，燃烧效率太低燃烧效率火电厂工业锅炉工业炉窑民用炉灶中国28-3660-7023-3015-20发达国家35-4680-8550-6050-60哈尔滨工业大学燃烧工程研究所四、我国能源政策•1979年，国家提出能源政策–开发与节约并重，近期把节约放在优先地位。•至今未变哈尔滨工业大学燃烧工程研究所2.2燃料的成分和性质哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•固液、体燃料的成分–元素分析成分：为工程计算和应用方便，将燃料的主要元素组成和水分、灰分测量结果习惯上称为元素分析成分•元素分析成分的构成–碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分•气体燃料的成分–气体的分子式哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料元素分析•碳（Carbon）–是燃料的主要可燃元素，占燃料质量份额的15~90%，煤占50~90%–煤的地质年代越久远，碳化程度越深，含碳越多，无烟煤占90%kgkJCOOCkgkJCOOC/927021/32866222纯碳的着火和燃烧很困难，煤的含炭量越多，着火与燃烧越困难，但发热量大哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•氢（Hydrogen）–可燃元素。煤的碳化程度越深，含氢量越少，煤一般的含氢量为2~10%kgkJOHOH/12037021222哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•硫（Sulfor）–自然界中硫的存在形式包括有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。–硫是可燃元素，但热值很低，同时硫燃烧产生的二氧化硫、三氧化硫会进一步生成亚硫酸和硫酸，腐蚀金属，造成锅炉堵灰。–我国煤的含硫量很低，一般1~2%，但南方某些煤的含硫量较高，可达3~5%，个别达10%，–高硫煤：含硫量大于2%的煤质kgkJSOOS/910022哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•氧（Oxygen）–氧是不可燃元素，在燃料中已和碳、氢化合，使其可燃成分相对减少–固体燃料的含氧量随碳化程度的加深会较少，无烟煤含氧量1%~2%，其他煤的碳氧量10%左右–油的含氧量很少，1%左右哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析成分•氮（Nitrogen）–通常情况下不可燃，条件满足时可生成NOx，但生成量很少，一般认为是不可燃元素–煤中含量很少，一般1%~2%–油中含量0.05%~0.4%–能造成空气污染，须严格控制其生成哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•灰分（Ash）–不可燃，属于矿物杂质，主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等氧化物和碱、盐等构成–燃料中灰分含量相差很大，油中几乎无灰，煤中灰分通常10%~30%，多者可达50%–按灰分的来源可分为•内部灰分：生成煤时混入，混合均匀•外部灰分：开采、运输时混入，分布不均匀哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•灰分含量对燃烧过程的影响–燃料发热量少–着火、燃烧困难–积灰、结渣，影响传热–磨损受热面–污染环境•灰在燃烧前后可能不完全一致，化合物可能会分解，但在800℃之后，基本不变，测定会成分时规定：测量温度815±10℃哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•水分（Water，Moisture）–不可燃，属于杂质–油中含量1~3%，煤中变化较大2~50%–水分构成•内部水分（固有水分）105~110℃•外部水分（表面水分）45~50℃•化合水分（结晶水）灰分的一部分–瓷土Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２．２Ｈ２Ｏ–水分含量随开采、运输、储存条件而变化哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、燃料的元素分析•水分对燃烧过程的影响–燃料的发热量–着火、燃烧过程吸收大量热量，降低燃烧温度–排烟热损失–受热面腐蚀–堵灰–制粉、干燥和运输哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、燃料成分的表示•固液体燃料–七种元素分析成分的质量分数–C+H+O+N+S+A+M=100%•气体燃料–不同分子成分的体积百分数–H2+O2+CH4+CO+CO2……=100%哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、燃料成分表示的基准•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种基准：•收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、燃料元素分析基准•收到基ar(asreceived)–Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100%•空气干燥基ad(airdry)–Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100%•干燥基d(dry)–Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%•干燥无灰基daf(dryashfree)–Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%哈尔滨工业大学燃烧工程研究所三、燃料元素分析基准•各基准之间换算–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–例题：已知收到基成分，求干燥无灰基成分–Car+Har+Oar+Nar+Sar=100-Mar-Aar–Car/Cdaf=Har/Hdaf=……=(100-Aar-Mar)/100–Cdaf=Car×100/(100-Aar-Mar)哈尔滨工业大学燃烧工程研究所各种基准之间的换算因子所求成分的基已知成分的基收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基收到基1100100adarMM100100arM100100ararMA空气干燥基100100aradMM1100100adM100100adadMA干燥基100100arM100100adM1100100dA干燥无灰基100100ararMA100100adadMA100100dA1哈尔滨工业大学燃烧工程研究所四、元素分析成分新旧符号的变化新名称原名称新符号原符号收到基应用基CarCy空干基分析基CadCf干燥基干燥基CdCg干燥无灰基可燃基CdafCr哈尔滨工业大学燃烧工程研究所2.3煤的工业分析哈尔滨工业大学燃烧工程研究所一、什么是煤的工业分析•煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性•工业分析构成(Proximateanalysis)–成分：水分、灰分、挥发分和固定碳，其中灰分和固定碳合称为焦炭–发热量–灰熔点哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、工业分析成分•工业分析成分的定义和煤的燃烧过程密切相关煤干煤焦炭灰分干燥干馏燃烧析出水分析出挥发分固定碳燃烧AACFCVHONSMM固态气态哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、工业分析成分•工业分析也存在四种基准–收到基•Aar+FCar+Var+Mar=100%–空气干燥基•Aad+FCad+Vad+Mad=100%–干燥基•Ad+FCd+Vd=100%–干燥无灰基•FCdaf+Vdaf=100%哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、工业分析成分•灰分–灰熔点：灰分的熔化温度–根据融化状态不同，分为变形温度、软化温度和熔化温度（流动温度）–测定方法：角锥法哈尔滨工业大学燃烧工程研究所影响灰熔点的因素•1、和灰成分有关系–灰中的SiO2是弱酸性，含量较多，灰的PH值呈弱酸性。如果碱性物质增多，灰熔点将降低•2、与晶格结构有关系–灰中氧化物结成共晶体，属SiO2-Al2O3-CaO-FeO系统，熔点比结合前要低，如CaO.SiO2，只有1540℃•3、与介质性质有关系–还原性气氛中比氧化性气氛中低200~300℃哈尔滨工业大学燃烧工程研究所角锥法测定灰熔点–将灰制成小角锥（正三角形底，边长7cm，高度20cm)，角锥垂直地面的侧面与灰托板表面垂直–至于硅碳管加热炉中加热–加热速度•900℃以前，15~20℃/min•900℃以后，5±1℃/min–介质气氛弱还原性(50%H2+50%CO2)或(60%CO2+40%CO)变形温度DT(deformationtemp.)软化温度ST(softentemp.)熔化温度FT(flowtemp.)哈尔滨工业大学燃烧工程研究所灰熔点对应的三个温度待测灰样变形温度软化温度熔化温度哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、工业分析成分•挥发分（volatile）–定义：在高温条件下煤有机质分解的产物，不是自然存在于煤中的。–主要成分：CmHn，例如CH4、C2H4等–挥发分析出温度和析出量对燃烧过程影响很大，成为判别煤着火特性的重要指标之一哈尔滨工业大学燃烧工程研究所不同煤质挥发分含量和析出温度煤质挥发分含量开始析出温度无烟煤≤10380~400贫煤10~20370~390烟煤20~40170~320褐煤40~60130~170泥煤60%哈尔滨工业大学燃烧工程研究所挥发分析出量的影响因素–同一种煤，即使产于同一矿井，Vdaf含量也会有出入。•原因：–加热温度的影响。•加热温度越高，析出挥发分越多；–加热时间和加热速度的影响。•快速分解比慢速分解细处的挥发分多；•快速分解析出挥发分中C/H高；•先期释放的挥发分中，C/H比例高。–煤粒尺寸的影响•结论不一，有人认为有影响，有人认为无影响；•有影响的人认为：大粒度煤分解产生的C阻碍了后期挥发分析出。粒度越大，挥发分析出越少哈尔滨工业大学燃烧工程研究所挥发分含量的测定•分析试样1克左右，放入带盖的坩埚中，在900±10℃的恒温炉中，隔绝空气加热7分钟，析出气体，试样重量G1G2VadMadGGG%100121然后换算成其他基准，习惯上用干燥无灰基，含量不受灰分和水分的影响。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所二、工业分析成分•焦炭–定义•煤析出挥发分、水分后得到的固态物质称为焦炭•焦炭=灰分+固定碳–煤的焦结性•焦炭粘接程度称为煤的焦结性哈尔滨工业大学燃烧工程研究所煤的焦结性分为八类–粉状。全部粉状–粘着。用手指轻碰即成粉状–弱粘结。用手指轻压即成小块–不熔融粘结。用手指用力压才裂成小块，表面无光泽–不膨胀熔融粘结。焦饼，有银白色金属光泽–微膨胀熔融粘结。手指压不碎，表面有小膨胀泡–膨胀熔融粘结。上下表面银白色光泽，焦渣高度15mm–强膨胀熔融粘结。上下表面银白色金属光泽，焦渣高度15mm。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所焦结性对燃烧过程的影响•煤的焦结性对层燃炉有重要影响。–焦渣处于5~8类，结焦成块