工程燃烧学

工程燃烧学工程燃烧学主讲教师：王恒前前言言1.燃烧与社会经济发展的关系2.燃烧学科发展简介3.本课程学习内容4.学习目的与要求5.其他（教材、作业、实验与考试）前言1.燃烧与社会经济发展的关系1.1燃烧在生产与生活中的作用动力动力动力电力电力电力交通交通交通动力机械动力机械动力机械煤粉锅炉蒸汽轮机发电机汽车机车船舶飞机火箭燃气轮机（大型高炉鼓风机等大型动力机械）热源热源热源冶金冶金冶金机械机械机械建材建材建材陶瓷陶瓷陶瓷玻璃玻璃玻璃炼铁炼钢（平炉）轧钢加热炉炼焦烧结热处理炉工业蒸汽锅炉水泥回转窑耐火材料隧道窑喷雾干燥塔陶瓷制品烧成窑玻璃熔窑热处理炉取暖取暖取暖集中空调热水锅炉前言Introduction前言1.2中国燃料消费现状及存在主要问题化石燃料储藏量1994年底探明储量1995年总产量2001年总产量煤炭/亿t10229114512.9814.8石油/亿t888391.491.55天然气/亿m339×1041.7×104171.95250中国化石燃料的总储量和年产量情况中国化石燃料的总储量和年产量情况1.2.1人均消费水平低中国能源生产与消费总量名列世界前茅，但人均消费水平是发达国家的1/8,世界人均的1/3。Introduction前言石油17.2%天然气3.2%水电8.9%煤炭70.7%石油23.4%天然气2.7%水电7.8%煤炭66.1%20022002年中国能源消费结构年中国能源消费结构前言Introduction1.2.2能源生产与消费结构不合理20022002年中国能源生产结构年中国能源生产结构煤炭石油天然气核电水电美国24.239.126.78.61.4日本17.653.811.915.31.4英国19.536.433.310.70.1韩国19.261.67.411.60.2世界主要国家能源消费结构世界主要国家能源消费结构前言Introduction前言1.2.3燃料利用效率低、工艺落后、浪费严重工业锅炉电站锅炉工业炉窑民用炉灶燃煤机车平均热效率60%90%20%~30%15%~30%5%~8%中国热工设备平均热效率中国热工设备平均热效率中国行业能耗现状中国行业能耗现状行业冶金电力水泥计量单位kg标煤/t水泥185100指标10374271300先进国家629325930合成氨kg标煤/t钢g标煤/kW.hkg标煤/t合成氨前言Introduction前言1.2.4燃烧污染严重SO2NOx烟尘C-HCO汽车尾气汽车尾气汽车尾气工业炉窑工业炉窑工业炉窑包括烟尘、粉尘、尘粒、超细粉尘光化学烟雾等前言Introduction前言20世纪50年代的伦敦，SO2与大雾作用，产生硫酸雾。煤烟型污染煤烟型污染煤烟型污染汽车尾气型污染汽车尾气汽车尾气型污染型污染20世纪60年代的洛杉矶，NOX在强烈阳光作用下，产生光化学烟雾。前言Introduction前言2.燃烧学科发展简介（1）50万年以前北京猿人已经学会了使用火。火是人类第一次支配的自然力，并逐步成为人类改造自然的强大手段；汉代（公元前200年）已经开始使用煤；魏晋时期（公元300年）开始用煤冶铁。但对燃烧现象的本质可以说一无所知。（2）燃素说（16～17世纪）：火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种微粒既能同其他元素化合而成化合物，也能以游离形式存在。他弥散于大气之中，给人以温暖的感觉。由这种火的微粒构成的元素就是“燃素”。按照燃素说解释燃烧现象，认为一切于燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸收燃素与释放燃素的过程。（3）燃烧的氧学说（1756～1777）：法国化学家拉瓦锡（Lavoisier)首先提出燃烧是物质的氧化这一概念，这被认为是创建燃烧理论的萌芽。前言Introduction前言（5）化学动力学（20世纪30年代）：阐明了燃烧的链式反应机理，提出了火焰传播及最小点火能等概念，之后又逐步认识到限制燃烧过程的因素不是反应动力学而是传热传质。（6）反应流体力学、燃烧空气动力学（20世纪50～60年代）:用经典力学方法来研究燃烧过程。（7）计算燃烧学（20世纪70年代）（8）燃烧测试技术（20世纪60年代）（4）化学热力学（19世纪）：将燃烧装置作为热力学体系，研究其初态和终态之间的关系，阐明了燃烧热、产物平衡组分及绝热火焰温度的概念。前言前言第第11章章固体燃料固体燃料1.中国煤炭生产及使用概况中国煤炭资源及其生产和消费状况中国煤炭资源及其生产和消费状况全世界中国总量(108t)人均(t)总量(108t)占世界比重(%)世界排名人均(t)资源量14810027861500010.131913探明可采储量10300187.12114511.091098.94年产量47.170.81313.9729.611.141年耗费量49.050.84514.4729.511.182状况固体燃料第一章固体燃料SolidFuels（1）煤炭年产量及消费量居世界第一，但采收率低(30％左右)；（2）在一次能源消费结构中占三分之二以上；（3）煤炭入洗率低，约为25％，大部分煤炭不经加工直接使用；（4）煤炭燃烧污染严重，大气污染物中85％的SO2,60％的NOX，75％的固体悬浮颗粒以及85％的CO2来自于煤炭的燃烧。煤炭应用领域：（1）电站锅炉（约4700台）（2）工业锅炉（约50万台）（3）工业炉窑（约17万台）（4）炼焦（5）化工（6）民用固体燃料SolidFuels第一章固体燃料2.煤炭的种类及其化学组成2.1煤炭的分类方法分类名称分类依据煤炭种类应用领域成因分类根据成煤原始植物的不同腐植煤、残植煤、腐泥煤科学研究科学分类按元素组成等基本性质的不同科学研究工业分类或技术分类按工艺性质和应用范围的不同无烟煤、烟煤、褐煤工业应用煤煤炭炭分分类类方方法法2.2中国煤炭分类固体燃料第一章固体燃料SolidFuels分类指标类别符号包括数码Vdaf,%GY,mmb,%PM,%QgrMJ/kg无烟煤WY01,02,0310.0贫煤PM1110.0~20.05贫瘦煤PS1210.0~20.05~20瘦煤SM13,1410.0~20.020~65焦煤JM2415,2510.0~28.010.0~28.050~656525.0(150)肥煤FM16,26,3610.0~37.0(85)25.01/3焦煤1/3JM3528.0~37.06525.0(220)气肥煤QF4637.0(85)25.0(220)气煤QM3443,44,4528.0~37.037.050~653525.0(220)1/2中粘煤1/2ZN23,3320.0~37.030~50弱粘煤RN22,3220.0~37.05~30不粘煤BN21,3120.0~37.05长焰媒CY41,4237.03550褐煤HM515237.037.03030~5024固体燃料第一章固体燃料SolidFuels无烟煤贫煤贫瘦煤瘦煤焦煤肥煤1/3焦煤气肥煤气煤1/2中粘煤弱粘煤不粘煤长焰媒褐煤烟煤：根据Vdaf,工艺性质以粘结性指标G辅以奥亚膨胀度b和胶质层最大厚度Y分为12个大类，不设小类根据Vdaf和Hdaf分为3个小类根据透光率分为2个小类固体燃料第一章固体燃料SolidFuels煤种煤化程度质地挥发分含碳量反应性发热量应用领域泥煤低疏松高很低好低锅炉燃料气化原料褐煤低锅炉燃料气化原料液化原料烟煤高动力燃料工业燃料焦化化工无烟煤高致密低很高较差高化工民用高炉喷吹煤炭基本性质及应用领域煤炭基本性质及应用领域固体燃料第一章固体燃料SolidFuels2.3煤的化学组成煤是由大分子有机物和一些无机矿物杂质组成的混合物，其中有机物是由某些结构及其复杂的有机化合物组成，目前其分子结构还不十分清楚。一般认为它都含有一定的芳香烃（环链）和长脂肪烃（长链）以及各种官能团。CCHHOONNSSAAMMC:碳是煤中的主要可燃元素。煤化程度越高的煤，其含碳量越高。H:氢也是煤中的主要可燃元素。但其含量较低，一般5%.H与C结合与S结合与O结合,形成不可燃化合物H2O,称为化合氢称为可燃氢或有效氢固体燃料第一章固体燃料SolidFuelsO:氧是煤中的有害元素，因为氧与C、H可等可燃元素构成氧化物。含氧量一般不直接测定，而是根据其他成分的测定值间接算出。N:煤中氮在一般温度条件下不参加反应，但在高温条件下停留较长时间时，能与氧形成NOx。S:硫是煤中及其的有害的成分。它有三种存在形态：SSo:有机硫－来自植物母体Sp:硫铁矿硫－与铁结合为FeS2Ss:硫酸盐硫－以各种硫酸盐的形式存在于煤的矿物杂质中，燃烧过程中不易分解，直接随灰渣排出。参加燃烧反应，称为可燃硫。固体燃料第一章固体燃料SolidFuelsA:矿物杂质。经过燃烧高温分解和氧化后生成一些固体残留物。主要是：成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONaO+K2O质量％40～6015～355～251～150.5～81～4M:水分的存在形式如下：M游离水外部水：附着于煤颗粒表面，100℃可全部蒸发内部水：吸附于毛细孔内，100℃可全部蒸发化合结晶水或矿物结晶水石膏CaSO4.2H2O绿矾FeSO4.7H2O高岭土Al2O3.2SiO.2H2O200℃才能析出，其量计入挥发分中固体燃料第一章固体燃料SolidFuels3.煤炭的成分表示方法及换算3.1煤的工业分析值水分测定水分测定试样：1g煤样破碎至0.2mm常规测定法：105～110℃干燥1～1.5h快速测定法：145℃干燥10min挥发分测定挥发分测定试样：1g煤样破碎至0.2mm加盖，90010℃加热7min空冷5～6min±灰分测定灰分测定试样：1g煤样破碎至0.2mm850℃加热燃烧40min空冷5min固定碳计算固定碳计算FC%=100%－(M%+A%+V%)固体燃料第一章固体燃料SolidFuels3.2煤的元素分析值煤的元素分析成分的测定较为复杂，除了灰分A和水分M外，其余成分可用元素碳C、氢H、氧O、氮N、硫S的质量分数来表示。固体燃料第一章固体燃料SolidFuels煤炭的工业分析值及元素分析值之间的关系煤炭的工业分析值及元素分析值之间的关系灰硫酸盐硫碳氢氧氮有机硫硫铁矿硫化合结晶水内部水外部水收到基（ar）干燥无矿物质基（dmmf）干燥无灰基（daf）干燥基（d）空气干燥基（ad）工业分析元素分析灰分挥发分水分固定碳热分解产物挥发性气体矿物结晶水CO,H2,CH4,CnHmCO2,N2,H2OSiO2,Al2O3Fe2O3,CaOMgO,SO3旧标准：应用基y分析基f干燥基g可燃基r有机基j固体燃料第一章固体燃料SolidFuels煤炭成分的表示及转换煤炭成分的表示及转换固定炭挥发分灰分水分碳氢氧硫灰分水分煤的工业分析成分煤的元素分析成分基质工业分析元素分析收到基FCar+Var+Aar+Mar=100Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100空气干燥基FCad+Vad+Aad+Mad=100Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100干燥基FCd+Vd+Ad=100Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100干燥无灰基FCdaf+Vdaf=100Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100氮固体燃料第一章固体燃料SolidFuels煤炭成分的转换系数煤炭成分的转换系数所求基已知基空气干燥基ad收到基ar干燥基d干燥无灰基daf干燥无矿物质基dmmf空气干燥基ad收到基ar干燥基d干燥无灰基daf干燥无矿物质基dmmfadarMM−−100100raadMM−−100100adM−100100100100adM−)(100100adadAM+−100)(100adadAM+−100)(100adadMMM+−)(100100adadMMM+−arM−100100100100arM−100)(100ararAM+−)(100100ararAM+−)(100100ararMM