搜索
燃料及燃烧学授课教师：王淅芬Email:seabreeze66@126.com教材及参考书•《燃料及燃烧》，韩昭沧主编，冶金工业出版社，2007，第二版•《燃烧理论与技术》，刘联胜主编，化学工业出版社，2008，第一版•《工程燃烧学》，汪军编著，中国电力出版社，2008，第一版•《燃烧学》，徐通模编著，机械工业大学出版社，2011，第一版内容概要固体燃料射流混合过程空气需要量和燃烧产物生成量液体燃料燃烧传播过程气体燃料燃烧温度燃烧反映速度和反应机理1315210711燃料及燃烧着火过程46空气消耗系数及不完全燃烧损失的检测计算81359121416异相燃烧火焰的结构及稳定气体燃料的燃烧液体燃料的燃烧固体燃料的燃烧煤的气化第一篇燃料概论第二篇燃烧反应第三篇燃烧基本原理第四篇燃烧方法与燃烧装置绪论获得热能——化石燃料，可再生能源，核能热能转换——电能，动力，机械能，化学能热能利用——高效节能，安全合理环境保护——洁净技术，减少污染热力发电厂的能量转换能源（化石及核燃料、新能源等）锅炉或其他设备热能（蒸汽、燃气）Thermalenergy原动机机械能Mechanicalenergy发电机电能Electricenergy一、能源形势1.能源分类和品质能源分类：一次能源：自然界天然存在，没有经过加工转换的能源•可再生能源——太阳能，水力，风能，海洋能，潮汐能，地热，生物质能等•非再生能源——原煤，原油，天然气，核燃料二次能源：由一次能源加工、转换而成的能源制品电力、蒸汽、热水、煤气、焦炭、汽油、煤油、柴油、重油、液化气、沼气、氢能能源品质：能流密度kJ/kg(Nm3)、开发难度及费用、存储量、连续供能、运输费用、污染危险、转换品质、可再生性、设备利用率。2.中国能源资源现状我国能源-富煤贫油少气煤为主要能源；60~70%的一次能源来自煤，是世界上为数不多的几个以煤为主要能源国家之一；2005年煤炭在一次能源生产总量和消费总量中的比重，分别为76.3%和68.7%；远远高于全球平均27%和27.8%；一次能源分布：绝大部分化石燃料的储藏量和一次能源产量在干旱的三北，华北，西北和东北，而使用主要在东南沿海，需要大量的远距离输送。人口众多，能源相对不足，人均拥有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的58.6％、7.69％和7.05％。世界一次能源总供应中各类能源所占比例《BP世界能源统计2006》的数据表明，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。我国与世界能源结构对比煤炭依旧为全球增长最快的燃料，中国消费了全球煤炭的36.9%，其中几乎全部产自中国本土。2005年，中国的煤炭消费增长了10.9%，比2004年14.4%的消费增长率有所降低。在中国以外的其他地区，煤炭的增长平缓，2005年增幅为1.8%，略高于过去10年1.5%的平均增长率。我国一次能源总供应中各类能源所占比例地蕴天成能量无限风能机械能电能风力机发电机太阳能热发电•太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。•集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。塔式太阳能热动力发电的示意图采用压水式反应堆的核电站•采用压水式反应堆的核电站基本分为「核岛」、「常规岛」和核电站其他部分。由反应堆产生的核能会通过在核岛内的蒸汽发生器产生蒸汽，而「核岛」所供应的蒸汽会推动「常规岛」内的涡轮发电机发电。核电站其他部分则包括站内的辅助设备及附属设施等。•「核岛」内的反应堆会进行核裂变，并产生热力，热力由一回路内的高压水带到蒸汽发生器(即热交换器)，蒸汽发生器会将二回路给水转化为约67巴(或6700千帕)的高压蒸汽，再经过蒸气管送到「常规岛」，以推动涡轮发电机。•在「常规岛」内，蒸汽会经过多级涡轮机，然后进入冷凝器。冷凝器再将蒸汽冷却成水，即凝结水(冷凝器的冷却水由泵房以海水泵从海中抽取)。从冷凝器流出的凝结水(即给水)会泵回核岛内的蒸汽发生器，然后再次转化为蒸汽。在这过程中，蒸气会将涡轮发电机作高速转动(广东核电站及岭澳核电站所采用的涡轮发电机的额定转速为每分钟三千转)，从而产生电力及完成整个能源转化过程。二、可持续发展与科学发展观知识经济时代：信息科学技术生命科学技术新能源与可再生能源新材料空间科学技术海洋科学技术有利环境的科学技术管理科学技术循环经济三、本课程的内容和要求1.基本知识：燃料性质（1）建立起燃料的科学概念（2）掌握各种燃料具体性质2.基本方法：燃烧静力学计算（1）掌握计算原理和方法（2）通过计算加深对燃料性质的了解3.基本理论：燃烧机理（1）掌握和理解基本概念（2）了解影响燃烧过程的因素4.基本能力（1）掌握燃烧方法（2）燃烧装置的设计和工作原理5.学习要求（1）正确地选择燃料（2）掌握燃烧计算方法（3）组织燃烧过程（4）设计燃烧装置第一篇燃料概论第一章固体燃料第二章液体燃料第三章气体燃料燃料概论燃料：由自身内部结构发生变化或与其它物质反应使之持续地转化为化学能或核能的物质总称。通常概念：在空气或氧气存在的情况下发生连续反应（氧化）而发热的单质（分子、原子）、化合物及混合物。工业燃料的一般要求：（1）在当前技术条件下，单位质量（体积）燃料燃烧时，单位时间内放出的热量要足够大，放热速度足够快，并可以有效地加以利用；（2）燃烧产物为气态，热量包含其中，使之能够在燃烧地点以外加以利用其热量；物态天然的人造的固体燃料木材、煤炭、可燃页岩木炭、焦炭液体燃料石油汽油、煤油、柴油、焦油等气体燃料天然气焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、石油液化汽等（3）燃烧产物对被加热物体没有不利作用，对人无害；（4）燃烧过程能被控制；（5）有足够的储藏量，便于开采和运输，经济上合理。煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学（缺氧、厌氧细菌分解）和物理化学（温度、高压、地壳运动），变化逐渐形成的固体可燃性矿物我国能源资源中煤炭在一次能源消费结构中约占70%，是世界上为数不多的以煤为主要能源的国家。第一章固体燃料主要特点概述：煤的化学组成和结构十分复杂，它包括有机质和无机质，以有机质为主。煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。无机质主要是指存在于煤中（包括有机质中）的所有无机的非煤物质：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质煤的化学成分与分析基准为了实用方便，一般采用元素分析和工业分析来确定煤中各成分的含量一我国煤的分类10%37%无烟煤贫煤和烟煤褐煤以煤化程度（干燥无灰基挥发分含量）划分为三大类：Vdaf性能成煤年龄煤化程度挥发份反应性含水份含C量含HO量密度机械强度热值泥煤褐煤烟煤无烟煤年青↓年老低↓高高低好↓差高↓低低↓高高↓低低↓高差↓好低↓高煤的组成特性-元素分析氢(H)碳(C)水分(M)氮(N)氧(0)灰分(A)硫(S)元素分析“元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中”。这充分地说明了煤炭组成的极端复杂性。根据其含量不同，通常可将煤的组成分为三类：含量低于100ppm的，称之为痕量元素，多指重金属在100~1000ppm之间的，称为次量元素，常指矿物质高于1000ppm的，为主量元素，即指碳、氢、氧、氮、硫重金属：铅、铬、铜、锌等矿物质：钙、硅、铝、铁、镁等煤的元素分析(Ultimateanalysisofcoal)是指对煤中的碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素的分析，元素分析的结果表示为各种元素的质量百分数，但是并不能代表煤中有机化合物的组成。小贴士：碳（C）、氢（H）、硫（S）是可燃的，另外两种是不可燃煤的元素分析可以判断煤的化学性质，常用于指导锅炉设计、热工试验和燃烧计算等碳是煤中主要可燃元素，也是煤的发热量的主要来源，每千克碳完全燃烧时可放出约3.27×104kJ的热量。煤中碳的含量随着成煤地质年代的变化而有所不同，地质年代长的无烟煤，其含碳量可达70%以上，而年代浅的煤则含碳量不到40%。碳主要存在于缩合芳香核上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，但发热量大碳C煤中氢多以碳氢化合物状态存在，含量大多在3%-6%，碳化程度越深的煤，氢的含量越少。氢是煤中发热量最高的可燃元素，热值可达120×103kJ/kg（燃烧产物为水蒸气）氢及碳氢气体分子极易着火与完全燃烧，因此，氢含量高，则对煤的着火燃烧有利。氢主要存在于煤分子侧链和官能团上氢H全硫St无机硫有机硫（Sor：与C、H、O等结合成复杂的化合物）{{硫化物硫Spy硫酸盐硫Ss煤中的硫以三种形态存在：有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。可燃硫包括有机硫、黄铁矿硫。硫酸盐一般不再氧化，表现为灰分。（FeS2）（CaSO4、MgSO4等）小知识：硫的发热量很低，只有9×103kJ/kg。煤中硫的含量一般小于2%，但是对于高硫煤来说，其含量可能超过4%，个别煤种高达8%-10%。硫是煤中的有害成分，对锅炉运行以及生态环境都造成危害，是造成酸雨的主要根源硫S氧O和氮N氧(oxygen)和氮(nitrogen)都是煤中的不可燃元素、内部杂质，它们降低了煤的发热量。氮还是有害元素，煤在高温燃烧时生成的氮氧化合物（NOx），有毒，污染大气。煤中氧的含量变化很大，少的只有1.0％～2.0%，多的高达40%；氮的含量一般很少，约为0.5％～2.0%。煤元素分析仪原理及主要技术指标：采用燃烧法自动测定固体或液体有机物中的碳、氢、氮、硫、氧。具有独特的石英管炉子以及局部吹氧设计，与电脑相连，带自动进样装置，一次可装入79个样品，其样品量可大至200毫克，每个样品分析时间约12分钟，分析结果以及曲线直接在计算机上显示并可打印出来，这个周期完全自动化。采用热导法检测，有两种测试模式—CHNS模式/O模式.主要技术指标：准确度：碳±0.1%;氢±0.1%;氮±0.1%;仪器型号：EL-2生产厂家：德国Vario公司煤的组成特性-工业分析内部杂质•O•N•C（固定碳和挥发分中的C）•H•S（可燃硫和硫酸盐硫）可燃元素可燃气体挥发分V不可燃成分水分(M)灰分(A)挥发分(V)固定碳(FC)工业分析不可燃元素M（内、外）、A外部杂质煤的元素分析，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成分构成(Proximateanalysis)：水分、灰分、挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC）煤中的水分含量差别很大，与成煤地质年代、开采方法、运输和储存条件等因素有关，原煤中的水分低的仅有2%，高的可达50%以上。煤全水分（M）分外在水分（Mf）和内在水分（Minh）外在水分freemoisture是附在煤粒表面的外来水分，这部分水变化很大，易于蒸发，可以通过自然干燥的方法除掉。内在水分inherentmoisture又称固有水分，需要在较高温度下才能从煤中除掉。水分M全水分测定方法全水分的测定方法是将原煤样置于105～110℃（褐煤相应温度稍高）的烘箱内约2小时，使之干燥至恒重，采用质量差减法即可得到。水分测定使用的仪器设备有分析天平、干燥箱、称量瓶等烘箱电子分析天平特点：并不是以固有的形态存在于煤中，而是煤在加热过程中分解后析出的产物。坩埚马弗炉测定：称1g煤放入坩埚在900℃的马弗炉内隔绝空气加热7min取出，冷却后称量并根据质量损失得到其含量组成：主要由各碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成挥发分V煤中固定碳（FC)煤脱除挥发分后的剩余的固体物即为焦炭,它是由固定碳和灰分构成的。将焦炭加热至850±10℃，待完全燃烧后失去的重量为固定碳(FC)焦炭的黏结