燃烧理论2燃料.

燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7主讲教师：韩奎华邮箱：[e-mail]，[e-mail]电话：88392414手机：[phone]办公室：千佛山校区东院热力楼308室第2章燃料2.1燃料及其概况2.2燃料的成分和性质2.3煤的分类2.4煤的工业分析2.5煤的特种分析2.6液体燃料2.7气体燃料2.1燃料及其概况一、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、塑料制品、衣物、木制家具可以燃烧，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2019/12/22二、燃料分类按燃料获得方法：天然燃料、人工燃料按状态划分：固体、液体、气体燃料按释放能量的方式划分：化学燃料、核燃料2019/12/22三、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：38万亿立方米，居世界第十位三种主要化石能源可应用年限估计◦煤220~230年◦石油40年◦天然气66年2019/12/22三、我国燃料情况能源消费以煤为主◦2006能源构成的百分比煤石油天然气水力核能中国68.721361.3世界304418622019/12/22三、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35-4680-8550-6050-602019/12/22四、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2019/12/222.2燃料的组成和特性一、燃料的组成和分析燃料化学组成分析：工业分析、元素分析、成分分析。工业分析和元素分析针对固体燃料组成分析提出的。2019/12/22一、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◦C+H+O+N+S+A+M=100%气体燃料的成分◦气体的分子式2019/12/22一、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2019/12/22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2019/12/22一、燃料的元素分析硫（Sulfur）◦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2019/12/22一、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2019/12/22一、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2019/12/22一、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2019/12/22一、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，测定灰成分时规定：测量温度815±10℃2019/12/22一、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2019/12/22一、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2019/12/22二、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%2019/12/22三、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2019/12/22三、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%2019/12/22三、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)2019/12/22各种基准之间的换算因子已知成分的基所求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12019/12/22四、元素分析成分新旧符号的变化2019/12/22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CdafCr2.3煤的分类煤的种类及化学组成煤的形成与种类煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。植物质的堆积阶段菌解作用阶段碳化作用阶段煤的种类特点泥煤质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分熔点很低褐煤密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少，挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强，在空气中易风化和破碎烟煤挥发分少，密度较大，吸水性小，含碳量增加，氢和氧的含量较低。烟煤是工业上的主要燃料，也是化学工业的重要原料。烟煤的最大特点是具有粘结性，因此是炼焦的主要原料无烟煤密度大，含碳量高，挥发分极少，组织密实、坚硬、吸水性小。缺点是可燃性差，不易着火，但发热量大，灰分少，含硫低煤的种类及化学组成煤的化学组成煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主要的化学成分有：C、H、O、N、S、A（灰分）及W（水分）可燃质惰性质元素描述C可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此时每千克纯碳可放出32866kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为9270kJH可燃元素。发热量最高，每千克氢燃烧后的低热值为120370kJ（约为纯碳发热量的4倍），含量较少，在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%。在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一起的，叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算发热量和理论空气量时，以有效氢为准。O氧和氮都是不可燃成分。氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。NS三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫可燃烧放热，但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ。硫燃烧后生成SO2、SO3，它危害人体，污染大气并可形成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。C：可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此时每千克纯碳可放出32866kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为9270kJH：可燃元素。发热量最高，每千克氢燃烧后的低热值为120370kJ（约为纯碳发热量的4倍），含量较少，在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%。在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一起的，叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算发热量和理论空气量时，以有效氢为准。O和N：不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。S：三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫可燃烧放热，但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ。硫燃烧后生成SO2、SO3，它危害人体，污染大气并可形成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。元素描述A灰分是指煤中所含矿物质在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物。来源有两个，一是煤化过程中由土壤等外界带入的矿物质，称为外来灰分；另一种灰分是原来成煤植物中固有的，称为内在灰分。灰分的存在不仅使燃料发热量减少，而且影响燃料的着火与燃烧。在工业上解决灰分的方法大体是：（1）在入炉前减少煤中灰分，采用洗煤。（2）在燃烧过程中排渣（液体排渣）或在燃烧之后的排气中除尘（固体除尘）。W水分是燃烧中无用的成分。煤中水分包括两部分：（1）外部水分或湿水分，附在煤表面的水分，与大气温度有关。把煤磨碎后在大气中自然干燥到风干状态，这部分水分就可除去；（2）内在水分，煤达到风干状态后所残留的水分，包括被煤吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物质中的结晶水。内在水分只有在高温分解时才能除掉。通常作分析计算和燃烧评价时所说的水分就是指这部分水。煤的种类及化学