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第四章燃料燃烧和燃烧设备《材料高温设备》燃料：凡是在燃烧时能放出大量的热量，而且此热量能有效利用的物质。据此，对燃料的要求有：①蕴藏量大，便于开采；②可燃物含量大，发热多；③燃烧产物为气态物质，便于在窑炉空间运动；④燃烧产物对产品、设备和周围环境无害。《材料高温设备》在硅酸盐工业中，燃料费用在生产成本中占有较大的比例；同时，燃烧过程对产品的产量、质量以及周围环境和窑炉寿命等都有较大的影响。因此，工业生产中应合理地选择燃料和组织好燃烧过程。燃料分类:按形态，分为固体燃料、液体燃料和气体燃料；按来源，可分为天然燃料和人造燃料。见..\表4-1.jpg。第一节燃料的特性及各类燃料一、燃料的组成1.气体燃料的组成气体燃料由可燃气体和不可燃气体组成，其中可燃气体有CO、H2、CH4及其它碳氢化合物(CnHm)；不可燃气体有CO2、N2和H2O等。以气体燃料各组份的体积百分含量表示其组成。由于气体燃料中常含有呈蒸汽状态存在的水分，故其组成又分干基组成和湿基组成。《材料高温设备》干基组成不包含水分，即：COd%+H2d%+CH4d%+CnHmd%+CO2d%+N2d%+…=100%湿基组成包含水分，故：COw%+H2w%+CH4w%+CnHmw%+CO2w%+N2w%+…+H2Ow%=100%湿基中的水分通常即该温度下的饱和水蒸汽量,故与气体燃料所处温度有关，当温度变化时，其含量也将发生变化，从而引起湿组成的变化。《材料高温设备》气体燃料的干基组成基本稳定，但湿基组成是实际组成，燃烧计算以湿基组成为依据。气体燃料(如煤气)干、湿基组成间的换算。①已知煤气的湿基组成，求干基组成。设有100m3的湿煤气，该煤气的湿基组成中水分含量为H2Ow%，则其中某一组份(如CO)为：COd%=[100/(100-H2Ow)]×COw%COd%：煤气干基组成中CO的含量；COw%：煤气湿基组成中CO的含量。《材料高温设备》②已知煤气的干基组成，求湿基组成。如果已知煤气的干基组成和1mn3的干煤气在某温度下的饱和水蒸汽量G(或煤气的温度t，据此可查附录8得G值)，求湿基组成？a.先按下式求得湿基组成中的水分含量：H2Ow=[0.124G/(100+0.124G)]×100%b.再据：COw%={[(100-H2Ow)]/100}×COd%求得煤气的湿基组成。式中COd%为煤气干基组成中CO的含量。《材料高温设备》[例题1]已知发生炉煤气的干基组成如下：气体成份COdH2dCH4dO2dN2dCO2d(体积%)29.815.43.70.243.27.7煤气的温度为26℃，求煤气的湿基组成。解：查附录8，当煤气的温度为26℃时，饱和水蒸汽含量为G=27.60g/m3。据此可计算出该煤气的水分含量为：H2Ow=0.124G/(100+0.124G)×100%=0.124×27.60/(100+0.124×27.60)×100%=3.31%《材料高温设备》又据：COw%={[(100-H2Ow)]/100}×COd%可计算出该煤气的湿基组成。如某一组分CO：COw%=29.8%×0.967=28.82%其它组分的湿基组成，经计算分别为：H2w=14.89%，CH4w=3.58%，O2w=0.19%N2w=41.77，CO2w=7.45%，(H2Ow=3.31%)作业：P241第9题第二问。《材料高温设备》2.固体/液体燃料的组成固体燃料和液体燃料都是由地下古老的动植物经长期地质与化学作用形成的，基本组成是各种有机物，通常用组成这些有机物的元素来表示其组成，即所谓元素组成法：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)和硫(S)，以及一定量的水分(W)和灰分(A)。显然，这类燃料的组成与选用的基准有关，常用以下4个基准表示固体/液体燃料的组成。《材料高温设备》(1)应用基组成，y以燃料实际的应用状态来表示其组成。以应用基表示燃料组成时：Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%+Wy%=100%应用基组成是燃烧计算的依据，当提供的燃料组成不是应用基组成时，要换算成应用基组成，再进行燃烧计算。《材料高温设备》(2)分析基组成，f将燃料在20℃、相对湿度70%的条件下风干，排除外在水分而残留内在水分(又叫分析基水分Wf)的燃料组成。以分析基表示的燃料组成时：Cf%+Hf%+Of%+Nf%+Sf%+Af%+Wf%=100%实验室提供的煤样组成通常是分析基结果。(3)干燥基组成，g绝对干燥的固体/液体燃料的组成。《材料高温设备》以干燥基表示燃料组成时：Cg%+Hg%+Og%+Ng%+Sg%+Ag%=100%干燥基组成中无水分，用它来表示燃料的组成不会受水分波动的影响，故同一燃料的组成较稳定。(4)可燃基组成，r不考虑燃料中的水分和灰分的组成。以可燃基表示的燃料组成：Cr%+Hr%+Or%+Nr%+Sr%=100%不同矿山的煤质资料常用可燃基组成表示，以便于比较各种煤的质量。《材料高温设备》由于没考虑受外界影响而波动较大的水分和灰分，因此可燃基组成更加稳定，但是，它离燃料的真实组成更远了！同一种燃料采用不同的基准来表示时，各组成之间的换算关系，见..\表4-2.jpg。不同基准之间的换算系数，见..\表4-3.jpg。[例题2]某烟煤的组成如下：Cr%Hr%Or%Nr%Sr%Ag%Wy%80.674.8513.100.800.5810.923.20试将其统一为以应用基表示的燃料组成。《材料高温设备》解：给出的燃料组成包括了三个基准：r，g，y，现在要统一为一个基准(即应用基，y)来表示。①由干燥基换算成应用基，查表4-3，得换算系数为：(100-Wy)/100=(100-3.20)/100=0.968故以应用基表示的灰分组成为：Ay%=Ag%×0.968=10.57%②由可燃基换算成应用基，查表4-3，得换算系数为：[100-(Ay+Wy)]/100=[100-(10.57+3.20)]/100=0.86《材料高温设备》由此，以应用基表示的各组分组成为：Cy%=Cr%×0.86=80.67×0.86=69.38%Hy%=Hr%×0.86=4.85×0.86=4.17%Oy%=Or%×0.86=13.10×0.86=11.27%Ny%=Nr%×0.86=0.80×0.86=0.69%Sy%=Sr%×0.86=0.58×0.86=0.50%因此，该煤样以应用基表示的组成如下：Cy%Hy%Oy%Ny%Sy%Ay%Wy%69.384.1711.270.690.5010.573.20作业：P241第12题第一问。《材料高温设备》对于固/液体燃料，除常用元素分析法表示其组成外，还用工业分析法来表示。工业分析法又叫实用分析法，操作简单，一般的工厂都可以进行分析。工业分析法中，煤的组成分为水分、灰分、挥发分和固定碳(即W、A、V和F·C)。我们知道，煤在隔绝空气的情况下加热(称干馏)，随温度的升高将发生一系列的变化，如：100~150℃：自由水分蒸发，得到W(水分)。《材料高温设备》200~450℃：碳氢化合物分解产生大量的可燃气体挥发物，如CH4、H2、CnHm等，此阶段结晶水也排除了，从而得到V(挥发分)。850℃：气体逸出基本停止。1000~1100℃：气体逸出完全停止，残留焦炭块，得F·C(固定碳)和A(灰分)。灰分(A)是焦碳块在有氧气的条件下充分燃烧后留下的不可再燃的组分，烧掉的是F·C(固定碳)。《材料高温设备》煤的工业分析，以应用基表示组成时：F·Cy%+Ay%+Vy%+Wy%=100%以分析基表示组成时：F·Cf%+Af%+Vf%+Wf%=100%以干燥基表示组成时：F·Cg%+Ag%+Vg%=100%以可燃基表示组成时：F·Cr%+Vr%=100%《材料高温设备》二、燃料的热值(发热量)1.概念单位体积(对于气体燃料)或质量(对于液固燃料)的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到参加燃烧反应的物质起始温度(20℃)所放出的热量，以Q表示，单位为Kj/Kg或Kj/mn3。根据燃烧产物中的水的状态不同，热值分高位热值(QGW)和低位热值(QDW)。高位热值指燃烧产物—水为0℃的液态水，低位热值的水为20℃的水蒸汽。《材料高温设备》高位热值与低位热值之差，即0℃的液态水与20℃的水蒸汽的热焓，约为2500Kj/Kg水。对于固/液燃料，燃烧产物水的来源，一是燃料所含的水，二是燃料中的氢燃烧后生成的水。因此，高位热值与低位热值的关系为：应用基：QyGW–QyDW=25(Wy+9Hy)分析基：QfGW–QfDW=25(Wf+9Hf)干燥基：QgGW–QgDW=225Hg可燃基：QrGW–QrDW=225Hr《材料高温设备》对于气体燃料，根据含有氢的可燃成分(如氢气、硫化氢、碳氢化合物)燃烧的化学反应式，计算得1mn3气体燃料的高位热值与低位热值之差为(以湿基表示)：QwGW-QwDW=20.1(H2w+H2Sw+m/2CnHmw+H2Ow)各种燃料(煤，天然气和重油)的低位热值，可以采用氧弹式量热计在实验室中测量，或采用下面的计算公式进行计算。《材料高温设备》2.热值的计算①气体燃料的热值计算气体燃料的高位(或低位)热值计算公式：Q=∑xi·Qi式中：xi表示气体燃料中各可燃组分的体积百分含量(注意是湿基表示的燃料组成！)；Qi表示各可燃组分在标准状态下的高位或低位热值，见..\表4-4.jpg。《材料高温设备》②液固燃料的热值计算对于我国的固体燃料(煤)，可根据元素分析结果按P189给出的公式(4-16~18)进行计算，也可根据工业分析结果，按经验式(4-19~20)计算烟煤和无烟煤的低位热值。对于液体燃料(重油)，可根据元素分析结果按门捷列夫公式进行计算。如应用基表示的低位热值为：QyDW=339Cy+1030Hy-109(Oy-Sy)-25Wy《材料高温设备》3、标准燃料为了比较各种燃料发热量的大小，评价窑炉或产品的燃料消耗情况，提出了标准燃料的概念。应用基低位热值为29300Kj/Kg(或7000Kcal/Kg)的燃料为标准燃料。某燃料的热值与该值之比称该燃料的热当量。例如1Kg某重油的热值为41000Kj，则该重油的热当量为：41000/29300=1.4，即1Kg重油相当于1.4kg的标准燃料所放出的热量。作业：P241第9、10题第一问，第12题第二问。思考题2。《材料高温设备》三、各类燃料介绍1.气体燃料指天然气、高炉煤气、焦炉煤气和发生炉煤气。不同种类的气体燃料，可燃成分相差较大，其热值也各不相同，见..\表4-7.jpg。(1)天然气：从自然界中开采出来，经清洗除尘后便得。天然气的主要可燃成分为甲烷。液化天然气是将天然气除去杂后液化处理所得。如大量使用液化天然气，需增加预热或气化操作。《材料高温设备》石油气是石油开采和炼制过程的副产物，为贮存和运输方便，通常加压将其液化变成液化石油气。天然气的主要优点是热值高，燃烧操作简单且干净，但因不含氢，燃烧速度相对较慢。(2)高炉煤气：炼铁(铁矿石和焦炭)的副产品，可燃成分为一氧化碳和少量氢气。因含大量氮气，故热值较低，仅用作低温窑炉的燃料。(3)焦炉煤气：炼焦(焦化)副产品，主要可燃成分为氢气、碳氢化合物和一氧化碳，热值较高。《材料高温设备》(4)发生炉煤气：包括空气发生炉煤气、水煤气和混合煤气，以固体燃料(块煤)为原料，在煤气发生炉中经气化而得，是一种人造燃料。2.液体燃料液体燃料包括石油及其加工产品，但在硅酸盐工业中广泛使用的液体燃料是重油。从油井开采出来的叫原油。原油经分馏后可得不同的石油产品，如汽油、煤油、柴油、润滑油和燃料油(即重油)等。因此，重油可认为是原油蒸馏出轻质油后剩下的较重的那部分。《材料高温设备》①重油的组成主要是碳氢化合物(烯烃)，以及极少量的硫化物、氧化物、水分及机械杂质。以可燃基表示的重油的组成如下：Cr：85~88%；Hr：10~13%；Nr+Or：0.5~1%；Sr：0.2~1%。碳和氢是重油的主要成分，总量高达95%以上，杂质极少，故重油的热值较高。《材料高温设备》②重油的粘度重油是液