燃料与燃烧1

燃料及燃烧学主讲教师：陈文仲刘慧燃料及燃烧学绪论1.燃料定义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。2.燃烧定义是燃料与氧化剂之间进行的一种伴有发光、发热的剧烈化学反应现象称为燃烧。3.燃烧学发展史从远古到现代。第一节本学科的性质及研究对象1.燃料的性质：燃料物理、化学性质燃料的成分、稳定性、发热量、导热性、耐热性、黏度、可燃性等。2.燃烧理论：燃烧过程中所包含的基本现象。燃烧反应机理、点火、（自燃）着火、熄火、火焰传播机理、火焰结构以及油滴和碳粒的燃烧过程。3.燃烧技术：解决工程实际问题。第二节能源形势1.能源种类和品质(1)种类：一次能源(煤、石油、天然气、风、水、太阳能、海洋、地热、核能、植物能）二次能源即用一次能源转换过来的能源（电、焦炭、焦炉煤气、汽油、柴油、煤油、重油、蒸汽、氢气）⑵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.能源结构（2005年）燃料石油煤炭天然气水核电世界平均40.1%27.2%23%9.7%中国12.6%76.5%3.2%7.7%3.能源分布4.能源消耗：国家燃料中国世界保有储量预测储量保有储量预测储量煤1665亿吨50000亿吨13220亿吨石油21亿吨（内陆）50亿吨（海底）300—600亿吨1573亿吨76000亿吨天然气2.35万亿立方米180万亿立米国家能耗美国俄国德国日本中国能源消耗(吨标准煤/人.年）11.56.56.16.11.8产值与能耗(吨标准煤/千美元）0.322.840.260.161.7第三节本学科的地位和作用1.燃料学①燃料的成因；②燃料的性质和分类;③燃料的转换。2.燃烧学①燃烧过程的基本规律;②实现燃烧稳定过程的手段；3.燃烧工程学：能源管理、燃烧新技术等。4.本学科的作用：提高能源利用率。第四节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；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。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、石油液化汽等第一章固体燃料煤的形成和种类形成：植物埋于地下，隔绝空气，受地热地压而产生煤化作用，放出H2OCO2CH4等，同时降低氧含量成为碳富集的物质。一般分类：按煤化进程、炭化过程泥煤：100万年以上；褐煤：2000万年以上；烟煤：1亿年以上；无烟煤：2亿年以上。除此以外还有按产地、块度、用途、洗与不洗等进行分类。第一节煤的化学组成1.煤的元素分析(C102H18O10N2)煤由三部分组成：①可燃质CHONS②灰分主要为SiAlFeCaMgMnNakCaMn等③水分H2O(外部水分、内部水分)2.成分表示方法：用质量百分比表达①应用成分（供用成分）可燃质、水分、灰分质量百分数之和为100％②干燥成分：除水分含量以外个组分之和为100%%100%%%%%%%用用用用用用用WASNOHC%100%%%%%%干干干干干干ASNOHC③可燃成分：不包括水分和灰分的成分表示方法例.已知求CHONSA及CHONS?解：灰分的供用成分%100%%%%%燃燃燃燃燃SNOHC%72%燃C5%%燃H%02%燃O2%%燃N2%%燃S%5.21%干A%20%用W用用用用用用干干干干干%1010020100%5.12100100%%用干用WAA%4.501002010100%72100100%%用用燃用WACC%5.3%用H%14%用O%4.1%用N%7.0%用S%63100100%%干燃干ACC%38.4%干H%5.19%干O%75.1%干N%87.0%干S第二节煤的使用性能1.煤的工业分析目的是测出煤中水分、灰分、挥发分、固定碳的含量W%+A%+V%+C%=100%方法：a.取样；b.加热到，剩余A%+V%+C%=100%；c.干馏，隔绝空气加热到，7分钟，挥发分V排除，余者A%+C%；d.通入空气（）碳完全燃烧，A%。①挥发分：煤在隔绝空气的条件下加热所分解出来的气态产物和以气态逸出的液体产物。含量：泥煤V50%；褐煤V=40~60%；烟煤V=10~40%；无烟煤10%;C0110C0850C0850性质：基本上由C—H化合物组成，是可燃混合物，其含量取决于煤的年龄。V对燃烧过程有影响。②灰分：在高温、有足够空气的情况下，煤中一切可燃质完全燃烧之后，燃料中的矿物残余物。分类：a.原生灰分；b.再生灰分；c.三生灰分。害处：a.降低了煤的发热量；b.降低了燃料的利用程度；c.造成扒渣等的困难；d.对燃烧过程有不利影响；e.在炼焦时，容易结块；f.增加运输成本。评价灰分指标：熔化性高熔点灰分：SiO2、Al2O3；低熔点灰分：FeO、MgO、CaO等③水分：内部水分、外部水分水分含量大，可燃质含量减少，发热量降低。④可燃质：包括C、H、O、N、S。热值：C:34000kJ/kg；H:143200kJ/kg；S:9000~11000kJ/kg；O、N为不可燃物，是煤中的杂质。2.煤的发热量定义：单位质量或体积的燃料完全燃烧时所放出的热量叫发热量。单位：kJ/kg、J/g燃烧过程：氧化放热过程C+O2CO2+QH2+O2H2O+Q21化学反应热：在封闭体系中体系与外界无动量、质量、热量交换，在反应过程中体系的压力P、温度T给定，经历一个等压过程（不对外做功），反应终了时温度恢复到初始状态时体系所放出的热量。发热量测定:①等压过程②完全燃烧,生成物是(CO2,H2O)③规定初始温度（中国为20oC）④产物中H2O有两种状态，若H2O是20oC时的汽态，则测得为燃料的低发热量Q低；若H2O是０oC时的液态则测得为燃料的高发热量为Q高。Q高与Q低的换算：１kg0oC的H2O20oC水蒸汽（汽化潜热2257kJ/kg）１kgH2O由0oC加热到100oC,需418kJ100oC水蒸汽冷却到20oC，放出？？？1x0.48x4.186x(100-20)=161kJQ高–Q低＝2257+418–161=2512kJ/kg燃烧产物中的水分：①燃料中原有水分w%②煤中H燃烧后生成的水分生成水分：(w+9H)/100kg(水)/kg(煤)Q高–Q低＝2512（W+9H)/100=25.12(W+9H)变成OHOH22221例W=5%H=5%Q高–Q低＝25.12(5+95)=1382.7kJ/kg煤的发热量计算：燃烧热：若已知煤的分子式,可计算其燃烧热,但不详近似计算：根据煤的工业分析和元素分析结果进行计算①方法一：根据煤的工业分析值计算Q低优点：简单方便；缺点：只考虑固定碳含量和挥发份含量，误差大。②方法二：根据元素分析值计算杜隆公式：Q高=4.187[81C+342.5(H-)+22.5S](kJ/kg)门捷列夫公式：(目前常用)Q高=4.187[81C+300H-26(O-S)](kJ/kg)Q低=4.187[81C+246H-26(O-S)-6W](kJ/kg)标准煤：7000kcal/kg=29310kJ/kg8O3.煤的比重和气孔率真比重：无气孔，压实1200~1800kg/表观比重：550~800kg/气孔率：由表观比重和真比重的差值计算4.煤的热性质①热容（比热）：烟煤约为1~1.09kJ/kgoC②煤的导热系数：80oC以下时=0.14~0.27w/moC③着火温度：干燥褐煤250oC；无烟煤500oC；5.煤的粘结性、结焦性粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤颗粒相互粘结形成焦块的性质。结焦性：一种煤或几种煤混合后在隔绝空气，高温下的粘结性。3m3m6.煤的反应性，可燃性反应性：煤中的C与CO2和H2O进行还原反应的能力。可燃性：煤中的C与氧气进行氧化反应的能力。7.煤的耐热性煤在高温下易于破碎的能力各种煤的性质特性泥煤褐煤烟煤无烟煤53~6464~8076~9090~965.0~6.63.4~6.03.3~6.01.0~4.528~3814~302~190.5~6.01.5~3.80.7~2.50.5~2.20.5~1.35040~6010~4010燃H燃O燃V燃N特性泥煤褐煤烟煤无烟煤4035~503~161~3发热量2~2.3万2.4~3.1万3.1~3.6万3~3.5万颜色暗土色————————————深黑色光泽无光泽————————————金属光泽表观比重0.5～1.00.8～1.31.2～1.51.4～1.8硬度小——————————————大反应性大——————————————小可燃性大——————————————小粘结性弱较弱强弱用W第二章液体燃料天然的液体燃料：原油（石油）人造的液体燃料：石油加工产品；煤干馏的产品；煤气化产品（焦油）；煤液化产品；合成石油。第一节工业液体燃料的组成组成：烷烃CnH2n+2，环烷烃CnH2n，芳香烃CnH2n-6，稀烃CnH2n，氧化物，硫化物，氮化物，水分和矿物质（杂质）分类（习惯上）：石蜡基（主要是烷烃），稀烃基，中间基（混合基），芳香基1.石油加工基本方法：分馏和裂解⑴直接蒸馏(分馏)①常压蒸馏P≈1atm液化汽————常压重油②减压蒸馏P→0atm最后剩下的为：减压重油加热石油常压蒸馏减压蒸馏沥青和减压重油液航汽挥煤轻柴油轻质油化发柴润滑油汽油油油油油发热量高⑵裂解：蒸馏残留物在高温高压下使分子裂化目的:多提取轻质油,产量可达石油的30～35％2.燃料油（直接用于工业燃烧）①种类：常压重油，减压重油，裂化重油②优点：杂质少，可燃成分多，发热量大；便于运输；燃烧过程易控制；燃烧较完全；燃烧温度高，火焰辐射能力强。加热第二节重油的化学组成和发热量1.化合物组成：烃，固体烃，氧化物、炭化物和氮化物等2.族组成：①烷烃CnH2n+2n=1~4(汽态)，n=5~16(液态烃)，n17(固态)②稀烃CnH2n不饱和烃③环烷烃CnH2n饱和烃④芳香烃CnH2n-6不饱和环状化合物3.成分分析方法：⑴元素分析：CHONS(质量百分比)=85~88%=10~13%+=1.5~1.0%=0.2~3%⑵工业分析：主要分析A和W含量（一般为外部混入的）A0.3%W=4~10%燃C燃H燃S燃N4.发热量第三节重油的物理性质（使用性质）1.粘度：衡量重油流动性的指标表示方法：①恩氏粘度()②运动粘度影响因素：①种类烷烃小芳香烃大②温度kgkJQ/2.4~4万万低E0水的流出时间的试样油的流出时间时mlCmlCtEt2002020000sm/260010)31.632.7(EEsm/2E0E0TE0要求：①管道输送30～40②烧嘴前=5～10T=100～130③敞开式油缸内合适的加热温度T=60～80④2.密度——20重油密度＝0.92～0.983.表面张力4.比热和导热系数E0E0C0C0CT0150蒸汽)20(1