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下篇燃料燃烧,11-15章,第11章燃料,11.1概述,凡是燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地利用在工业和其它方面的物质。,固体燃料木碳，煤等。其中煤又分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。液体燃料石油及其制品。气体燃料天然气、人造煤气。,燃料的种类,按状态分,,按来源分,,天然原料,人工原料,能源与燃料,能源是自然环境中存在的，通过人类开发能够产生各种能量的物质资源，是人类赖以生存的基础和国民经济发展的动力根据能量的利用形式和性质分类燃料能源以化学能或原子能形式储存于物质中，通过燃烧或原子裂、聚变后释放出热能的自然资源。如化石燃料、草木、沼气、核燃料非燃料能源以光能、机械能或热能形式存在，可以直接利用的能量资源。如太阳能、水能、风能、地热能,能源与燃料,一次能源自然界中不需加工，可直接应用的能源。煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能等非再生能源其中矿物燃料和核燃料的生成速度极慢，而消费速度不断增长，最终会枯竭再生能源在自然界的物质和能量循环中能够重复生产的能源，如水能、风能、海洋能、生物质能、太阳能等，能量的消耗速度可与再生速度持平，经久使用而不会枯竭二次能源经由一次能源处理和能量形式转换而得到的能源。焦炭、重油、煤气、电力、蒸汽等,,常规能源在工农业生产和人类生活消费中得到广泛应用的部分煤炭、石油、天然气、水力、核裂变等新能源其余的部分太阳能、风能、地热能、海洋能、核聚变能等，受到现阶段科学技术水平的限制，尚未大规模开发和广泛使用,能源与燃料,能源与燃料,世界能源状况,中国能源现状,中国能源现状,中国能源现状,11.2.1固液体燃料,常用燃料的组成可燃质高分子有机化合物惰性质多种矿物质燃料的化学成分及含量表示方法元素分析法CHONSAM工业分析法固定碳Cgd、挥发分V、水分、灰分。广义上还包括煤的发热量、硫分、焦渣特性及灰的熔点测定,11.2燃料的组成及其表示方法,碳C,氢H,硫S,氧O,氮N,水分W,灰分A,基本成分,,1、燃料的元素分析成分,吸附和凝聚在颗粒内部毛细孔。不易蒸发，105～110℃可烘干,机械附着和润湿在燃料颗粒表面及大毛细孔中。易于蒸发,碳,燃料的主要可燃元素，含量最多纯碳完全燃烧生成CO2，放热32866kJ／kg；不完全燃烧生成CO，放热9270kJ／kg煤的含碳量随煤化程度增高而增加煤的含碳量愈高，其发热量愈高纯碳不易着火,,煤化程度越高，发热量越高，越不易着火,,氢,燃料另一重要可燃元素，煤中含量不多，液体含量较高发热量比碳高，约120370kJ／kg容易着火燃烧煤化程度愈高，氢含量愈小燃烧过程容易析出炭黑而冒黑烟、污染大气,,氧、氮,不可燃，习惯作为可燃成分，使燃料可燃成分相对减少，发热量降低氧随煤化程度加深而减少煤中氮含量很少，属于有害元素高温条件下，氧化生成NOx，排入大气，破坏生态平衡,,硫,可燃，发热量不大9050kJ／kg有害元素生成物腐蚀锅炉尾部受热面污染环境,,灰分,燃料的主要杂质、有害成分，夹杂在燃料中的不可燃矿物质。如灰分含量多着火燃烧困难容易积灰，如提高烟速加剧受热面磨损污染环境若灰熔点低，受热面容易结渣，破坏燃烧、恶化传热液体和气体燃料灰分含量少,,水分,主要杂质随煤化程度增高而减少,如水分多煤发热量降低汽化吸热导致炉膛温度下降，影响煤着火燃烧增大烟气体积，排烟热损失增加加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰燃料油一般需进行脱水处理,,固液体燃料成分分析数据的基准与换算,燃料各成分百分数经常变化，提供或应用燃料成分分析数据，须表明其分析基准（计算基数）元素分析和工业分析，常采用四种分析基准,燃料的实际应用成分,实验室条件下风干后的成分,不受水分影响,稳定成分，用于判断煤的燃烧特性和分类,常用煤的基准（1）收到基应用基（2）空气干燥基（分析基（3）干燥基干燥基（4）干燥无灰基（可燃基）,（1）收到基（应用基）以实际使用的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。,,,收到基,（应用基）,收到基水分Mar有两种外在水Mar.f和内在水Mar.in,（2）空气干燥基（分析基）以实验室使用的风干煤样（用温度为20℃，相对湿度为70的空气）为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。,,,分析基,空气干燥基,（3）干燥基（干燥基）以无水的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。,干燥基,干燥基,（4）干燥无灰基（可燃基）以无水、无灰的煤为基准而测出的煤各元素的质量百分组成。,,,干燥无灰基,（可燃基）,各种基换算,已知Cdaf，求Car,换算公式x＝Kx0,换算基相应成分,已知基相应成分,换算系数,11.2.2气体燃料,11.2燃料的组成及其表示方法,2、工业分析法挥发分（V）固定碳（FC）AM100工业分析规程煤在隔绝空气的条件下加热，随温度升高发生的变化100150℃外部水分蒸发200450℃碳氢化合物分解释放出可燃气体（CH4、H2、CmHn）。矿物结晶水逸出---850℃气体挥发停止10001100℃完全停止一切气体逸出，残留下固体焦炭.,,气体燃料组成表示方法及换算关系,11.3固体燃料及其特性,煤的分类,按照煤化程度分类,埋藏在地层深处的古代植物残骸，在地壳压力、地热和隔绝空气等条件作用下，经过几千万年乃至上亿年逐渐碳化而形成的有机生物岩煤化程度逐年加深，所含水分和挥发物随之减少，碳含量相应增大形成各类不同品种的煤，表现出不同的特性按干燥无灰基挥发分（煤化程度）多少，对煤分类,煤的分类,我国动力用煤的分类,煤的分类,我国冶金用煤的分类,按照结焦性强弱和挥发份高低分类,长焰煤其挥发分较高（干燥无灰基挥发份37。易着火燃烧，燃烧时火焰很长。这种煤不耐烧，结焦后呈粉状，贮存时易风化和自燃，故只宜作动力用煤。气煤易于着火燃烧，具有焦结性，发热量略高于长焰煤，其挥发分较高（干燥无灰基挥发份37。这种煤宜用于制气。弱还原煤这种煤根据焦结性可再分为不黏结煤和弱黏结煤。其挥发分甚高（干燥无灰基挥发份20-37易于着火燃烧，火焰短而明亮，但焦结性很差，不结焦或稍结焦，故宜作动力用煤。半炼焦煤与焦煤这两种煤挥发分均偏低，故较难着火燃烧，火焰短而明亮，但焦结性强（尤其是焦煤），制出的焦炭质量很高，强度也较高，故这两种煤主要作为炼焦原料。肥煤其挥发分很高（干燥无灰基挥发份26-37燃烧时有长而亮的火焰。这种煤有很好的焦结性，因此是最理想的炼焦原料，用于生产优质冶金焦。瘦煤其挥发分不高（干燥无灰基挥发份14-20，较难着火燃烧，火焰短而眩目。这种煤在长期贮存时会丧失焦结性，故常用作动力煤，亦可掺和其他煤种炼焦。贫煤为烟煤中最接近无烟煤的煤种。由于炭化程度高，含碳量高而挥发分低，故着火燃烧困难，火焰短而呈黄色，焦炭呈粉状。此煤种通常作为动力用煤。,发热量,燃料的发热量单位质量单位容积燃料完全燃烧所放出的热量。kJ／kg或kJ／Nm3高位发热量Qgr每kg燃料完全燃烧后所产生的热量，包括燃料燃烧时所生成的水蒸气的汽化潜热，水蒸气全部凝结成水排烟温度在110～200℃，水蒸气处于蒸汽状态，汽化潜热随烟气带走低位发热量Qnet从高位发热量中扣除水蒸气的汽化潜热Qnet接近实际情况，在设计、试验中以此作为计算依据,发热量间的换算,高低位发热量间关系,计算发热量时，各种基Qgr间可用表11-10的换算系数进行换算。而Qnet必须考虑水分的汽化潜热对于高位发热量来说，水分只是占据了质量的一定分额而使发热量降低；对于低位发热量，水分不仅占据了质量的一定分额，而且还要吸收汽化潜热,将Qnet,ad换算成Qnet,ar,,,发热量近似计算,取决于燃料中可燃成分的多少。不等于所含各可燃元素的发热量算术和，难以准确计算燃料不是各种成分的机械混合物，而包括极其复杂的化合关系。,由氧弹发热量计算,门捷列夫公式,煤科院,标准煤,假想煤，规定其收到基低位发热量为29308kJ／kg（7000kcal/kg,标准煤消耗量,燃煤实际消耗量,,固体燃料发热量的测定,方法固体燃料热值的测定通常采用氧弹量热仪,挥发分,失去水分的干燥煤样在隔绝空气下加热至一定温度时，所析出的气态物质其百分数含量即为挥发分由各种碳氢化合物、H2、CO、H2S等可燃气体和少量O2、CO2、N2不可燃气体等组成,不是现成状态存在于燃料中，在加热中形成,挥发分煤分类的重要依据之一,煤的挥发分大小，大致代表煤的煤化程度一般煤的挥发分随煤化程度加深而减少不同煤种挥发分析出的温度与煤化程度有关煤化程度越浅，挥发分开始析出的温度愈低。130400℃挥发分含量对燃烧过程的发生和发展有较大影响含量高的煤，着火迅速，燃烧稳定，易于燃烧完全窑炉结构和运行方法与挥发分有关,,焦结性,焦炭煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出后的固体残余物煤的焦结性焦炭的性状随煤种变化，呈粉末状、焦块等煤的焦结性对煤在炉内的燃烧过程和燃烧效率有很大影响层燃炉不宜燃用不粘结或强粘结的煤,,灰熔点,灰分焦炭中的可燃物（固定碳）燃尽的残留物灰熔点反映灰分的熔融性。灰分没有固定熔点，只有融化温度范围角锥法测灰熔点,一般以软化温度t2作为衡量熔融性主要指标难熔融性，t21425℃可熔融性，1200～1425℃易熔融性，t21600℃下分解消耗的热量时，所得燃烧产物的温度。,燃烧过程中的热平衡式为QnetQfQaQQdi,∴有,在无机材料工业窑炉内的燃烧温度下，CO2和H2O分解的量极小，故Qdi可忽略，则有,三实际燃烧温度tppracticalcombustiontemperture,定义燃料燃烧时，燃烧产物的实际温度。,燃烧过程中的热平衡式为QnetQfQaQQlQmlQchQdiQa,s,∴有,四窑炉的高温系数,定义实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值。,数学式为,值与窑炉型式和结构、燃料种类、燃烧方式、被加热制品的种类、操作条件等因素有关。,五实际燃烧温度的计算,由于Ql、Qml、Qch、Qdi、Qa,s等不易获得，因此tp无法直接按其计算式进行计算，而是通过计算理论燃烧温度tth、选取值，再求出tp值。,计算tp的具体步骤如下,1.tth的计算，采用“试算法”和“内插法”，其步骤为,1求出Q＝Qnet＋cftf＋Vacata,2设t1，查得c1见教材P.255表4-18，计算出Q1＝Vc1t1，,①若Q1Q，则假设温度t1tth,②若Q1Q，则设t2＝t1-100，查得c2，计算出Q2＝Vc2t2,依次类推，直至计算到Q值正好介于两个相邻的计算Q值中间。,③若Q1Q，则设t3＝t2-100，查得c3，计算出Q3＝Vc3t3,同样，直至计算到Q值正好介于两个相邻的计算Q值中间。,若Q2Q，则设t3＝t2100，查得c3，计算出Q3＝Vc3t3,3用“内插法”计算tth如图2-1所示,,,,,,,,图2-1,Q,Q2,Q1,Q,t,t2,t1,tth,∴有,则，,2.选取值。根据实际情况，综合分析后选取η值。,3.tp的计算tptth,六提高实际燃烧温度的途径,由,分析得,1.选取Qnet高的燃料。但是当Qnet的提高与烟气量V增加速度相对应时，Qnet对tp效果不明显。因此要选择Qnet高而V小的燃料。,2.控制适当的空气系数。即在保证燃料完全燃烧的前提下，采用最小的值，使略大于1。,3.预热空气或燃料，。但对于固、液体燃料不易预热，故通常采用预热空气的方法。,4.富氧燃烧。使Va，则V。,5.减少散热损失，加强窑体保温。,第13章气体燃料的燃烧过程及燃烧设备,一、火焰的描述,火焰指燃烧着的燃料与空气的混合气流。,火焰的特性,火焰的性质即气氛,通常用“五度”来描述,,温度,长度,刚度,黑度,宽度铺展性,氧化焰,还原焰,中性焰,,二、燃烧过程,一过程,包括混合、着火和燃烧三个阶段，其中混合速度最慢，因此由混合速度决定燃烧速度和燃烧的完全程度。,二燃烧方法,根据煤气与空气的混合情况分为,长焰燃烧,短焰燃烧,无焰燃烧,,1.长焰燃烧又叫扩散式燃烧,1定义,煤气在烧嘴内完全不与空气混合，喷出后靠扩散作用进行混合而燃烧，火焰长。,火焰的长度、宽度及温度分布主要主要取决于煤气与空气的混合条件，如煤气的喷出速度、煤气与空气的相对速度和交角、旋流强度等。,2火焰的形状有两种,①层流扩散火焰煤气与空气分别以层流流动进入燃烧室时，就得到层流的扩散火焰。,其火焰形状,②湍流扩散火焰当煤气喷出速度增大到一定值时，就形成了有噪音的湍流扩散火焰。,火焰特点无法区分火焰焰面与混合区等部分，在整个燃烧火焰内都进行着混合、着火和燃烧，其形状和长度决定于煤气与空气的交角和流动特性。,3长焰燃烧的特点,①燃烧速度慢，火焰长度长；,②在火焰长度方向上温度分布均匀；,③火焰黑度大；,④喷射压力低，耗能低；,⑤稳定性好，不易发生回火现象，易控制火焰，但易产生脱火现象；,⑥空、煤气预热不受限制，有利于回收余热和节约燃料；,⑦混合均匀性差，值大1.2～1.6、燃烧温度低，易出现不完全燃烧现象。,2.短焰燃烧,1定义,煤气在烧嘴内预先与部分空气一次空气，011混合，喷出后燃烧并进一步与二次空气混合燃烧，火焰较短。,2火焰的形状由内焰和外焰两个锥面构成。,,3特点,①燃烧温度较高,值较小，燃烧较易完全；②混合较好，燃烧速度快，火焰较短；③稳定性差，易发生脱火及回火，并且1越大，稳定性越差。,3.无焰燃烧,1定义,2火焰的形状只有一个锥形焰面，火焰短而透明，无明显轮廓。,煤气与空气在烧嘴内完全混合，喷出后立即燃烧，几乎无火焰。,3特点,①混合均匀性好，小一般在1.05左右；②燃烧温度高，燃烧更完全，但火焰黑度小；③空、煤气预热受限制，稳定性较差。,三、燃烧设备,1.长焰烧嘴单管式、多管式,2.短焰烧嘴低压涡流式（DW－Ⅰ型,3.无焰烧嘴喷射式高压煤气烧嘴,4.高速烧嘴其特点,1喷出速度大，沿流动方向温差小；2喷出气流温度可任意调节（200～1800℃）；3有利于窑内气体循环，提高对流传热量，使窑内温度、气氛均匀;4燃烧迅速，热效率高，燃烧温度高；5燃烧完全，对环境污染小。,长焰烧嘴,单管式,多管式,单管式,短焰烧嘴,无焰烧嘴,第14章液体燃料的燃烧过程及燃烧设备,一、燃油的燃烧方法与燃烧过程,一燃烧方法有三种方法,1.雾化燃烧法将燃油喷成雾滴，再与空气混合燃烧。,喷成雾滴的目的就是为了极大地增加与空气的接触面积。,2.气化燃烧法将燃油裂化成油气，再按气体燃料的燃烧方法进行燃烧。,3.乳化燃烧法在燃油中掺入一定量水，混合均匀后的液体叫乳化油。乳化油然后再雾化燃烧法进行燃烧。,乳化油的类型有油包水型、水包油型和多重型，主要为油包水型。,乳化燃烧法的优点,,①节油,加水13～15％，节油8～10％；,②火焰变短发亮、刚性增强，火焰温度稍有增高；,③基本上消除了化学不完全燃烧现象，黑烟少。,二燃烧过程,1.雾化燃烧法的过程分四个阶段,雾化,,蒸发,,混合,,着火燃烧,其中雾化是决定整个过程的关键。,2.气化燃烧法的过程分六个阶段,加热,,蒸发汽化,,高温裂化,,洗涤净化,,混合,,着火燃烧,二、重油雾化燃烧过程,一对雾化的要求,1雾滴要细，一般要求直径不大于50m，但也不能太细，否则要消耗更多的能量。,2雾滴大小要均一，要求≤50m的雾滴量≥85。10～100m,3油流股断面上雾滴的分布要均匀。,总之，要喷得细，喷得均。,二雾化的方法,有两种,,机械雾化（间接雾化）,介质雾化（直接雾化）,1.机械雾化,是将燃油加以高压一般为10～30atm，以较大的速度并以旋转运动的方式从小孔喷入气体空间使油雾化。由于是靠油本身的高压，故又称油压雾化。,特点,,①雾滴较粗直径约100～200m，燃烧不完全，耗油量大；,②喷出的火焰瘦长，刚度大；,③动力消耗低，设备简单紧凑；,④在可调节范围内调节方便，无噪音。,最大的缺点为耗油量大,2.介质雾化,是利用以一定角度高速喷出的雾化介质即雾化剂，使油流股分散成细雾。,常用的雾化剂空气、压缩空气、水蒸气。,1雾化原理,主要是靠雾化介质对油流股的机械作用，当摩擦力或冲击力大于油的表面张力时，油流先分散成夹有空隙气泡的细流，继而破裂成细带或细线，后者又在油本身的表面张力作用下形成雾滴。,2介质雾化的种类,按压力不同划分,,低压雾化,中压雾化,高压雾化,①低压雾化,介质压力2.03～12.16kPa0.02～0.12atm,雾化介质及用量用65～100％助燃空气作为雾化介质。,特点其混合好，但限制助燃空气的温度350℃，火焰长度适中，喷油量小，火焰具有一定的刚性。,②中压雾化,介质压力10.13～101.33kPa0.1～1atm,雾化介质压缩空气或水蒸气。,雾化介质用量约占助燃空气15左右。,特点火焰极短，扩散角较大，且较稳定。,③高压雾化,介质压力101.33～709.28kPa1～7atm,介质种类压缩空气或过热水蒸气。,介质流速300～400m/s,介质用量约占助燃空气2～15左右,特点火焰较长，呈圆锥形，扩散角小。,3影响介质雾化的因素,①油温。T↑，↓，对雾化有利，故燃烧前先加热；但是一般控制重油加热温度在110～125℃，否则油温过高会造成油析渣和气阻现象。,②油压。油压越高，则油的动量越大，对雾化不利，故油压不能过高。,③介质压力。越高越有利，但越高，动力消耗越大。,④介质温度。对于高压，一般要预热，但对于低、中压不作要求。,⑤介质流量。越大效果越好，尤其对低压雾化。,⑥燃油与介质的交角。越大越好。,⑦烧嘴结构的影响。,另外，还可以采用一些强化雾化的方法，如将重油进行磁化处理。,三、重油的燃烧设备,一要求,1.雾化质量好，雾化剂用量少；,2.火焰满足工艺要求，能调节控制；,3.结构简单，坚固可靠，易维修。,二烧嘴的种类,几种常见的烧嘴,,R型低压烧嘴,外混涡流式高压烧嘴,GNB内混式高压烧嘴,机械雾化烧嘴,介质（蒸汽）雾化烧嘴,介质（空气）雾化烧嘴,第15章固体燃料的燃烧过程及燃烧设备,一、固体燃料的燃烧过程,一准备阶段,包括燃料的干燥、预热和干馏。,1.干燥在110℃左右，吸附水即物理水全部逸出，吸热过程，水分越多，Q吸↑，干燥时间越长。,2.预热干燥后，燃料温度继续升高。,3.干馏当温度升高到一定值时，便开始分解，放出挥发分，剩下固定炭。V↑，开始放出挥发分的温度越低。,煤的干馏温度褐煤～130℃；烟煤130～400℃；无烟煤～400℃。,影响因素煤的性质、水分、燃烧室的结构及温度等。,此阶段不需要氧气，为吸热阶段，一般希望此阶段所需的时间越短越好。,二燃烧阶段,包括挥发分V和固定炭FC的燃烧。,由于挥发分的着火温度FC的着火温度，通常把V的着火温度粗略地看作煤的着火温度，V↑，着火温度↓。,一般地，褐煤250～350℃；烟煤250～400℃；无烟煤350～500℃。,在此温度下，虽然能着火燃烧，但其速度很慢，因此往往把燃料加热到较高的温度，并且供给充足的空气，才能加快燃烧速度和燃烧完全程度。,如，褐煤加热到550～600℃；烟煤加热到750～800℃；无烟煤加热到900～950℃。,三燃烬阶段（或称灰渣形成阶段,它是固体燃料所特有的阶段,由于焦炭将烧完时，外壳包裹了一层灰渣，阻碍了空气向里扩散，因而使燃烧速度变慢，尤其灰分高的煤更难燃烬。为了使燃烧完全，此阶段要保持一定的温度和时间。,二、燃烧方式,一按热能利用方式分,,,其中,分为,,完全燃烧式1，0；,完全气化式0，1，用于煤气发生炉上；,半气化式01，01，用于窑炉上。,二按燃料在炉内的状态分,分为,,层燃式,喷燃式,沸腾式,三、煤的燃烧设备,一层燃燃烧室,其工作原理，结合结构图进行分析。,二煤粉燃烧设备,1.煤粉燃烧过程的特点,煤粉随空气喷入燃烧室后，呈悬浮状态，一边随气流继续往前流动，一边依次进行干燥、预热、挥发分逸出和燃烧、焦炭粒子燃烧等过程。,2.组织燃烧时的注意事项,1合理组织炉内气流以加速煤粉着火；,2合理控制好一次风量、风温和喷出速度；,3控制合理的空气系数，水泥回转窑的值一般为1.05～1.15。,4注意加速焦炭粒子的燃烧；,5制备细度合理、颗粒均匀的煤粉。,层燃燃烧,旋风式燃烧,沸腾燃烧,