1、材料科学与工程学院粉体工程研究所,第六章 燃 烧,燧人氏钻木取火,普罗米修斯盗取火种,战国时期齐国田单的火牛阵,在中国宋代有了火药火箭的发明,18、19世纪，人类相继发明了蒸汽机和内燃机第一次产业革命,第二次世界大战期间，燃烧技术开始用于航空航天,玻璃熔窑,陶瓷、耐火材料生产用隧道窑,水泥生产用回转窑,热风炉,材料生产的基本要求,优质、高效、低能耗清洁生产,合理设计、选用燃料燃烧设备及组织燃烧过程,了解燃料的热工特性、燃烧过程，学会燃料燃烧计算的方法,强化燃烧-高能，高压，高温，高速燃烧。节 能高效率，低品位燃料燃烧。环 保低污染 （低NOx，SOx，CO2，粉尘，噪音，有毒气体）燃烧。,近代
2、燃烧技术：氢氧燃烧；超音燃烧；高推重比燃烧；旋流（风）燃烧；流化床燃烧，磁控燃烧；脉动燃烧；催化燃烧；自蔓延燃烧；低温富氧燃烧等等,提 纲,6.1 燃料的种类6.2 燃料的组成及其表示方法6.3 燃料的热工性质6.4 燃烧计算,6.1 燃料的种类,常用燃料种类,6.1 燃料的种类,RDF (Refuse Derived Fuel)燃料：由制造厂从一般垃圾中分拣出废塑料、废料渣、木屑等，经过破碎、干燥、压形、固化，制成的无害固体燃料。垃圾发电、水泥工业辅助燃料,生物质 (Biomass)燃料：以生物质为原料生产的液态或气态燃料，原料主要来自农林产品或副产品、工业废物及生活垃圾等有机物。,甘蔗渣,
3、木屑,核桃壳,6.1 燃料的种类,6.2 燃料的组成及其表示方法,燃料的组成及表示方法，随燃料种类的不同而不同。1. 固体、液体燃料 元素分析组成 用元素分析方法（气相、液相色谱分析）得出燃料中主要化学成分，该组成可以分别给出某些可燃元素的含量。燃料的元素组成是评价燃料质量的重要指标。碳（C）是煤中有机质的主导成分，也是最主要的可燃物质。 氢（H）也是煤中重要的可燃物质。 氧（0）是煤中不可燃的元素。 煤中氮（N）含量较少，仅为l3。 硫（S）是煤中的有害物质。,工业分析组成 工业分析组成是用工业分析方法得到的规范化组成,该组成可以给出燃料（特别是固体燃料）中可燃成分和不可燃成分的含量。 水分
4、（M）是煤中的不可燃成分，其在煤中的存在状态可以分为两类：游离水和化合水。灰分（A）是指煤在815燃烧后的残留物，是煤中矿物质的转化产物。 挥发分（V）是指在隔绝空气的条件下，将煤加热到900保温7分钟，从煤中有机质分解出来的气体产物。,6.2 燃料的组成及其表示方法,固体燃料的组成表示方法 （各成分的质量百分数）常用基准有： 收到基（as received）：指使用单位收到的煤的组成，也即是实际使用的煤的组成。以“ar”表示。Car% + Har% + Oar% + Nar% + Sar% + Aar% + Mar% = 100% MarVarFCar十Aar=100% 空干基（air dr
5、y）：指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成（将煤样在20和相对湿度70的空气下连续干燥1小时后质量变化不超过0.1%，即认为已达到空气干燥状态。此时煤中水分已与大气达到平衡）。以“ad”表示。Cad% + Had% + Oad% + Nad% + Sad% + Aad% + Mad%=100% MadVadFCadAad=100,6.2 燃料的组成及其表示方法,干燥基（dry）：指绝对干燥的煤的组成。这种基准不受煤在开采、运输和贮存过程中水分变动的影响，能比较稳定地反映成批贮存煤的真实组成，在各组成的右下角以“d”表示。Cd% + Hd% + Od% + Nd% + Sd% + Ad%=10
6、0% VdFCdAd=100% 干燥无灰基（dry ash free）：指假想的无水无灰的煤的组成，由于煤的灰分在开采、运输或洗煤过程中要发生变化，故除去灰分和水分后的煤组成，可排除外界条件的影响。该基准在各组成的右下角以“daf”表示，Cdaf% + Hdaf% + Odaf% + Ndaf% + Sdaf% = 100%VdafFCdaf=100%,6.2 燃料的组成及其表示方法,燃料各组分之间的关系,6.2 燃料的组成及其表示方法,组成用体积百分含量表示。 湿成分（用上标 表示）：包括水蒸气在内的成分CO % + H2 % + CH4 % + CmCn% + H2S % + CO2 %
7、+ N2 % + O2 % + H2O % = 100% 干成分（用上标d表示）：不包括水蒸气COd % + H2 d % + CH4d % + CmCnd % + H2Sd % + CO2d % + N2d % + O2d % = 100%,2. 气体燃料,可燃成分,不可燃成分,主要是CO、H2、CH4与一些饱和、不饱和烃类及H2S等,CO2、H2O、N2、O2及SO2等,6.2 燃料的组成及其表示方法,例： 已知煤的工业分析值Cad=35%，Mar=10%，Mad=8%，求Car。,【分析】,设1kg 收到基煤在空气中干燥至空气干燥基煤时，脱除的水分为Mar,f , 则按照物质平衡关系，应
8、有：收到基含碳量 = 空气干燥基含碳量 即： Car = （1-Mar，f）Cad,又：,Mar Mar，f= MadMar，fMad,Mar Mar，f= (1Mar，f)Mad,6.2 燃料的组成及其表示方法,6.3 燃料的热工性质,1. 发热量（热值） 概念：单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃 烧前的温度时所放出的热量。 单位为kJ/kg(kJ/Nm3)或MJ/kg(MJ/Nm3)。,高位发热量：燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸气（包括燃料中所含水分生成的水蒸气和燃料中的氢燃烧时生成的水蒸气）全部凝结为水时所放出的热量；低位发热量：用燃料完全燃烧后，其燃烧产物中的水蒸气仍
9、以气态存在时所放出的热量；,高位发热量Qgr,p(定压高位发热量，gross constant pressure),低位发热量Qnet,p(定压低位发热量，net constant pressure),弹筒发热量Qgr,v ：实验室用氧弹式量热计（氧弹法）的实测值。将一定量的燃料试样置于氧弹中，在有过剩氧的条件下燃烧，然后使燃烧产物冷却到室温，在此条件下测值得的单位质量燃料所放出的热量。,6.3 燃料的热工性质,Qnet，p,ar = Qgr，p,ar 2510（Mar+9Har）,对固、液体燃料：,Qnet,p,adQgr,v,ad-9420Sad-0.0063Qgr,v,ad-2510（M
10、ad9Had）kJkg,6.3 燃料的热工性质,实际燃烧时，温度很高，燃烧产物中的水蒸气均以气态存在，不可能凝结为水而放出汽化热。故燃烧计算中应以燃料收到基低位发热量为基准。 热值的计算 对于固体、液体燃料，当已知燃料的元素分析值时： Qnet,ar = 339Car + 1030Har 109（Oar-Sar）-25Mar,若固体燃料仅有工业分析值时： a.无烟煤 Qnet,ad = K0 36000Mad 38500Aad 10000 Vad b.烟煤 Qnet,ad = 100K1-(K1+25.12)(Mad + Aad)- 12.56Vad,注：k0和k1根据Hdaf值查表求得,6.
11、3 燃料的热工性质,c. 气体燃料： Qnet = 126CO + 108H2 + 358CH4 + 590C2H4 + 637C2H6 + 806C3H6 + 912C3H8+ 1187C4H10 + 1460C5H12 + 232H2S,2. 其他热工性质 固体燃料 挥发分:在隔绝空气的条件下将一定量的煤样在温度900下加热7分钟，所得到的气态物质（不包括其中的水分）称为煤的挥发物。而挥发物占煤的质量百分数则称为挥发分。挥发物含量高时火焰长，着火温度低，易着火。,6.3 燃料的热工性质,灰分:煤在815完全燃烧后的残留物。灰分的主要组成：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO及MgO，此
12、外还有K2O、Na2O和SO3（以硫酸盐形式存在）。 灰分含量高的煤不仅使发热量减少，而且影响煤的着火和燃烧。灰分每增加l，燃料消耗即增加l。由于燃烧的烟气中飞灰浓度大，使受热面易受污染而影响传热，降低效率，同时使受热面易受磨损而减少寿命。水分:煤中水分不宜高。水分存在，会降低发热量，亦不利于着火，且使炉温降低，并增加烟气带走的热损失。但烧较碎的煤时，适当加入水分（8%），对减少机械不完全燃烧热损失，及使煤渣疏松，易于处理均是有利的。,6.3 燃料的热工性质,结渣性:煤灰的熔融性与煤中灰分的组成有关。当灰分中SiO2、Al2O3含量多时，灰分软化温度(ST)高；FeO、Na2O、K2O等含量多
13、时，灰分软化温度(ST)降低。判断燃料是否易结渣时，ST 是比较重要的煤质指标。 可燃硫含量:可燃硫燃烧后在烟气中形成SO2 和少量的SO3，SO3使烟气中水蒸气的露点大大升高。SO2和SO3能溶于水变成亚硫酸（H2SO3）和硫酸（H2SO4），它会使锅炉低温受热面（如空气预热器）金属腐蚀及堵灰。工业窑炉用煤一般要求含硫量小于1%。,液体燃料 粘度:我国重油常用的粘度标准是以恩氏粘度（E）来表示的，即在测定温度下油从恩格勒粘度计中流出2OOml所需的时间（秒）与20蒸馏水流出200ml所需的时间（约52秒）之比值。它对重油的装卸、存贮、过滤、输送及雾化均有较大影响。它不仅产地及加工有关，还受温
14、度的影响。闪点、燃点、着火点:当有火源接近时，若出现蓝色闪光、则此时的油温称为油的“闪点”。若油温超过闪点，则油的蒸发速度加快，用火源接近油表面时在蓝光闪现后能持续燃烧（不少于5秒钟），此时油温称为油的“燃点”。若再继续提高油温，则油表面的蒸气即使无火源接近也会自发燃烧起来，这种现象称自燃，相应的油温称为油的“着火点”。,6.3 燃料的热工性质,凝固点:当油类完全失去流动性时的最高温度叫凝固点。与其组成有关，含蜡量高的油，凝固点较高。水分:重油中含水，对燃烧不利，不仅降低燃料的发热量,而且当水分过高时易产生“汽塞”现象使燃烧火焰不稳定。油中含水量应在2以下。机械杂质 :其存在易磨损油泵及导致管
15、路或喷嘴堵塞，故在进油泵及烧嘴前，须经过滤器除去机械杂质。,6.3 燃料的热工性质,6.3 燃料的热工性质,气体燃料 体积分数:相同温度和压力条件下，燃气中各单一组分的体积和燃气总体积分数的比值。,比热,定压比热Cp ：保持燃气压力不变时，1m3燃气温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。单位kJ/（m3K）。,定容比热Cv ：保持燃气体积不变时，1m3燃气温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。单位kJ/（m3K）。,M :燃气的相对分子量。,平均比热:,6.3 燃料的热工性质,着火温度：燃气开始燃烧时的温度 。爆炸浓度极限：当可燃气体或油气与空气的浓度达到某个范围时，一遇明火或
16、温度升高到某一数值就会发生爆炸的浓度范围 。,6.3 燃料的热工性质,3. 标准燃料与标准煤,标准燃料：计算能源总量的一种模拟的综合计算单位。由于煤、油、气等各种燃料质量不同，所含热值不同，为了便于对各种能源进行计算、对比和分析，必须统一折合成标准燃料。标准燃料可分为标准煤、标准油、标准气等。中国采用标准煤为计算基准，即将各种能源按其发热量折算为际准煤。标准煤的低位发热量（收到基）为29270 kJkg（即7000kcalkg）。能源折标准煤系数某种能源实际热值/标准煤热值,4. 燃料的选用原则,6.3 燃料的热工性质,（1）从我国燃料资源的实际出发，根据国家当前的能源政策选用燃料。应坚持就地
17、取材和物尽其用的原则，充分利用地方资源和工业废料，并需设法采用低质、劣质燃料。（2）满足工艺要求，确保产品质量，并为机械化、自动化生产提供条件。 （3）来源充足，保证供应，能满足生产需要。,6.4 燃烧计算,燃烧计算的两个目的（1）设计窑炉的需要：已知燃料的组成及燃烧条件，计算单位质量（或体积）燃料燃烧所需的空气量、烟气生成量、烟气组成及燃烧温度，以确定空气管道、烟道、烟囱及燃烧室的尺寸，选择风机型号 （2）操作窑炉的需要：利用烟气成分反推分析燃烧是否合理、窑炉设备是否漏气。,6.4.1 燃料燃烧所需空气量的计算理论空气量（Va0）：单位质量（或体积）燃料完全燃烧所需要的最少空气量。,固体、液
18、体燃料Nm3/kg 燃料气体燃料Nm3空气/Nm3燃料,6.4.1 燃料燃烧所需空气量的计算,固体、液体燃料 可燃组成为Car、Har、Sar(质量百分含量） C + O2 CO2 即 1kmolC需1kmolO2 H2 + 1/2O2 H2O 即 1kmolH2需1/2kmolO2 S +O2 SO2 即 1kmolS需1kmolO2,理论燃烧需要氧气的摩尔量为 ：,标准状态下1kg固体或液体燃料燃烧所需理论氧气量(VO20)为:,6.4.1 燃料燃烧所需空气量的计算,理论燃烧所需空气量：,气体燃料,可燃组成有CO2、 CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百分含量）
19、,CO + 1/2O2 CO2 1Nm3 CO 需 1/2 Nm3 O2H2 + 1/2O2 H2O 1Nm3 H2需1/2 Nm3 O2CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 1Nm3 CH4需2Nm3 O2CmHn +(m+n/4)O2 m CO2 + n/2 H2O 1Nm3 CmHn需（m+n/4）Nm3 O2H2S +3/2O2 SO2 + H20 1Nm3 H2S 需3/2Nm3 O2,1Nm3气体燃料完全燃烧所需理论氧气量 ：,1Nm3气体燃料完全燃烧所需理论空气量（Nm3/kg燃料）,实际空气量（Va）,在实际燃烧设备中，由于燃料和空气的混合往往不够完善，若只将理论所需要的空
20、气量送入炉内，则不能保证燃料的完全燃烧。因此为保证炉内燃料的完全燃烧，实际使用空气量常较理论空气量多。,空气系数,= Va / Va0亦即 Va = Va0值变动范围一般在1.051.3之间,6.4.1 燃料燃烧所需空气量的计算,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算,烟气量（V0）及烟气组成,理论烟气量：,单位质量（或体积）燃料与空气完全燃烧产生的最少烟气量；,或单位质量（或体积）燃料与理论空气量进行完全燃烧时所产生的烟气量。,烟气组成：,CO2、SO2、H2O、N2, 固体、液体燃料,CO2、SO2、H2O可按化学计量方程式计算，N2含量可根据燃料中Nar及理论空气量计算。,CO2
21、含量 VCO20 ： Car/1222.4H2O含量 VH2O0 ：Har/2 + Mar/18）22.4SO2含量 VSO20 ： Sar/3222.4N2含量 VN20 :Nar/2822.4 + VO20 79/21,理论烟气量：,烟气成分：,将各组成量除以理论烟气总量乘100%即得。,实际烟气量及烟气组成：,当1时，烟气中除含有前已述及的CO2、SO2、H2O、N2外，还有过剩空气所带入的O2及一部分N2。,V = V0 +（ -1）Va0,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算,由于空气量（即氧量）供应不足，燃料中将有部分可燃物质不能完全燃烧。此时的燃烧产物中可能含有CO、H
22、2及CH4等可燃气体，但不含有O2。在一般的工程计算中，对于此类的不完全燃烧可近似认为其燃烧产物中只含有CO一种可燃气体。VCO =2（1- ）VO20VCO2 = Car/1222.4 -2（1- ）VO20 VH2O =（Har/2 + Mar/18）22.4VSO2 =Sar/3222.4VN2=Nar/2822.4 + VO2079/21,当 1时,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算, 气体燃料,可燃组成有CO2、CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百分含量）,CO + 1/2O2 CO2 1Nm3
23、CO 生成 1 Nm3 CO2H2 + 1/2O2 H2O 1Nm3 H2生成 1 Nm3 HO2CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O CmHn +(m+n/4)O2 m CO2 + n/2 H2O .H2S +3/2O2 SO2 + H20 ,（Nm3/Nm3）,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算, 气体燃料,理论烟气量：,6.4.2 燃料燃烧产生烟气量及烟气组成的计算, 气体燃料,实际烟气量：,当1时,V = V0 +（ -1）Va0,VCO2 VCO2 0VH2O = VH2O 0VSO2 VSO2 0VN2=N2 + VO2079/21VO2 =（ -1）VO20,CO
24、2=,当1时,V = （1- ）+ V0,（1-）未燃煤气量；,V0燃烧生成烟气量；,实际烟气量与空气量的计算,例：已知某窑所用煤的收到基组成为：组分（wt%）Car HarOar Nar SarMarAar高温阶段在窑底处测定其干烟气组成为：组分（%） VCO2 VO2 VN2灰渣分析：含C Wc（%），含灰分WA（ %）,6.4.3 生产中烟气量、空气量及过剩空气系数计算,6.4.3 生产中烟气量、空气量及过剩空气系数计算,烟气中C：,解：首先根据C平衡计算烟气量，基准为1kg煤 ，烟气量（Nm3/h） 。 设1kg煤生成干烟气量为xNm3,煤中C=烟气中C+灰渣中C,煤渣中C：,生成的干
25、烟气量：,（1）烟气量的计算,6.4.3 生产中烟气量、空气量及过剩空气系数计算,生成的水蒸气量：,湿烟气干烟气水蒸气,（2）空气量的计算,根据N平衡计算空气量,设1kg煤需要空气量为yNm3，,氮平衡 燃料中N2+空气中N2烟气中N2,(3)过剩空气系数（）的计算,6.4.3 生产中烟气量、空气量及过剩空气系数计算,氧平衡方法（适用于在空气、富氧空气或纯氧中燃烧时）;氮平衡方法（适用于在空气中燃烧时）。,a.氧平衡方法,完全燃烧时,6.4 燃烧计算, ：设k为单位燃料燃烧时的理论需氧量与该烟气中RO2百分含量的比值，常用燃料的k值列于表6.14。 不完全燃烧时:烟气中仍有CO、H2、CH4和
26、碳粒等可燃成分，值为：,6.4 燃烧计算,b 氮平衡方法 固体、液体燃料燃烧时，燃料中含氮量与燃烧空气中氮量比较，很小，可以忽略。上式可转换成：,6.4 燃烧计算, 当燃烧中含氮量较高（如发生炉煤气），不能忽略时，而干烟气中又含有CO、H2、CmHn及O2时：2. 燃烧过程的热平衡计算 讨论燃烧过程的热平衡，其目的在于：（1）在给定燃烧条件下确定燃烧产物的最终温度；（2）在给定燃烧产物最终温度条件下确定燃烧的过量空气系数和空气与燃料的预热温度；（3）寻找提高燃烧温度的途径。,6.4 燃烧计算,完全燃烧时的燃烧温度 燃烧过程中的热平衡项目如下(基准:1kg或1Nm3燃料，0) 收入热量： 燃料的
27、化学热（即燃料的低位发热量） Qnet； 燃料带入的物理热(热焓) Qf； 空气带入的物理热（热焓） Qa 支出热量： 燃烧产物所含的物理热 Q=VCtp (式中tp为可燃烧产物实际温度)；由燃烧产物传给周围物体的热量 Qt 由于机械不完全燃烧造成的热损失 Qml由于化学不完全燃烧造成的热损失 Qch 燃烧产物中部分CO2和H2O在高温下热分解反应消耗的热量 Qdt 灰渣带走的物理热 Qa,s,6.4 燃烧计算,在稳态、绝热、完全燃烧条件下，如果输入燃烧室的全部热量都用来提高燃烧产物的温度，则该温度称作理论燃烧温度，或绝热火焰温度: 如果燃料和空气未预热（Qf=Qa=0），过量空气系数 =1，
28、则为： 上式的理论燃烧温度只与燃料性质有关，通常称为理论燃烧温度。式中比热容可查教材和相关参考书。,6.4 燃烧计算,不完全燃烧（有离解）时的燃烧温度 对于不完全燃烧，工程中常采用近似计算方法，其计算式为:式中，Qdt为离解吸热量。假定燃烧产物中仅CO2、H2O两个成分发生离解，则当燃料与空气均不预热（Qf=Qa=0）以及过量空气系数=1时，,6.4 燃烧计算,实际燃烧温度 在实际燃烧室中，燃烧过程的热量平衡，不仅要考虑供入热量，还要考虑向环境散热以及不完全燃烧热损失等。根据热平衡，可得方程式： 由上式可知影响实际燃烧温度的因素很多，因而，在工业炉设计中常常根据理论燃烧温度乘上一个经验系数（又
29、称高温系数）来估算实际燃烧温度，即不同窑炉燃烧不同燃料的值可查表6.18,6.4 燃烧计算,影响理论燃烧温度的因素 燃料种类：一般来说燃料发热量高，理论燃烧温度也高。但是不能简单地认为燃料发热量与燃烧温度成正比关系，因为理论燃烧温度还与燃烧产物有关。 过量空气系数 ：过量空气系数增加，燃烧产物V增加，从而使tth下降。 空气的富氧程度：空气中氧浓度增加，惰性气体的含量相对减少，从而燃烧产物容积V减少，燃烧温度可以提高。富氧程度过大，将会使燃烧产物的离解度增加，因此在工程中，富氧空气的含氧量一般不超过2830。,6.4 燃烧计算,提高实际燃烧温度的途径 选用高发热量的燃料。Qnet增加，可使tp提高。但当Qnet增加速度与烟气量增加速度相对应时，对tp的影响不显著。 控制适当的空气系数。l时空气不足，产生化学不完全燃烧，将使tp降低；若过大，则由于生成的烟气量过多，亦会使tp降低。因此，在保证完全燃烧的前提下，应采用较小的值，即值应略大于1。 预热空气或燃料。提高tf或ta，使燃料或空气带入显热增加，提高总收入热量，将使tp增加。 减少向外界散失热量。加强燃烧室或窑炉的保温，以减少散热，可提高燃烧温度。,
