1、加热炉,第八讲燃料的燃烧,一、燃料概述,如何选择燃料？如何充分利用燃料所放出的能量？,一、燃料概述,燃料 气体燃料（如天然气、煤气、沼气、液化气） 液体燃料（如汽油、煤油、石油、重油） 固体燃料（如煤、炭、木材）加热炉使用什么作为燃料？ 液体燃料（燃油）：大多是炼厂或石化厂自产的重质油，如常压重油、减压渣油、裂化渣油等。 气体燃料（瓦斯）：催化干气、焦化干气、不凝缩气、液态烃等。,如何选择燃料？,价格经济、来源简单 燃料的物化性质 密度、粘度、比热、导热系数、燃点（闪点、自燃点）、凝固点、元素组成、硫分、灰分、水分、机械杂质、残炭、安定性,粘度：燃料油的粘度是对其流动阻力的量度，它表征燃料油输
2、送和雾化的难易程度 闪点：在大气压下，燃料油蒸汽和空气混合物在标准条件下接触火焰，发生短促闪火现象时油品的最低温度，用以表征燃料油的着火难易 凝固点：凝固点是燃料油丧失流动能力时的温度，对燃料油的运输有影响 灰分：钠、镁、钒、镍、铁、硅等其它金属化合物的含量。灰分对管式炉造成积灰堵塞、高温腐蚀等。 水分：燃料油含水会使火焰脉动、间断甚至熄火。100度时可能造成冒罐事故（突沸） 残炭：燃料油的粘度越大，胶质和沥青质越多，残炭值就越高。在一些状况下回堵塞喷口。 安定性：沉淀物的析出倾向。堵塞问题,液体燃料有下列优点：（1）比具有同量热能的煤约轻30%，所占空间约少50%；（2）可贮存在离炉子较远的
3、地方，贮油柜可不拘形式，贮存便利还胜过气体燃料；（3）可用较细管道输送，所费人工也少；（4）燃烧容易控制；（5）基本上无灰分。 气体燃料具有下列优点：（1）可用管道进行远距离输送；（2）不含灰分；（3）着火温度较低，燃烧容易控制；（4）燃烧炉内气体可根据需要进行调节为氧化气氛或还原气氛等；（5）可经过预热以提高燃烧温度；（6）可利用低级固体燃料制得。不污染环境是它的最大亮点。但是所用的贮气柜和管道，要比相等热量的液体燃料所用的大得多。,气体燃料和液体燃料的对比,二、燃料的组成及发热值,（一）燃料的元素组成,燃料的组成主要有：C，H，O，N，水分（W）和灰分（A）。燃料油的组成用质量百分数表示；
4、气体燃料的组成用各组分的体积百分数表示。,估算碳和氢含量的经验公式：C = 100 ( H + S ),（二）燃料的发热值,燃料油的发热值是指1kg燃料完全燃烧时所放出的热量，单位：kJ/kg。 高发热值：燃烧后水为液态放出的热量。Qh = 81C + 300H +26( S O )4.187 （kJ/kg） 低热值：燃烧后水为蒸汽时放出的热量。Ql = 81C + 246H + 26( S O ) 6W4.187 （kJ/kg） 气体燃料的发热值是指1标准立方米的燃料完全燃烧时所放出的热量，单位：kJ/Nm3。 高热值： Qh = qhi yi 低热值： Ql = qli yi,标准燃料,标
5、准煤的低发热量为29270kJ/kg标准油或者标准气的低位发热量为41820kJ/kg 或41820kJ/Nm3,三 理论空气用量与过剩空气系数,S+O2SO2 燃烧1kg硫需用氧32/32=1 kg,燃烧1kg燃料由空气供给的理论用氧量为：0.0267C + 0.08H + 0.01S 0.01O （kgO/kg燃料） 燃烧1kg液体燃料需要的理论空气量为：L0 = ( 0.0267C + 0.08H + 0.01S 0.01O ) / 0.23= 0.116C + 0.348H + 0.0435( S O ) (kg空气/kg燃料),（Nm3空气/Nm3燃料）,C+O2CO2 燃烧1kg碳
6、需用氧32/12 = 2.67 kg,H2+O2/2H2O 燃烧1kg氢需用氧16/2=8 kg,燃烧1Nm3气体燃料所需要的理论空气量为：,管式加热炉中实际入炉空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数，以表示，即:,过剩空气系数对管式炉性能的影响：,* 过剩空气系数太小：空气供应量不足，燃料燃烧不充分，炉子热效率低。 * 过剩空气系数太大：进入炉中空气量过多，相对降低了炉膛温度和烟气的黑度，影响传热效率。同时排出烟气量大，从烟囱中带走的热量增加，全炉热效率降低。,三 理论空气用量与过剩空气系数,影响的主要因素：, 燃料性质：气体燃料易与空气均匀混合， = 1.11.2，较小；液体燃料不易与空气
7、混合， = 1.21.3，较大。使用液体燃料时，应尽量提高燃料的雾化效果，以降低过剩空气系数。, 燃烧器的性能：自然引风式火嘴：烧油 =1.30， 烧气 =1.25预混式气体燃烧器： =1.20强制通风式燃烧器： 烧油 =1.151.20，烧气 =1.101.15, 炉体密封性：炉体密封性差，将吸入大量空气， ，所以应重视密封，防止空气漏入，或采用微正压操作，不存在空气的漏入。,四、全炉热效率及燃料用量,1 热平衡,定义：,热平衡的基本原则是：进入系统的热量 = 离开系统的热量 或： QB = QE + QS QB 供给热量，kJ/h；QE 有效热量（热负荷），kJ/h； QS 损失热量，kJ
8、/h。,热平衡,QB=BQl = QE + Q2 + QL,E,1 热平衡,一般变化不大，对立式炉和圆筒炉为0.020.05，其中辐射室为0.010.03，对流室为0.010.02。,2 影响热效率的因素, ：越小，排出烟气量越少，烟气带走的热量损失越小，越高。但要在燃烧充分的前提下。, t2：t2越低，烟气带走的热量越少，越高。,t2不能随意降低,* 受原料入炉温度的限制，必须满足工艺要求。 * 烟气中硫化物有腐蚀作用，t2必须大于烟气的露点温度，否则水蒸气冷凝后吸收SO2，生成亚硫酸，导致腐蚀。 * 传热的平均温差不能太小，排烟温度与原料进炉温度之间必须保持适当的温差。,其它影响热效率的因
9、素,简化公式：,通常公式：,化学不完全燃烧：,由于烟气离开体系时含有可燃气体造成的,机械不完全燃烧：,由于烟气离开体系时含有可燃固体（碳粒）造成的,其它影响热效率的因素,雾化蒸汽 余热回收系统 考虑空气带入体系的显热 空气预热,提高加热炉热效率的主要措施,* 采用高效、大能量的燃烧器，提高燃烧质量； * 监控烟气中的氧和一氧化碳含量，降低过剩空气系数； * 增设空气预热器或余热锅炉，回收烟气余热； * 对流室采用钉头管或翅片管，设置自动吹灰器，强化对流室的传热过程，使之多吸收热量； * 采用低传热系数的耐火绝热材料，降低炉壁散热损失； * 加强堵漏，减少漏入炉膛的空气量。,3 燃料用量,对于纯
10、加热炉：Q = m eIV + ( 1 e )IL - Ii,* 若Q和Ql一定时， B。 * 若B和Ql一定时， Q。,五、 火嘴数量的确定,通常火嘴额定喷油量为：m1 = 60300 kg/h,火嘴个数：,n = ( 1.21.35 ) B/m1,为使火焰在炉内分布均匀，圆筒炉中不能采用两个火嘴，可采用三个火嘴。火嘴安排要对称，火焰均匀分布，便于检修、清理。,六 燃烧产物烟道气的流量,mg = ( L + 1 + 0.5 ) B = B ( 1.5 + L0),例74,已知条件如下：,原料：常压渣油；相对密度： = 0.9089；处理量：m = 132000kg/h；入炉温度：1 = 61
11、0K；出炉温度：2 = 678K；出炉压强：p2 = 40kPa；气化率：e = 24% (质量)；燃料油组成：C = 88%，H = 12% 。,为设计一个减压圆筒炉进行燃料燃烧计算。,热负荷 实际空气用量 热效率 （正平衡？反平衡？） 燃料用量 火嘴个数 烟道气流量,为设计一个减压圆筒炉进行燃料燃烧计算：,理论空气用量,过剩空气系数（设定）,解：,（1）加热炉的总热负荷：Q = meIV + ( 1 e )IL - Ii,由1 = 610K，查热焓图得： Ii = 854kJ/kg 由2 = 678K，查热焓图得： IV = 1247.7kJ/kg，IL = 1076kJ/kg,Q = 1
12、320000.241247.4 + ( 1 0.24 )1076 - 854= 3.47107(kJ/h) = 9.65 MW,（2）燃料的低发热值：,Q1 = 81C + 246H +26( S O ) 6W4.187= 8188 + 246124.187 = 42.205 (MJ/kg燃料),（3）理论空气量及实际空气量：,L0 = 0.116C + 0.348H + 0.0435( S O )= 0.11688 + 0.34812 = 14.4 (kg/kg燃料),（3）理论空气量及实际空气量：,对圆筒炉，过剩空气系数可取 = 1.3L =L0 = 1.314.4 = 18.7 kg/k
13、g燃料,（4）热效率：,取炉墙散热损失：,设离开对流室的烟气温度比原料入炉温度高100K， 则 T2 = 610 + 100 = 710(K),由，T2，查图728得烟气出对流室时带走的热量为：, = 1 ( 0.21 0.05 ) = 74%,（7）烟道气流量：mg = B( 1.5 + L0 ) = 1111( 1.5 + 1.314.4 ) = 22464 (kg/h),（5）燃料用量：,(kg/h),（6）火嘴个数：m1 = 60300kg/h,气体燃料燃烧和液体燃料燃烧,气体燃料燃烧：气体燃料与空气的混合 液体燃料燃烧：液体燃料的雾化,以下皆为补充内容：,实际液体燃料的燃烧过程燃油槽
14、车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 供油系统 燃烧装置,1、供油系统 2、供气系统 3、燃烧系统,燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合过程。,液体燃料燃烧形式分类 根据液体燃料蒸发与汽化的特点分为： 1.液面燃烧 2.灯芯燃烧 3.蒸发燃烧 4.雾化燃烧,液体燃料容器,热源或火源,液体表面,辐射和对流,受热蒸发,液面上方的燃料蒸汽增加,可燃混合气,一定浓度,周
15、围空气,燃烧,着火温度,受热,液面燃烧 1.燃烧过程：液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。,2.特点:燃烧状况不好，将导致燃料严重热分解,重质燃料,未燃烧,污染、冒黑烟,火灾,油罐火灾、海面浮油火灾等,工程燃烧中不宜采用该燃烧方式,灯芯燃烧,灯芯,吸附,燃油,灯芯表面,燃烧,燃烧功率小、适用于家庭、小规模燃烧器（煤油灯、煤油炉）,容器,蒸汽,蒸发燃烧,1.类似于气体燃料燃烧 ：燃料蒸发象气体燃料燃烧 2.过程,液体燃料,管道,蒸汽,气体,燃烧,高温烟气,管道,3.适用燃料：粘度不太大沸点不太高轻质液体燃料在工程中有一定应用,蒸发,放热,加热,34,雾化燃烧,1.过程：,雾化器,破碎,小液
16、滴,悬浮,边蒸发边燃烧,液体,燃烧速度加快,2.关键问题：雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 （2）易蒸发的液体汽化器,汽油,不易蒸发的液体喷嘴雾化,柴油,燃料的蒸发表面积增加 上千倍,燃油和空气分别进入燃烧室（类似扩散燃烧），边混合边燃烧,喷嘴雾化,难蒸发液体燃料的物理性能差别很大。 例如轻柴油、煤油的粘度不太大，较易雾化，雾化装置简单。属优质燃料，移动式发动机(例如柴油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的残余物，粘度大、杂质多，常温为固态，先预热，雾化难，,燃油雾化现象,燃油雾化现象,燃油雾化过程,雾化过程： （1）液体从喷嘴流出形成薄膜或股流 （2）由于液体紊流、空
17、气对液体薄膜的作用，液体表面发生弯曲波动 （扰动、空气外力） （3）在空气压力作用下，产生薄膜 （下游越薄） （4）由于表面张力作用，薄膜分裂成颗粒、小液滴 （5）颗粒继续破裂 （6）颗粒互相碰撞可能聚合,燃油雾化过程,油珠破碎过程,气动力,表面张力,雾化质量,（1）雾化良好,越细,油滴越多,总面积越大,（2）雾化质量差：不利于燃烧,点火困难浓度场不均不稳定燃烧雾化质量差无法正常燃烧 （3）雾化不是越细越好：穿透力小油雾密集在喷嘴附近局部富油浓度场不均雾化消耗能量大不经济 （4）理想的雾化质量油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度场,有利于气相燃烧,蒸发越快,燃油烧嘴,1
18、、对燃油烧嘴的基本要求： 具有一定的燃烧能力； 能保证雾化质量，为空气和油雾的混合提供良好条件； 燃烧稳定、火力可调； 设计合理、使用方便、工作可靠、检修容易。,2、燃油烧嘴的基本分类,油火嘴主要根据燃料油雾化方式分类。 * 雾化剂（空气或蒸汽）雾化：蒸汽来源方便，雾化效果好，火焰形状稳定，但蒸汽耗量大。 * 机械雾化：燃料在较高压力下通过喷嘴，以很高的速度经小孔喷出而雾化。 * 联合雾化：上述两种雾化方法联合使用。,蒸汽雾化、机械雾化、联合雾化,2 油火嘴,蒸汽雾化：雾化效果好，火焰刚直有力，生产能力大，加热负荷调节范围广；缺点：蒸汽消耗量大，蒸汽不能回收，加重了供水系统的负担，在雾化过程中
19、，伴有强烈的噪声 机械雾化：不需要雾化剂，成本低，噪声小 缺点：但部件结构复杂，雾化效果差,气体介质雾化式高压油烧嘴,用高压气体介质作雾化剂。,压缩空气或蒸气 氧气 天然气,成本低 对金属损害不大,图中表示的是一种结构最为简单的高压油烧嘴。雾化剂与油流股成25交角以强化雾化效果，雾化剂喷出的速度低于临界状态下的音速。,烧嘴形成的火焰 外形细而长,小嘴：火焰长2-4米；燃烧能力7-10kg/h 大嘴：火焰长7米；燃烧能力350-400kg/h,上图是采用拉瓦尔管制成的油烧嘴。 一次雾化：雾化剂经一段扩张管后和重油相遇； 二次雾化：二次雾化剂与一次混合后的燃料进一步混合。 优点：油粒在气流断面上分
20、布更加均匀；速度分布也更加均匀。,靠重油在本身压力能的作用下由烧嘴喷出而雾化。,此时，不需要雾化剂。燃烧所需的全部空气由鼓风机另行供给。,简单型油压烧嘴的油量调节是调节供油管道上的阀门。油压降低会直接导致雾化质量下降，使得该种烧嘴的调节倍数小，只适合热负荷变化不大的炉子。,内回油型油压烧嘴：在供油压力不变的情况下，可以改变回油量的办法来调节烧嘴能力。,油压式烧嘴,气体燃料的燃烧特点,气体燃料的燃烧过程（1）燃气与空气的流入、混合（2）混合气的加热与着火 （3）完成燃烧化学反应，燃烧热加热新鲜混合气，维持不断燃烧。,气体燃料的燃烧特点,燃气燃烧方法分类（1）有焰燃烧（扩散燃烧）：燃气、空气分别喷
21、入，混合速度控制；火焰长，稳定性好；燃烧时间长；燃气与空气可分别预热以提高温度。 （2）无焰燃烧（预混燃烧，动力燃烧）： 燃烧速度快，火焰短；燃烧温度高，空间热强度较大；但空气与燃气温度不能预热过高。 （3）半预混燃烧（大气式燃烧器）：介于两者之间的中间燃烧。,无焰燃烧,脱火、回火,预混燃烧器工作时，不允许发生脱火和回火。脱火：造成可燃气体在燃烧室及其周围环境中的积累，一旦遇到明火时会使大量燃气迅速着火，从而造成大规模的爆燃：燃气的毒性影响人员安全。回火：容易引起燃烧器乃至储存燃气的容器发生爆炸,预混火焰的稳定条件 （1）火焰的绝对速度 气流速度与火焰传播速度的之差值,火焰面将向混合气来流方向
22、传播,：火焰面将被气体吹向下游,：火焰面在一定位置稳定,利用此可进行火焰稳定,无焰燃烧,（2）火焰在喷口处的稳定条件,u变化， SL不变，则可改变cos， 保持 ucosSL,据火焰稳定条件得：ucosSL,u增， 增， 则可 保持 ucosSL, 90时 ，u增， 则可 USL 脱火（吹脱）火焰吹离喷口,u减， 减， 则可 保持 ucosSL, 0时 ，u减， 则可 USL 回火火焰窜入燃烧器喷口内,按燃烧所用空气的供给方式可分为引射式：空气靠瓦斯本身吸入。混合式：空气靠鼓风机供给。,预混式 结构复杂，对燃料要求高，易发生回火。 外混式 瓦斯-空气未经预先混合，而是由燃烧器的不同通道分别进入
23、炉内，然后借助扩散作用使两者在炉中边混合、边燃烧(即扩散燃烧)。 半预混式 一部分空气靠引射器吸入预先混合（一次空气），其余部分则靠外部大气供给，与燃料边烧边混合（二次空气）。,气体火嘴,混合的先后可分为 按燃料气和空气,1 气体火嘴,预混式,外混式,半预混式,三、预混气体燃烧器的构成,1、预混燃烧器： 混合室混合 烧头组织燃烧 强制送风预混燃烧器：需风机系统,大气式引射燃烧器,1.燃气喷嘴 2.风门 3.空气吸入口 4.混合管 5.扩压管 6.喷头 7.燃烧坑道,1)燃气喷嘴 常做成收缩形，以增大燃气的喷射速度，将燃气的压力能尽量多地转变为动能，提高引射一次空气的能力。 2)吸气收缩段其作用
24、是减小空气进入时的阻力损失，一般做成流线型或锥型 3)混合段 促使燃气与空气充分混合。 4)扩压段 其主要作用是使部分动压转变为静压，以提高气体由烧头喷出的工作压力，同时促使空气与燃料进一步混合。,各种气体火嘴的性能比较：,气体燃料的扩散燃烧（有焰燃烧）,扩散燃烧：燃料和氧化剂相互扩散边混和边进行氧化反应叫扩散燃烧。层流扩散火焰 分4 区： 1. 纯燃气区 2.燃气+燃烧产物区 3. 空气+燃烧产物区 4. 纯空气区,紊流扩散火焰,（1）层流区 火焰外形轮廓规整，u L （2）过度区 火焰顶部颤动，上部紊流火焰， L 略减短 （3）紊流区 紊流火焰，L 基本不变 （流量增加，使火焰变长；混合速
25、度加快，使火焰变短）紊流火焰没有明显的 燃烧前沿面。,影响紊流火焰长度的因素 （1）燃料种类：热值高，火焰长 （2）烧嘴直径：直径大，火焰长 （3）有旋流时， 混合加强，火焰变短，燃烧效率越高,常见燃气扩散燃烧器,(冲焰式扩散燃烧器 图4-3-6为冲焰式扩散燃烧器示意图。 采用两个相同大小的扩散火焰相撞的方法来加强气流扰动以增进燃气与空气的混合。 两火焰的撞击角一般为5070，两个火孔的中心距离不宜过小，否则扰动效果将减弱。,一次风门，二次风门,半预混式气体火嘴和油火嘴的联合使用 可以同时或单独使用气体燃料和液体燃料 液体燃料时多采用二次风门调节 气体燃料时多采用一次风门调节,3 油气联合火嘴,大型燃烧器的特点, 采用了强制供风，供风不受大气变化的影响，不受烟气抽力限制，所以能量大； 空气在预燃室内呈强烈的湍流流动，与燃料充分混合后形成短焰或无焰燃烧，燃烧完全，所以效率高。,
