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1、热工过程与设备,第四章 燃料燃烧和燃烧设备燃料：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：蕴藏量大，便于开采；可燃物含量大，发热多；燃烧产物为气态物质，便于在窑炉空间运动；燃烧产物对产品、设备和周围环境无害。,热工过程与设备,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。为此，必须了解各类燃料的特性、燃烧机理和进行燃烧计算。燃料分类按形态，可分为固体燃料、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
2、。,热工过程与设备,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来表示其组成。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。,热工过程与设备,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%湿基组成中的水分通常就是该温度下的饱和
3、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。,热工过程与设备,气体燃料的干基组成基本稳定，但湿基组成是实际组成，燃烧计算时应以湿基组成为依据。气体燃料(煤气)干、湿基组成间的换算。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%，其中某一组份(如CO)：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。,热工过程与设备,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，
4、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)/100COd%求得气体燃料的湿基组成。式中COd%为煤气干基组成中CO的含量。,热工过程与设备,例题1已知发生炉煤气的干基组成如下：气体成份 COd H2d CH4d O2d N2d CO2d(体积%)29.8 15.4 3.7 0.2 43.2 7.7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/(10
5、0+0.124G)100%=0.12427.60/(100+0.12427.60)100%=3.31%,热工过程与设备,据：COw%=(100-H2Ow)/100COd%可计算得该煤气的湿基组成。如某一组分CO：COw%=29.8%0.967=28.82%其它组分的湿基组成，经计算得：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。,热工过程与设备,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
6、示其组成，即所谓元素组成法：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)和硫(S)。此外，通常还含有一定数量的水分(W)和灰分(A)。显然，这类燃料的组成与选用的基准有关，常用用以下4种方法来表示固体(或液体)燃料的组成。,热工过程与设备,(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。,热工过程与设备,(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
7、)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。,热工过程与设备,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。,热工过程与设备,由于没有考虑受外界影
8、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%80.67 4.85 13.10 0.80 0.58 10.92 3.20试将其统一成以应用基表示的燃料组成。,热工过程与设备,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。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=0.9
9、68故以应用基表示的灰分组成为：Ay%=Ag%0.968=10.57%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,热工过程与设备,由此，以应用基表示的各组分组成为：Cy%=Cr%0.86=80.670.86=69.38%Hy%=Hr%0.86=4.850.86=4.17%Oy%=Or%0.86=13.100.86=11.27%Ny%=Nr%0.86=0.800.86=0.69%Sy%=Sr%0.86=0.580.86=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%6
10、9.38 4.17 11.27 0.69 0.50 10.57 3.20作业：P241第12题第一问。,热工过程与设备,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煤质分析。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FC)。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：100150：自由水分蒸发，得到W(水分)。,热工过程与设备,200450：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)
11、。850：气体逸出基本停止。10001100：气体逸出完全停止，残留焦炭块，得FC(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，能够烧掉的部分是FC(固定碳)。,热工过程与设备,煤的工业分析，以应用基表示组成时：FCy%+Ay%+Vy%+Wy%=100%以分析基表示组成时：FCf%+Af%+Vf%+Wf%=100%以干燥基表示组成时：FCg%+Ag%+Vg%=100%以可燃基表示组成时：FCr%+Vr%=100%。,热工过程与设备,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
12、应的物质起始温度(20)时所放出的热量，以Q表示，单位为Kj/Kg或Kj/mn3。由于燃料燃烧后，燃烧产物中的水的状态不同，放出的热量稍有差异，故热值分高位热值(QGW)和低位热值(QDW)。高位热值指燃烧产物-水为0的液态水，低位热值指水为20的水蒸汽。,热工过程与设备,对于液固燃料，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。高位热值与低位热值之差，即0的液态水与20的水汽的热焓，约为2500Kj/Kg水。对于固/液燃料，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 Qg
13、DW=225Hg可燃基：QrGW QrDW=225Hr,热工过程与设备,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。,热工过程与设备,2.热值的计算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
14、在标准状态下的高位或低位热值，见.表4-4.jpg。,热工过程与设备,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(4-1618)进行计算，也可根据工业分析结果，按经验式(4-1920)计算出烟煤和无烟煤的低位热值。对于液体燃料(重油)，还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例：QyDW=339Cy+1030Hy-109(Oy-Sy)-25Wy,热工过程与设备,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，提出标准燃料的概念：规定应用基低位热值为29300 Kj/Kg(或7000Kcal/Kg)的燃料
15、为标准燃料。某种燃料的热值与该值的比值称为该燃料的热当量。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1 Kg重油相当于1.4 kg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。,热工过程与设备,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。如大量使用液化气，需预热或气化操作。,热工过程
16、与设备,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。,热工过程与设备,(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
17、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。,热工过程与设备,重油的组成主要是碳氢化合物(烯烃)，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。,热工过程与设备,重油的粘度重油是液体燃料，为便于重油的装卸和燃烧时的雾化，其粘度数值相当重要。常用恩氏(E)粘度来表示：在测定温度下(50)重油从恩
18、格勒粘度计中流出200ml的时间(秒s)与200ml 20蒸溜水流出时间之比。重油的粘度与温度关系较大，温度升高时重油的粘度会降低，见.图4-1.jpg。按恩氏粘度，将重油分为20#、60#、100#和200#四个牌号。,热工过程与设备,重油的闪点、燃点和凝固点重油加热时，表面将产生蒸汽，温度越高产生的蒸汽浓度越大，至某一温度，重油的蒸汽浓度达一定值时，接触到明火即在油表面发生闪火现象。发生闪火时的油温称为重油的闪点。闪点分开口闪点和闭口闪点，闭口闪点低于开口闪点。重油的开口闪点约80130。闪火是瞬间现象，由于油蒸汽供应不足，故重油不能持续燃烧，如将重油的温度继续提高，使闪火后能持续5秒以上
19、的燃烧时间，此时油温称燃点。,热工过程与设备,重油开始失去流动性而凝固的温度叫凝固点，约1125。重油输送中，必须保持油温高于其凝固点，否则将堵塞管路。重油的密度和比热重油的密度，按下式计算：t=20/1+(t-20)重油的比热，按下式计算：Ct=1.74+0.0025 t,热工过程与设备,3.固体燃料(块煤、煤粉和焦炭)煤的组成元素煤的元素组成是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)和硫(S)，以及水分(W)和灰分(A)。碳(C)：是煤的最基本的组成元素，也是热量的主要来源。煤中的碳量越高，其热值越大。氢(H)：煤中的氢有二种存在形式。a.碳氢化合物中的氢叫可燃氢，燃烧时热值高；b.与氧结合
20、的氢，叫化合氢，不参与燃烧反应，且会降低燃料的热值。,热工过程与设备,硫(S)：煤中的硫有三种存在形式。a.有机硫；b.黄铁矿硫。这二种硫又称可燃硫，参与煤的燃烧反应生成二(三)氧化硫，遇水汽形成酸雾，腐蚀金属设备，且对大气造成污染，影响人们的身体健康及植物的生长。因此对可燃硫的含量应加以限制。c.硫酸盐硫(化合硫)化合硫在高温下将部分分解生成三氧化硫造成污染，其余留在灰分中。,热工过程与设备,灰分(A)：指煤中不能燃烧的物质，主要是各种氧化物，如氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁以及氧化钠和氧化钾(以硫酸盐形式存在)。灰分的组成影响其结渣性，当含有较多的氧化硅和氧化铝时，灰分熔点较高不易
21、结渣；当含较多的氧化铁、氧化钠、氧化钾，灰分熔点低容易结渣。结渣使燃烧操作困难，燃烧不稳定，且渣中常含未燃烧完的燃料而造成浪费。煤中水分(W)、氧(O)和氮(N)，会降低燃料热值，增大烟气量，造成热量损失，其含量越少越好。,热工过程与设备,固体燃料(煤)的分类天然固体燃料(煤)按形成年代可分为：a.泥煤：植物刚转化而成，年代最短，最年轻的煤。灰分少、挥发分高、水分高，强度低，热值低。b.褐煤：泥煤经进一步的地质和生物与化学变化，逐步放出水分和挥发分，固定碳增多，强度与热值有所增大。以上二种煤都因强度较低，不宜长途运输，一般仅作为地方性燃料使用。,热工过程与设备,c.烟煤：褐煤经进一步变化，放出
22、水分和挥发分，固定碳增加，热值提高，强度增大，便成烟煤。烟煤既是冶金、动力工业不可或缺的燃料，还是近代化学工业(煤化工)重要的原料。为了合理利用烟煤，按其挥发分和固定碳含量，又分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤等。d.无烟煤：烟煤进一步变化，挥发分和水分进一步减少，便成了挥发分最少的煤(无烟煤)，它是炭化程度最高的煤，含碳量高，挥发分少，热值高，强度大，组织细致坚硬，可长途运输和长期贮存。,热工过程与设备,各种煤的热工特性见.表4-10.jpg。人造的固体燃料是焦炭和煤粉(煤粒)。焦炭：将煤在炼焦炉(焦化炉)内经高温干馏，使煤中的挥发分、水分和焦油等挥发出去便得焦炭。焦炭挥发分少，固定碳高，热值大，
23、机械强度大，坚硬耐磨，是重要的工业燃料和冶金原料。煤粉(粒)是块煤经粉碎加工后的产品。焦炭、煤粉(粒)广泛用于冶金、建材(水泥厂)、化工等行业和火力发电厂。劣质煤：QyDW3000Kcal/Kg，石煤，或煤矸石。,热工过程与设备,第二节 燃烧计算燃烧计算的内容包括一定量的燃料完全燃烧所需的空气量(理论空气量和实际空气量)，完全燃烧生成的烟气量(理论烟气量和实际烟气量)，烟气的组成和密度以及燃烧温度。燃烧计算方法有两种：(1)根据燃料的成分分析结果通过化学反应方程式的计量关系进行定量计算(分析计算法)；(2)当燃料的组成未知时，可根据燃料的种类及发热量进行近似计算(近似计算法)。,热工过程与设备
24、,在进行燃烧计算之前，先做几点假设：气体所处的状态是标态(0，101325Pa)；所涉及的气体均为理想气体，即1Kmol的气体的体积为22.4Nm3(mn)；温度的基准取0；不考虑空气中的水蒸汽等，空气由21%氧气和79%氮气组成，氮气氧气=7921=3.7621，或空气氧气=4.7621。燃烧反应是完全燃烧下进行。,热工过程与设备,气体燃料组成的表示方式与固/液燃料完全不同，故分别进行介绍。一、气体燃料的燃烧计算(以1mn3为单位)1.气体燃料完全燃烧所需的空气量气体燃料完全燃烧所需空气量为各可燃气体组分燃烧时的空气量之和。气体燃料中可燃组分有CO、H2、CH4、CnHm和H2S，不可燃组分
25、有CO2、H2O、N2和O2，各组分的燃烧反应，见.表4-11.jpg。,热工过程与设备,根据表4-11，1mn3气体燃料完全燃烧所需氧气的体积(mn3)为：1/2CO+1/2H2+2CH4+(n+m/4)CnHm+3/2H2S-O2/100由于空气中氧气的体积只占21%，所需空气的体积是所需氧气体积的4.762倍，故1mn3煤气完全燃烧所需空气的体积(mn3)，即理论空气量L0为：L0=4.7621/2CO+1/2H2+2CH4+(n+m/4)CnHm+3/2H2S-O2/100实际燃烧过程，若仅提供理论空气量，当空气与煤气的混合达不到理想状态时，会造成不完全燃烧。,热工过程与设备,为了保证
26、燃料完全燃烧，实际供给的空气量量La一般大于理论计算值L0，二者之比称空气过剩系数，用来表示，即：=La/L0，或La=L0空气过剩系数与燃料的种类、燃烧设备的构造以及制品烧成所要求的气氛有关。气体燃料=1.051.15，液体燃料=1.151.25，块煤=1.31.7，煤粉=1.11.3。,热工过程与设备,2.气体燃料完全燃烧生成的烟气量烟气由三个部分构成：燃料中可燃组分燃烧反应生成的烟气，燃料中的不可燃组分，以及燃烧所需空气带入的氮气。根据.表4-11.jpg，1mn3煤气完全燃烧生成的烟气量，即理论烟气量V0(mn3)为：V0=CO+H2+3CH4+(n+m/2)CnHm+2H2S+CO2
27、+H2O+N2/100+0.79L0考虑到过剩空气系数，实际烟气量Va为：Va=V0+(-1)L0,热工过程与设备,3.烟气的组成根据表4-11和前面的计算结果，可得烟气中各组分的体积以及烟气的总体积，而求出每个组分的体积百分含量，计算公式见P199.p199公式4-28.jpg。4.烟气密度根据烟气的组成以及各组分的密度，可计算出烟气的密度(Kg/m3)：=(44CO2+18H2O+64SO2+32O2+28N2)/(22.4100),热工过程与设备,例题6某发生炉煤气的湿基组成(w%)如下：CO H2 CH4 C2H4 CO2 O2 N2 H2O 29.0 15.0 3.0 0.6 7.5
28、 0.2 42.0 2.7设空气过剩系数=1.2，求1mn3该煤气完全燃烧所需的理论空气量，实际空气量和所生成的理论烟气量，实际烟气量以及烟气的组成与密度。解：(1)求1mn3煤气完全燃烧所需空气量据式(4-23)，完全燃烧所需理论空气量为：L0=4.7621/2CO+1/2H2+2CH4+3C2H4-O2/100=4.762(29/2+15/2+23+30.6-0.2)/100=1.41(mn3/mn3煤气),热工过程与设备,实际空气量：La=L0=1.21.41=1.69(2)求1mn3煤气完全燃烧生成的烟气量据式(4-26)，完全燃烧生成的理论烟气量为：V0=CO+H2+3CH4+4C2
29、H4+CO2+H2O+N2/100+0.79L0=(29+15+33+40.6+7.5+2.7+42)/100+0.791.41=2.19(m3/m3)实际烟气量，据式(4-27)，得：Va=V0+(-1)L0=2.19+(1.2-1)1.41=2.47(mn3/mn3煤气),热工过程与设备,(3)计算烟气的组成据式(4-28)，计算得烟气组成(%)为：CO2=16.48，H2O=10.08，N2=71.46，O2=2.40(4)计算烟气的密度据式(4-29)，得烟气的密度为：=(44CO2+18H2O+32O2+28N2)/(22.4100)=(4416.48+1810.08+322.40+
30、2871.06)/(22.4100)=1.33(kg/m3)作业：P241第10题。,热工过程与设备,二、液固燃料的燃烧计算(1Kg为单位)液固燃料的组成都可用元素分析法来表示，因而它们的燃烧计算公式相同。1.液/固燃料完全燃烧所需的空气量以燃料的元素分析结果为依据，取应用基表示的燃料100Kg，各组分的Kmol数为：Cy/12，Hy/2，Oy/32，Ny/28，Sy/32，Wy/18因燃料中的灰分不参与燃烧反应，也不会生成气态物质，故在燃烧计算中不必考虑。,热工过程与设备,根据燃烧反应方程式计算各可燃组分完全燃烧所需氧气量，再换算成所需的空气量。表.表4-12.jpg为固体燃料各可燃组分的燃
31、烧反应以及完全燃烧时所需氧气量和生成烟气量。据表4-12，100Kg燃料完全燃烧所需的氧气量为：Cy/12+Hy/4+Sy/32-Oy/32，所需氧气的体积为：(Cy/12+Hy/4+Sy/32-Oy/32)22.4(Nm3)由此1Kg燃料完全燃烧所需的理论空气量L0为：L0=4.762(Cy/12+Hy/4+Sy/32-y/32)22.4/100,热工过程与设备,化简后：L0=0.0889Cy+0.2666Hy+0.0333Sy-0.0333Oy(Nm3/Kg)1Kg 燃料完全燃烧所需的实际空气量为：La=L02.液固燃料完全燃烧生成的烟气量液固燃料完全燃烧生成的烟气量包括：燃料中的可燃组分
32、燃烧后生成的烟气；燃料中的水分和氮 形成的烟气；燃料燃烧所需空气带入的氮气(0.79 L0)。,热工过程与设备,据表4-12，可得1Kg固体燃料完全燃烧所生成的理论烟气量V0为：V0=VCO2+VH2O+VSO2+VN2=(Cy/12+Hy/2+Sy/32+Ny/28+Wy/18)22.4/100+0.79L0=0.0899Cy+0.3226Hy+0.0124Wy+0.0333Sy+0.008Ny-0.0263Oy(Nm3/Kg)1Kg液固燃料完全燃烧所生成的实际烟气量为：Va=V0+(-1)L0为空气过剩系数。,热工过程与设备,3.烟气组成计算公式，见P202.p202公式4-31.jpg。
33、4.烟气密度与气体燃料相同，即：=(44CO2+18H2O+64SO2+32O2+28N2)/(22.4100),热工过程与设备,例题7某烟煤的应用基元素组成(y%)如下：C H O N S W A 69.54 4.18 11.29 0.69 0.50 3.20 10.59设空气过剩系数为1.3，计算1Kg该烟煤完全燃烧所需空气量，生成烟气量和烟气的组成与密度。解：1Kg该烟煤完全燃烧所需空气量据式(4-30)，1Kg烟煤完全燃烧所需的理论空气量为：L0=0.0889Cy+0.2666Hy+0.0333Sy-0.0333Oy=6.94(mn3/Kg)实际供给的空气量为：La=L0=1.36.9
34、4=9.02(mn3/Kg),热工过程与设备,1Kg该烟煤完全燃烧生成的烟气量据式(4-31)，可计算出烟气中各组分的体积：VCO2=Cy/1222.4/100=1.30(mn3/Kg)VH2O=(Hy/2+Wy/18)22.4/100=0.51(mn3/Kg)VSO2=Sy/3222.4/100=0.004(mn3/kg)VN2=Ny/2822.4/100+0.79La=7.13(mn3/kg)VO2=0.21(-1)L0=0.44(mn3/kg)故实际的烟气总量为：Va=VCO2+VH2O+VSO2+VN2+VO2=1.30+0.51+0.004+7.13+0.44=9.38m3,热工过程
35、与设备,烟气组成与密度有了的计算结果，便可容易地计算出烟气中各组分的体积百分含量，结果为：CO2=13.86%，H2O=5.44%，SO2=0.04%，N2=76.01%，O2=4.69%。由此可计算出烟气的密度为：=(44CO2+18H2O+32O2+28N2+64SO2)/(22.4100)=(4413.86+185.44+324.69+2876.01+640.04)/(22.4100)=1.334(kg/m3)作业：P242第13题。,热工过程与设备,三、燃烧温度的概念及其计算1.燃烧温度的概念气态燃烧产物(烟气)所能达到的温度，包括实际燃烧温度、理论燃烧温度和量热计温度。燃烧温度的高低
36、取决于烟气的热含、烟气量以及燃烧体系的散热情况等。为便于计算，取燃料的数量为1Kg(液固燃料)或1mn3(气体燃料)，燃料所处的温度为0。根据燃烧过程热平衡计算燃烧温度。,热工过程与设备,(1)实际燃烧温度，tp在实际的燃烧条件中，燃料燃烧达到稳定状态(热平衡)时的温度。对于实际的燃烧过程，热量收入有三项：QyDW：燃料燃烧的化学热(低位热值)；Qf：燃料带入的物理热(显热)；Qa：助燃空气带入的物理热(显热)。热量支出有五项，即：Qp：燃烧产物所具有的热量，Qp=Va Cp tp；Qc：由于化学不完全燃烧造成的热损失；,热工过程与设备,Qm：由于机械不完全燃烧造成的热损失；Ql：燃烧产物(烟
37、气)向周围空间散失热量；Qd：燃烧产物在高温下热分解消耗的热量。当燃烧过程处于热平衡时(稳定燃烧)，有：总热量收入=总热量支出即：QyDW+Qf+Qa=Qp+Qc+Qm+Ql+Qd=Va Cp tp+Qc+Qm+Ql+Qd由此，有：tp=(QyDW+Qf+Qa)-(Qc+Qm+Ql+Qd)/(Va Cp),热工过程与设备,实际燃烧情况十分复杂，Qc、Qm、Ql和Qd都难以准确测定，故实际燃烧温度很难在理论上求得。(2)理论燃烧温度，tth若燃烧过程是在绝热条件下进行，则Ql=0，又假设燃烧过程是完全燃烧，则Qc和Qm都等于0，此时燃烧产物所能达到的温度叫理论燃烧温度，即：tth=(QyDW+Q
38、f+Qa)-Qd/(Va Cp)故理论燃烧温度是烟气所能达到的极限温度。在一般的热工计算中，可以不考虑Qd，计算结果也足够精确，此时 tth=(QyDW+Qf+Qa)/(Va Cp),热工过程与设备,(3)量热计温度，tc不考虑在高温下的热分解吸热，燃烧产物(烟气)所能达到的温度称之为量热计温度，tc，故量热计温度即理论燃烧温度，即：tc=tth=(QyDW+Qf+Qa)/(Va Cp)(4-38)在热工窑炉设计计算中，先算出量热计温度，再据不同窑炉的高温系数(经验值)求实际燃烧温度：=tp/tth 或：tp=tth工业窑炉的高温系数，见.表4-13.doc。,热工过程与设备,2.燃烧温度的计
39、算据式(4-38)：tth=(QyDW+Qf+Qa)/(VaCp)令QyDW+Qf+Qa=Q(热量的总收入)，则：tth=Q/(Va Cp)又令i=Q/Va(单位体积烟气的热量)，则：tth=i/Cp，或i=tth Cp由于Cp是温度的函数(见附录2和3)，而温度tth是要求的项，故计算时先设定两个温度 t和 t”(一般相差100)，查附录3，得烟气各组分的Cp值以及,热工过程与设备,tCp值(即i和i”)，利用比例法.图4-2.jpg，求理论 燃烧温度tth，再利用tp=tth求实际燃烧温度。下面介绍比例法(求燃烧温度)。利用ABC ADE，有：BC/DE=AC/AE即：(i”-i)/(i-
40、i)=(t”-t)/(t-t)由此，理论燃烧温度t为：t=t+(t”-t)(i-i)/(i”-i),热工过程与设备,例题10隧道窑使用的发生炉煤气，其湿基组成w%如下(例题6的数据)：CO H2 CH4 C2H4 CO2 O2 N2 H2O 29.0 15.0 3.0 0.6 7.5 0.2 42.0 2.7求：(1)煤气和空气均不预热时的实际燃烧温度？(2)煤气不预热，一次空气(占空气用量70%)预热到200，二次空气预热到1000的实际燃烧温度？解：先根据煤气的组成(湿基)计算出该发生炉煤气的热值，得：QwDW=6726.5kj/m3。,热工过程与设备,(1)煤气和空气均不预热时。由于煤气
41、与空气均不预热，故Qf=Qa=0，那么：i=(QyDW+Qf+Qa)/Va=QyDW/Va即：i=6726.5/2.47=2723.28(2.47为实际烟气量，见例题6的计算结果)假设烟气的综合比热为：Cp1.65(见附录3)，根据：i=tth Cp或tth=i/Cp，则理论燃烧温度tth约：2723.28/1.65 1650(Cp=1.63/1670，1.64/1660),热工过程与设备,故设t=1600，t”=1700，查附录3得各烟气组分的比热分别为：温度()CCO2 CH2O CN2 CO2 1600 2.3848 1.8619 1.4553 1.5399 1700 2.4041 1.
42、8841 1.4624 1.5483根据烟气的组成，计算出烟气的热含量(详细的计算过程见P208)为：i1600=2642.86，i1700=2826.17利用比例法公式(4-40)，计算得：tth=1644,热工过程与设备,取隧道窑的高温系数=0.8(表4-13.doc)，则此时的实际燃烧温度为：16440.8=1315(2)煤气不预热，一次空气(占空气用量70%)预热到200，二次空气预热到1000。一次空气带入的物理热为：Qa1=0.7La Ca1 t1=0.71.691.3096200=309.85二次空气带入的物理热为：Qa2=0.3La Ca2 t2=0.31.691.411810
43、00=715.78,热工过程与设备,故：Q=QyDW+Qa1+Qa2=6726.50+309.85+715.78=7752.13又：i=(QyDW+Qa1+Qa2)/Va，故：i=Q/Va=7752.13/2.47=3138.51假设此时烟气的综合比热为Cp 1.67，则理论燃烧温度约为：3138.51/1.67 1879。又设t=1800，t”=1900，查附录3得此时烟气各组分的比热分别为：温度()CCO2 CH2O CN2 CO2 1800 2.4225 1.9054 1.4704 1.5558 1900 2.4392 1.9251 1.4779 1.5638,热工过程与设备,再根据烟气
44、的组成，可计算出此时烟气的热含分别为，i1800=3012.30，i1900=3199.14。利用比例法公式(4-40)，计算得此时的理论燃烧温度为：tth=1868。取隧道窑高温系数=0.8，故实际燃烧温度为：18680.8=1494从计算结果看出：将空气预热到较高温度可显著提高燃烧温度(1494 1315=179)。如一次空气(占70%)和煤气也预热到较高(一般300)，则燃烧温度还可进一步提高。,热工过程与设备,3.影响燃烧温度的因素分析(1)燃料的热值(产热度)燃料的热值高，燃烧温度高，但二者之间没有直线关系，还与燃烧产物的组成和比热有关，用产热度来表示更合适。例如天然气，主要成分为甲
45、烷，热值很高，但燃烧产物量(烟气量)也大，故其燃烧温度也不是很高，见.表4-4.jpg。所谓产热度(tm)是指当空气过剩系数=1，空气与燃料都不预热，且不考虑各种热损失时的理论燃烧温度，即：tm=QyDW/V0,热工过程与设备,常用燃料的产热度，见下表：(2)燃料和空气的预热对燃料和空气进行预热，可显著提高燃烧温度。固体燃料预热难度大，液体和气体燃料的预热也受条件限制，故工程上大多是对空气，包括一次空气(与燃料一起进入燃烧空间的空气)和二次空气(通过另一途径进入燃烧空间的空气)进行预热。,热工过程与设备,(3)氧气的利用空气中氧气体积仅占21%，从空气中带入了大量的不可燃的氮气而生成了烟气，消
46、耗燃料燃烧放出的热量，故在助燃空气中增加氧气含量(富氧燃烧甚至全氧燃烧)，可强化燃烧过程，并降低烟气量，从而提高燃烧温度。但造氧的工艺和设备复杂，成本高。(4)减少散热损失对窑炉采用保温措施，减少散热，可提高燃烧温度。这已在绝大多数工程窑炉中采用了此技术。,热工过程与设备,(5)采用低的过剩空气系数并组织好燃烧过程要使燃料完全燃烧，避免化学不完全燃烧，供给的空气量要多于理论空气量，但过大的过剩空气系数会增加燃烧产物量而降低燃烧温度。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下宜采用较低空气过剩系数。当采用较低的空气过剩系数燃烧时，对燃烧过程的组织有较高的要求，即要求燃料与空气混合更均匀，否则又将造成化学不
47、完全燃烧而降低燃烧温度。机械不完全燃烧大多属于管理问题。,热工过程与设备,四、燃料燃烧的近似计算法前面所讲的燃烧计算是在燃料的组成已知的情况下进行的定量计算(分析计算法)，当燃料的化学组成无法得知时，可根据燃料种类及低位热值，利用.表4-14.jpg经验公式进行理论空气量和理论烟气量的近似计算。作业：P241第11题和第15题。,热工过程与设备,第三节 燃烧过程简介燃烧过程即燃料中的可燃组份与空气中的氧气发生剧烈氧化反应放出大量热量的过程。燃料的种类虽然很多，但从燃烧角度看，不同燃料都是由可燃气体和固定碳构成。燃料要燃烧除了燃料与空气接触外，燃烧体系还需达到最低温度，即着火温度。,热工过程与设
48、备,着火温度着火是燃烧的准备阶段，在该阶段燃料进行着缓慢的氧化，放出热量，一部分散失到周围空间，另一部分提高本身温度，使氧化过程增强，放出更多的热量，这样逐步地使过程强化，最后放出的热量与散失的热量处于热平衡，此时的温度称着火温度。着火温度是燃料稳定燃烧的最低温度。着火温度不是一个常数，而是一个较宽的温度范围，与燃料的组成与散热条件等因素有关，见.表4-15.jpg。,热工过程与设备,火焰传播速度工艺点火(非自然着火)，可燃气体靠明火或燃烧室的炽热墙壁的辐射热点燃，即热源在某处点火，燃烧火焰向其它方向传播，从而使整个体系着火。前焰面(火焰前缘)推进的速度称火焰传播速度。注意：火焰传播速度与气流
49、的喷出速度是两个完全不同的概念！但在燃烧操作时，它们之间有一定的关系。,热工过程与设备,影响火焰传播速度的因素：可燃气体的热值(热值越高，火焰传播速度越快)；可燃气体的导热系数(导热系数越大，火焰传播速度越快)；燃烧体系(可燃气体与空气的混合物)的温度(温度越高，火焰传播速度越快)；燃烧体系中可燃气体的浓度。,热工过程与设备,着火浓度范围可燃气体混合物中，可燃气体的浓度只在某一范围内火焰才能稳定传播，超出这一范围，燃烧只限于在点火源附近而不能传播，即存在火焰传播的可燃气体浓度的上、下限，见.图4-5.jpg。如果可燃物的浓度超出了上限，即可燃物浓度太高而氧气不足，可燃物不能充分燃烧，放热少，火
50、焰不能传播；如果可燃物的浓度低于下限，即可燃物浓度太低，同样燃烧放出的热量不足以将邻近的薄层加热到着火温度，火焰也不能传播。,热工过程与设备,只有可燃气体的浓度处于火焰传播的浓度范围内，此时与明火接触，一处着火，火焰便可稳定地传播，并形成稳定燃烧。某些可燃气体着火浓度范围见.表4-16.jpg。(注意有些可燃气体的着火浓度范围很窄！),热工过程与设备,固定碳的燃烧机理碳的燃烧属于气-固两相体系，燃烧速度和化学反应速度与氧气的物理扩散速度有关，并取决于其中最慢过程的速度。在低温阶段(低于800)，化学反应速度比氧气的物理扩散速度要慢，此时碳的燃烧处于化学动力控制区，简称“动力区”；高温阶段(高于
