《无机材料热工基础》课件第三章 燃料及其燃烧

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,*,单击此处编辑母版标题样式,第三章 燃料及其燃烧,目录,3.1,燃料的种类和特性,3.2,燃烧计算,3.3,燃料燃烧过程的基本原理,3.4,燃烧方法与燃烧装置,引言,热量,化学能,热能,由燃料燃烧产生,电能,热能,以电为热源,资源丰富，价格低廉,热利用率高，利于提高产品质量，操作条件好，但资源有限，成本高。,3.1,燃料的种类和特性,3.1.1,燃料的种类,燃料：凡在物理、化学反应中能放出大量热量并能够有效地利用于工业和其它方面的物质。,燃料分类：,固体燃料,液体燃料,气体燃料,固体燃料,洁净煤技术：“以煤代油”“以煤造油”,固体燃料,木柴,可燃页岩,煤,泥,煤,褐,煤,烟,煤,无,烟,煤,褐煤,性质：刚开采出的褐煤的水分约为,20,40,，风干后为,12,30,，,A,d,=0.5,50,，发热量约为,1300,17000 kJ/kg,。,用途：制造煤气,烟煤,性质：挥发物,10,45,，固定碳,35,75,，灰分,7,30,； 水分,3,18,；发热量,21000,29000 k,/kg,；着火温度,400,500,。,用途：适合于水泥回转窑作燃料。,无烟煤,性质：含固定碳高，可达,90,以上；挥发分少，一般小于,10,；水分和灰分一般也较低；发热量一般为,25000,29000kJ/kg,；着火温度较高（一般为,650,700,）。,用途：适用于水泥立窑作燃料。,液体燃料,重油的使用性质：,黏度：影响重油的装卸、存贮、过滤、输送及雾化。,闪点、燃点、着火点：关系到用油的安全技术及燃烧条件。,凝固点：当油类完全失去流动性时的最高温度。,密度：重油的密度与温度有关，常随温度的增加而密度略为减小。,石油,汽油,煤油,柴油,常压渣油,减压渣油,裂化煤气,裂化汽油,裂化渣油,重油,闪点、燃点、着火点,闪点：当有火源接近时，出现蓝色闪光，此时的油温；,燃点：用火源接近油表面里蓝光闪现后能持续燃烧（不少于,5,秒）；,着火点：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，发生自燃，此时的油温。,燃油的闪点与组成有关：油的密度越小，闪点越低。,水煤浆,水煤浆由,70%,左右的煤，,29%,的水及少量化学添加剂制成，是一种浆体燃料，可以像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧的煤基液态燃料。,气体燃料,气,体,燃,料,天然气,人造煤气,石油气,焦炉煤气,高炉煤气,水煤气,发生炉煤气,城市煤气,气化过程,灰层,氧化层,还原层,干馏带,干燥带,气化剂,（空气,+,水蒸气）,将煤或焦炭等固体燃料，通过高温在气化剂的作用下，得到气体燃料的热化学过程，称为固体燃料的气化。,3.1.2,燃料的组成与换算,固体和液体燃料的组成与换算,气体燃料的组成与换算,固体和液体燃料的组成与换算,元素分析法,用元素表示燃料组成的分析方法。,C,、,H,、,O,、,N,、,S,、,A,（灰分）、,M,（水分）,C,固、液燃料的主要热能来源,煤中含量：,53,99,重油中含量：,86%,碳以有机化合物形式存在,受热分解后燃烧,自由氢（净氢）：与碳和硫的化合物,可燃并放出大量的热量,化合氢：与氧相结合成水，不能燃烧,H,固体燃料：,4,5%,液体燃料：,14%,O,、,N,氧和氮不能燃烧,降低了燃料的燃烧能力,固液体燃料中,含,1,3,或更少,煤：,4,35%,重油：,1,4%,M,水不能燃烧，且升温吸热，,降低燃料的品质。,少量水对燃料着火、燃烧、,传热等方面有益,。,S,金属硫化物,可燃,有机硫化物,可燃,无机硫酸盐,不可燃,燃烧产物对,设备及环境有害,固体燃料：,20,，,液体燃料：一般,0.3,灰分：,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Fe,2,O,3,、,CaO,、,MgO,、,K,2,O,、,Na,2,O,、,SO,3,元素分析中的,O,、,N,、,S,、,M,、,A,均为燃料的有害成分,固体和液体燃料各化学组成的质量百分含量用以下三种基准表示：,收到基,：实际使用的燃料的组成，用下角标“,ar”,表示：,C,ar,%+H,ar,%+O,ar,%+N,ar,%+S,ar,%+A,ar,%+M,ar,%=100,干燥基,：除去水分以外的燃料质量分数，角标“,ad”,表示 。,C,ad,%+H,ad,%+O,ad,%+N,ad,%+S,ad,%+A,ad,%=100,干燥无灰基：,无水无灰煤的组成，用下角标“,daf”,表示。,C,daf,%+H,daf,%+O,daf,%+N,daf,%+S,daf,%=100,已知,“,基,”,所换算的,“,基,”,收到基,干燥基,干燥,无灰基,收到基,干燥基,干燥,无灰基,1,1,1,例：已知,C,ad,、,M,ar,、,M,ad,，求,C,ar,燃料组成的换算系数,例,已知煤的干燥无灰基组成（）为：,C,d,af,H,daf,O,d,af,N,daf,S,daf,80.2 6.1 11.6 1.4 0.7,收到基时水分,M,ar,=3.5,，干燥基时灰分,A,d,=8.2,求：收到基时,C,ar,的百分含量。,解,先由,C,daf,换算成,C,d,（,%,），再由,C,d,换算成,C,ar,（,%,）,工业分析法,水分（,M,）、灰分（,A,）、挥发分（,V,）和固定碳（,FC,）,V,FC,M,A,燃料,=,+,+,+,燃料中的碳氢化合物,V,，燃料着火温度低，,燃烧速度快 ，燃烧火焰长,FC,，燃料发热量高,湿成分,（用上角标“,v”,表示）,干成分,（用上角标“,d”,表示）,不可燃成分,N,2,、,CO,2,、,SO,2,和,H,2,O,等,换,算,可燃成分,H,2,、,CO,、,CH,4,、,C,m,H,n,和,H,2,S,等,组成,CO,v,+H,2,v,+CH,4,v,+C,m,H,n,v,+H,2,S,v,+CO,2,v,+N,2,v,+O,2,v,+H,2,O,v,=100,CO,d,+H,2,d,+CH,4,d,+C,m,H,n,d,+H,2,S,d,+CO,2,d,+N,2,d,+O,2,d,=100,组成表示,气体燃料的组成与换算,3.1.3,燃料发热量,燃料的发热量（热值）：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称为，单位为,kJ/kg,（,kJ/Nm,3,）。,高位发热量,Q,gr,产物中水蒸气全部凝结为水,低位发热量,(Q,net,),产物中的水以,20,蒸气存在,Q,net,，,ar,=Q,gr,，,ar,-225 H,ar,-25 M,ar,发热量,固体、液体燃料的低位发热量，采用门捷列夫公式：,Q,net,，,ar,=339C,ar,+1030H,ar,-109,（,O,ar,-S,ar,）,-25M,ar,气体燃料的低位发热量由根据气体的组成得：,Q,net,=126CO+108H,2,+358CH,4,+590C,2,H,4,+637C,2,H,6,+806C,3,H,6,+912C,3,H,8,+1187C,4,H,10,+1460C,5,H,12,+232H,2,S,CO,为气体燃料中的可燃组分的体积分数,%,3.2,燃烧计算,计算内容,目的：为了设计窑炉的需要；为了操作窑炉的需要。,内容：,空气量的计算：鼓风机选型计算的依据,烟气量的计算：排风机选型、烟囱计算的依据,烟气成分的计算：通过空气系数判断燃烧操作情况,燃烧温度的计算：分析影响因素，改进燃烧条件，提高燃烧温度。,空气量的计算,完全燃烧与不完全燃烧,燃料中可燃成分与空气中氧起化学反应生成不再可燃的产物（,CO,2,、,H,2,O,、,SO,2,),完全燃烧,燃料中可燃成分与空气中氧化合不完全生成的产物中有可燃成分（,CO,、,H,2,),不完全燃烧,化学不完全燃烧,由于空气不足或燃料与空气,混合不好而造成部分燃料未,参加燃烧反应或燃烧不好,由于机械设备原因而使燃料,未参加燃烧反应即被排走,机械不完全燃烧,固体、液体燃料理论空气量,共需氧量：,需从空气中获得的氧,：,理论干空气量：,气体燃料理论空气量,理论需氧量：,理论空气量：,实际空气量,为了保证燃料能完全燃烧，实际供给的助燃空气大于理论空气值，实际空气量,V,a,与理论空气量,V,a0,的比值称为空气消耗系数：,火焰的气氛,CO2%,弱还原性,CO3-5%,强还原性,中性焰,1,，燃烧产物中没有过剩,空气，也没有可燃气体,氧化焰,1,，燃烧产物中有过剩空气,还原焰,1,，燃烧产物中含有,CO,、,H,2,、,CH,4,等可燃气体,从理论上讲温度最高,烟气量的计算,固体、液体燃料理论烟气量,指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气,理论烟气量：,气体燃料理论烟气量,烟气中,CO,2,含量来源于燃料中,CO,、,CH,4,、,C,m,H,n,中碳的燃烧及气体燃料原有的,CO,2,：,理论烟气量：,烟气组成与密度,a,CO2,为烟气中各成分的体积分数,烟气的密度可以用加和原理计算，得：,燃烧温度的计算,根据能量守恒规律，进入窑炉的热量必等于支出的热量。,收入,的热量：,燃料的化学热（即燃料的低位发热量）,Q,net,燃料带入的物理热：,Q,f,空气带入的物理热：,Q,a,支出的热量：,燃烧产物所含的物理热：,Q = VCtp,燃烧产物中部分,CO,2,和,H,2,O,在高温下热分解反应消耗的热量：,Q,di,由于化学不完全燃烧造成的热损失：,Q,ch,由燃烧产物传给周围物体的热量：,Q,l,实际燃烧温度,则，可得：,但是不能用来直接计算实际燃烧温度，采用间接法。先确定理论燃烧温度，而后估算实际燃烧温度。,理论燃烧温度,定义：燃料完全燃烧放出的热量和燃料及空气带入的物理热全部用于加热烟气，在此情况下达到的烟气温度。即燃料在燃烧过程中没有任何热损失时，烟气所达到的温度。,由于,C,是温度的函数，因此，上式仍不能直接算出温度，采用图解法。,（,1,）令燃烧产物单位体积的理论热含量,I,th,=Ct,p,，则,（,2,）根据,I,th,，查,I-t,图（,P80,页），确定,t,th,。,实际燃烧温度估算,目前一般按下式估算实际燃烧温度,t,p,= t,th,为燃烧温度系数,3.3,燃料燃烧过程的基本原理,概念,可燃物质组成：可燃气体、固定碳,燃烧：燃料中的可燃物与空气的氧产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。,基本阶段,任何燃料的燃烧过程包括三个基本阶段,:,燃料与氧气的,混合,（扩散）,可燃烧混合物达到着火温度的,加热,阶段,可燃烧成分与氧气,进行燃烧反应,基本条件,可燃烧物与空气充分混合；,可燃物达到,着火温度,；,可燃混合物中燃料浓度必须介于,着火浓度,范围内。,着火温度,燃烧过程两个阶段：“着火”及“燃烧”,着火温度：由,缓慢,的氧化反应转变为,剧烈,的氧化反应的瞬间，转变时的最低温度。,着火、燃烧过程：,热源,燃料局部被加热、引燃,传热给周围的燃料,温度升高到着火温度,周围燃料持续燃烧,着火浓度范围,气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限。,混合气体中可燃气体的含量低于下限或高于上限时均不能着火燃烧。,当低于下限时，空气过多；高于上限时，空气过少，局部点燃时，其氧化反应所产生的热量不足以使邻近气层气体加热至着火温度以上而燃烧。所以，可燃气体浓度在上、下限以外时，燃烧不能继续进行。,火焰的传播,火焰的传播：燃烧焰面不断向未燃气体,移动,的现象称为火焰的传播（扩散）现象。,火焰传播速度 ：单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积。方向与焰面垂直，又称为法向火焰传播速度。,影响火焰传播速度的因素,混合物的组成（火焰传播速度最大值常在空气消耗系数接近,1,或略小于,1,时）,初始温度（提高可显著提高火焰传播速度）,层流或紊流,绝热或散热,凡是能加速化学反应过程和燃烧区向预热区传热、传质的因素都与提高火焰传播速度有关。,燃烧机理,可燃气体的燃烧,可燃气体的燃烧按,链锁反应,的方式进行的。,H,、,O,、,OH,等为连锁反应刺激物，是反应进行的必要条件生成,连锁刺激物,的反应如下：,H,2,2H,O,2,2O,H+O,2,OH+O,O+H,2,OH+H,氢的燃烧,链锁反应过程 （产生三个刺激物,H,原子）,H,O+H,2,H,2,O,H +O,2,OH+H,2,H,2,OH+H,2,H,2,O,H,H H,总反应,H+3H,2,+O,2,2H,2,O+3H,速度最慢,一氧化碳的燃烧,H,和,OH,为链锁刺激物，连锁反应过程：,总反应,2CO+O,2,+H2C,2,O+H,氢气和水气所产生的刺激物,H,、,OH,可加速一氧化碳的燃烧,O + CO CO,2,H + O,2,OH +CO CO,2,H,延迟着火,气体燃料的燃烧是按链锁反应进行的，当气体燃料与空气的混合物加热至着火温度后，要经过一定的感应期才能迅速燃烧。在感应期内不断生成含有高能量的链锁刺激物，此时并不放出大量的热，不能立即将邻近层气体温度升高而燃烧，这一现象叫,延迟着火,。,固态碳的燃烧,C,的燃烧过程：,可见，碳的燃烧速度取决于气体的,扩散,速度、碳表面的温度和,化学反应,速度。,氧向碳表面扩散,碳与氧反应的化学,反应产物向外扩散,低温时，约,800,以下，化学反应速度系数非常小，燃烧速度主要取决于化学反应动力过程，此时称为“动力燃烧”。,高温时，约,1000,以上，化学反应速度系数远大于扩散速度系数。此时称为“扩散燃烧”,当温度位于,8001000,时，扩散速度与化学反应速度相差不大，过渡区，比较复杂。,3.4,燃烧方法与燃烧装置,气体燃料的燃烧,液体燃料的燃烧,固体燃料的燃烧,气体燃料的燃烧,根据煤气、空气混合条件不同，煤气的燃烧方法和燃烧装置,(,烧嘴,),基本上可以分为三大类：,长焰燃烧,短焰燃烧,无焰燃烧,长焰燃烧,煤气与空气预先不进行混合，二者在燃烧空间内边混合边燃烧，此时燃烧速度受到混合速度的限制，燃烧缓慢且具有明显的火焰，这种燃烧方式称为“有焰燃烧”（扩散燃烧）,层流扩散火焰,煤气和空气层流流动,紊流扩散火焰,煤气和空气的流速提高,短焰燃烧,煤气与一部分空气（一次空气）在烧嘴预先混合，至燃烧室后进一步与空气（二次空气）混合并燃烧，此时获得的火焰长度较短。,无焰燃烧,煤气与空气在进入燃烧室或炉膛之前进行了,充分的混合,，这种可燃混合物一旦遇到高温环境立即着火燃烧，速度极快，火焰很短甚至无火焰，这种燃烧方式称为“无焰燃烧”（动力燃烧），所用烧嘴称为“无焰烧嘴”。,燃烧装置,高速调温烧嘴特点：,窑内温度分布均匀；,借助于调节二次空气量，可以方便地调节喷出气流的温度，因而可以很准确地控制窑内温度；,燃烧速度快，容积热强度高，空气消耗系数小，燃烧完全。,构造简单，造价低廉。,固体燃料的燃烧,无机材料工业常用的固体燃料煤的燃烧方法有三种：,层状燃料（淘汰）,喷燃燃烧,沸腾燃烧,喷燃燃烧,喷燃：把块煤磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。,优点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。,回转窑内的喷燃,燃烧过程,煤粉随空气喷入窑炉或燃烧室后呈悬浮状态，煤粉一边随气流流动，一边依次进行干燥、预热、挥发分逸出及燃烧、焦炭粒子燃烧及燃烬等过程。,助燃空气,一次空气：随煤粉一起进入燃烧室或窑炉的空气,二次空气：单独供给的空气,煤粉在窑内燃烧形成火焰过程示意图,注意事项,（,1,）一、二次空气的比例要合适,一次风的,作用,携带煤粉入窑,形成风煤流股,供挥发物燃烧,一次风量,一般回转窑：,25,30%,立波尔窑：,15,20%,、窑：,15%,供煤粉的焦炭粒子燃烧,二次风的作用,（,2,）恰当的一、二次空气的温度,（,3,）控制适当的过剩空气系数,一次风温度,t,一次,，煤粉易着火，对燃烧有利，,t,一次,，煤粉有产生爆炸的危险。控制：,t,一次,150,。,二次风温度,t,二次,，对燃烧有利，愈高愈好。,取决于冷却机的热效率。, ,，燃烧不完全，燃烧温度低；, ,，过剩空气多，燃烧温度低 。,过剩空气,系数,（,4,）控制合适的一次风喷出速度,一次风速 ：黑火头长，一次风速过大 ，产生离焰，甚至“熄火”；,一次风速：产生“回火”。,燃烧设备,三风道燃烧器,特点：,（,1,）内外净风出口速较大（,70150m/s,），有利于提高煤粉的燃烧速度和燃烬程度；,（,2,）内外风的配合有利于煤粉的燃烧；火焰形状规整，有利于保护窑衬；,（,3,）一次风量小（,12,14%,），有利于燃烧温度的提高及余热的有效利用。,（,4,）火焰形状调节灵活，可调幅度大，对煤质的适应性强。,（,5,）,NOx,有害气体低。,沸腾燃烧,沸腾燃烧是基于固体颗粒流态化技术，将其应用于碎煤燃烧的一种新型燃烧方法，它是利用空气动力作用使煤在沸腾状态下完成传热、传质和燃烧过程。,沸腾燃烧室,1,沸腾层；,2,悬浮层；,3,炉体；,4,烟气出口；,5,支架；,6,U,形燃烬室；,7,布风装置；,8,冷渣管；,9,一次风管；,10,风机；,11,前炉门；,12,二次风管；,13,喂煤系统,(1),供煤系统：由锤链式破碎机、斗式提升机 喂煤仓、喂煤机和喂煤管等组成 。,(2),鼓风系统：由离心式风机、一次和二次风 管、风室、布风板及风帽等组成 。,(3),燃烧室,:,由炉膛和混合室构成，设加煤口、下煤管、炉门、冷风门、清灰门、密封装置 。,沸腾燃烧的特点,（,1,）煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小，燃烧,速度非常迅速；,（,2,）热效率高，可达,95%,以上；,（,3,）燃烧温度稳定，可保持在,9601050,范围内；,（,4,）可充分利用各种劣质燃料；,（,5,）沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度高及操作环境好；,（,6,）空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多；,（,7,）操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大；,（,8,）煤的结焦性强时，排渣困难 。,