燃料燃燒基本理論與燃燒設備.ppt

1、第六章 燃料燃燒基礎與燃燒設備,主要學習內容： 1）燃料種類與組成 2）燃料的熱工性質（發(fā)熱量等） 3）燃燒計算（空氣量、煙氣量及煙氣組成） 4）燃料燃燒過程基本理論（著火溫度、著火濃度范圍、固定炭的燃燒、可燃氣體的燃燒、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊龋?5）固體燃料的燃燒及其常用設備 學習重點： 燃燒計算,第1節(jié) 燃料的種類、組成和性質,燃料可以分為固體燃料（煤、木柴、可燃貝巖等）、液體燃料（石油及其加工產品）、氣體燃料（天然氣和人造煤氣）。 煤的組成常按照工業(yè)分析方法表示，分揮發(fā)分(V)、固定炭(FC)、灰分(A)以及水分(M)。 煤的工業(yè)分析基準需要注意。按照其分析基準的不同，可以分為收到基（ar）、空

2、氣干燥基（ad）、干燥基（d）、干燥無灰基（daf）等四種方式。 煤中的硫的存在形式有三種：硫酸鹽中硫、有機硫、硫化物中硫。煤的脫硫對于保護環(huán)境有著重要的意義。另外，煤中含有微量的汞等重金屬元素，在煤的燃燒過程中會部分揮發(fā)到廢氣中，部分富集在煤灰中，對相應的體系造成環(huán)境危害。應道給予重視和適當?shù)奶幚?煤的各種計算基準,收到基： 空氣干燥基： 干燥基： 干燥無灰基,煤的組成表示方法,煤的水分根據(jù)空氣干燥前后分為內在水分和外在水分。收到基中的水分為全水分,煤的組成實例（p226,氣體燃料,氣體燃料，由可燃氣體和不可燃氣體組成?？扇細怏w成分主要是CO、H2、CH4與其他烴類。 氣體的組成一般用體積百

3、分數(shù)表示，可以分為濕成分和干成分。 濕成分可以表示為： 干成分可以表示為,第二節(jié) 燃料的熱工性質與選用,燃料的熱工性質主要是發(fā)熱量（熱值），對于固體燃料，還有揮發(fā)分、結渣性、水分、可燃硫含量等；對于液體燃料，還有粘度、閃點、燃點、著火點、凝固點、密度、比熱容和導熱系數(shù)、水分等；對于氣體燃料，主要是煤氣的平均分子量、密度和平均比熱容。 發(fā)熱量定義：單位質量或者體積的燃料安全燃燒，當燃燒產物冷卻到燃燒前的溫度時所放出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量或者熱值，單位為kJ/kg（或者kJ/Nm3）。如果燃燒后生成的水為氣態(tài)，稱為低位熱值，如果為液態(tài)。則為高位熱值。低位熱值更具有指導意義,高位熱值和低位熱值之間相

4、差為生成水的汽化熱。其換算關系為,煤的不同基準下低位熱值的換算式,煤的其他熱工性質,揮發(fā)分是指在隔絕空氣的條件下，將一定量的煤樣在900下加熱7min所得到的氣態(tài)物質（不包括水分）。揮發(fā)物包括礦物結晶水、揮發(fā)性成分和熱分解產物等。煤的揮發(fā)分影響燃燒時火焰的長度和著火溫度。 結渣性。與煤的灰分組成有關，含F(xiàn)eO，Na2O，K2O等較高時容易結渣。容易結渣的煤操作不穩(wěn)定，不容易完全燃燒,煤的其他熱工性質,可燃硫含量。降低可燃硫的危害和提高煤的燃燒性能的主要方法是選煤提純和控制燃燒條件。 煤的選礦提純包括煤的重力選礦（依靠煤矸石與煤的密度差選礦）、浮選（煤的表面疏水，而矸石親水）、型煤技術（將脫硫劑

5、添加在煤塊中，進行燃中脫硫）。另外，近年來發(fā)展了水煤漿技術（將煤液態(tài)化，代替部分柴油）和煤變油技術（將煤經(jīng)過化學加工提煉汽油等油品，近年發(fā)展較快）。 水分,液體燃料的其他熱工性質,粘度對液體燃料的運輸、霧化、過濾等存在較大的影響。一般用恩氏粘度表示（p232）。 油品加熱到一定溫度后先后出現(xiàn)火源靠近有藍色閃光、藍色閃光維持5s、無火源也可自燃三個階段，分別稱為閃點、燃點和著火點。三者對于油品的安全使用和優(yōu)化燃燒條件有著重要的意義。 凝固點。油類失去流動性的最高溫度稱為凝固點。運輸油品需要高于凝固點。 油類的密度與溫度有關，常隨溫度的增加而減小,重油的質量標準（p234,油類的水分降低燃燒效應。

6、但是為了提高燃燒效率，降低不完全燃燒現(xiàn)象，人們研究了油包水型微乳化液。此類產品中的水分另外考慮,第三節(jié) 燃料燃燒計算,燃燒計算的任務是解決燃料和空氣的混合比、煙氣量以及煙氣組成的。對于設計窯爐、操作窯爐以及風機、管道、煙囪等的設計選型具有重要的作用。因此是本章學習的重點。 計算依靠物料平衡來進行，即根據(jù)成分分析結果來進行計算。如果沒有成分分析結果，用經(jīng)驗公式來計算。本節(jié)課只學習按照成分分析結果計算的方法。 計算過程中，需要首先進行理論空氣量的計算，然后根據(jù)實際工藝的要求確定空氣系數(shù)，然后可以計算得到實際空氣量。得到實際空氣量后根據(jù)化學反應和物料平衡計算煙氣量和煙氣組成,一、空氣量的計算,1 固

7、體和液體燃料的理論空氣量Vao（以100kg煤為基準） 1）燃料中的可燃組分為C、H、S三者。以收到基表示。按照氧化反應有： 2）理論需氧量為： 3）1kg燃料的理論需氧量為,因此，1kg燃料完全燃燒的理論空氣量為,設空氣的濕含量（kg水蒸氣/kg干空氣）為x，則,2 實際空氣量Va 為了防止燃燒不完全，實際空氣量大于理論值。引入空氣系數(shù)的概念。Va/Vao?？諝庀禂?shù)的選擇與燃料種類、燃燒方式、燃燒設備和要求的燃燒氣氛有關。 實際空氣量等于理論量與空氣系數(shù)的乘積,二、煙氣量和煙氣組成的計算 1 理論煙氣量與理論煙氣組成 計算基準：1kg固體或者液體燃料 理論煙氣量中， CO2的含量V CO2

8、（Car/12)22.4/100 (Nm3/kg,水蒸氣的體積為： SO2的體積為： N2的體積為,煙氣的理論體積為 VoV0CO2+V0H2O+V0SO2+V0N2 =Car/12+(Har/2+Mar/18)+Sar/32+Nar/28*22.4/100 +V0O2*79/21 =0.089Car+0.323Har+0.0124Mar+0.033Sar +0.008Nar-0.0263Oar 煙氣組成的百分數(shù)各組成量除以煙氣總量,2 實際煙氣量及煙氣組成 當1時，實際煙氣量為VVo+(-1)Vao 煙氣的各組成量,煙氣各組成量的計算中，由于不完全燃燒，產物中只計算CO，其他可能的產物由于濃

9、度很低，不影響計算結果。 煙氣組成為,當1時,解：首先根據(jù)已知條件分析各元素的物質的量、燃燒所需的理論空氣量和煙氣量，然后計算空氣過剩條件下的剩余物質的量和體積。加和即可得到煙氣量和煙氣組成。（注意需要折算成體積）。 以100kg煤為計算基準，可以得到下表結果,例題,已知煤的收到基組成如下： 組分 Car Har Oar Nar Sar Mar Aar 質量(%) 48 5 16 1.4 _ 18 11.6 設 ：1）燃燒時有機械不完全燃燒現(xiàn)象存在，灰渣中含C量為10%； 2）要求還原焰燒成，干煙氣分析中CO含量為5%。 計算：1）干煙氣及濕煙氣組成（不考慮空氣帶入的水汽）； 2）1kg煤燃燒

10、所需空氣量； 3） 1kg煤燃燒生成濕煙氣量,解：以100kg煤為基準 落入灰渣中的C量為 11.6*10/(100-10)=1.29kg 進入煙氣中的C為48-1.29=46.7kg 46.7/12=3.89kmol 設其中xkmol生成CO，則（3.89-x）kmol生成CO2 生成煙氣的組成為： CO x CO2 3.89-x O2 N2 1.4/28+x/2+（3.89-x）+5/(2+2)-16/32*(79/21) =17.5-1.88x,總干煙氣量為： x+(3.89-x)+17.5-1.88x=21.39-1.88x (kmol) 題中給出CO的含量為5%，即 x/(21.39

11、-1.88x)=0.05 x=0.98(kmol) 1) 煙氣組成： CO CO2 N2 H2O 煙氣量 0.98 2.91 15.66 3.5 干煙氣(%) 5.0 14.9 80.1 濕煙氣(%) 4.2 12.6 68.0 15.2,2) 空氣量 x/2+(3.89-x)+5/(2+2)-16/32*100/21*22.4/100 = 4.43(Nm3/kg) 3) 濕煙氣量： （0.98+2.91+15.66+3.5）* 22.4/100 =5.16 (Nm3/kg,第四節(jié) 燃燒過程基本理論,燃料可以被分為三種：液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)燃料。液固態(tài)燃料燃燒時都可以分為氣態(tài)燃料的燃燒和固定炭的燃

12、燒。 燃燒需要的條件有：著火溫度，著火濃度范圍。 控制燃燒速率的可能有：反應速率、傳質速率。提高燃燒速率的途徑是在分析控制步驟的基礎上加快控制步驟的速率,著火溫度 任何物料的燃燒都有“著火”和“燃燒”兩個階段。由緩慢的氧化反應轉變?yōu)閯×已趸磻ㄈ紵┑乃查g叫著火。轉變時的最低溫度叫著火溫度。 舉例：氧指數(shù)對材料阻燃性能的表征；煤的自燃與治理。 設某容器內裝有燃料和空氣，氧化反應放熱，則單位時間內放熱與散熱對系統(tǒng)的溫度的關系為,放熱曲線為1，散熱曲線隨著溫度的升高而變化。當溫度為To時，與1線相切，切點對應的溫度（Tc）即為著火溫度。 表明著火溫度不僅與燃燒工藝條件有關，還與散熱條件有關,氣體

13、燃料與空氣的比例，必須在一定的范圍內才能進行燃燒。這一濃度范圍叫做著火濃度范圍，或者著火濃度極限,氣體燃料的著火濃度極限又稱為爆炸極限。因為瞬間燃燒產生很大的壓力，導致爆炸。對于保證安全的場所（如煤礦礦井下的環(huán)境），需要控制燃料的濃度在著火濃度之外,固定炭的燃燒 炭的燃燒是固體（炭）和氣體的兩相反應，屬于非均相反應。反應的步驟可以分為氧通過顆粒表面的氣膜擴散至顆粒表面，氧通過灰層擴散至炭表面，化學反應，產物通過灰層，產物離開灰層表面進入氣體主體五個步驟,固定炭的燃燒機理是目前研究的一項熱點內容，固定炭的燃燒機理說法不一。 決定燃燒反應快慢的步驟是上述五個步驟中的最慢的步驟，稱為控制步驟。 研究

14、結果表明，在溫度低于800時，化學反應速度非常小，為控制步驟，該反應區(qū)域成為動力區(qū)。當溫度高于1000 時，擴散速度成為控制速度，稱為擴散區(qū),在動力區(qū)和擴散區(qū)之間，化學反應速度和擴散速度相近，兩者對于反應速度的影響都比較顯著。 提高煤在窯爐中的燃燒速度的途徑是空氣與煤粉很好的混合接觸并有較大的相對速度,可燃氣體的燃燒 可燃氣體包括H2、CO、CH4、CNHM等。 可燃氣體的燃燒是典型的鏈反應，需要激發(fā)活性原子（反應刺激物質）。 當可燃氣體加熱到一定溫度后，要經(jīng)過一定的感應期才能迅速燃燒。在感應期內不斷生成含有高能量的連鎖刺激物，此時并不放出大量的熱量。這一現(xiàn)象稱為延遲著火現(xiàn)象。 延遲著火時間與

15、燃料性質、反應溫度、壓強等因素有關,火焰?zhèn)鞑ニ俣?在靜止的可燃氣體和空氣的混合物中，當某一局部著火后，隨著熱量的傳遞而使臨近區(qū)域著火反應，稱為火焰擴散。其速度稱為火焰擴散速度（定義為單位時間內燃料在單位焰面上燒掉的氣體體積），其方向與焰面垂直,圖46中， 氫氣傳播速度最大是因為導熱系數(shù)較大； 存在混合物比例的變化； 傳播速度的最大值在空氣燃料比約為1的地方。 回火現(xiàn)象：空氣流動速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?氧化氮的生成與控制 NOx是一種對環(huán)境危害很大的燃燒產物！控制其生成對于減少酸雨、降低對人和動植物的危害等有著重要的作用。其中以NO2的毒性最大。 氧化氮的生成機理目前尚不明了。各國科學家對其進行了

16、大量的研究并取得了一定的研究成果。 結果表明，氧化氮的生成主要與火焰中的最高溫度、氧和氮的濃度以及氣體在高溫區(qū)的停留時間有關。 減少氧化氮生成的措施：降低火焰高溫區(qū)的溫度、降低空氣過剩系數(shù),第五節(jié) 固體燃料的燃燒過程與設備,主要內容： 1 固體燃料的燃燒過程 2 層燃燃燒室 3 煤粉燃燒設備 4 沸騰燃燒室,1 固體燃料的燃燒過程,固體燃料（主要是煤）的燃燒主要可以分為準備階段、燃燒階段和燃盡階段三部分。 準備階段包括干燥、預熱和干餾。這一階段是吸熱過程，熱量的來源是其他燃料的燃燒或者傳熱等。 燃燒階段，主要是揮發(fā)物的燃燒和固定炭的燃燒。 燃盡階段中，燃燒速度受到顆粒表面的灰分的影響，速度很慢

17、。解決這一問題的辦法是保持較高的溫度、延長與空氣接觸時間、將煤粉碎成煤粉,2 層燃燃燒室,硅酸鹽工業(yè)中主要用到煤，包括煙煤和無煙煤。 層燃燃燒時的工作主要包括加煤、拔火和除渣。 層燃燃燒室的工作原理見圖427,2 層燃燃燒室,層燃燃燒室根據(jù)燃料燃燒過程和狀態(tài)可以分為灰渣層、灼熱焦炭層、新煤層等。 利用二次空氣是提高熱效率的主要途徑之一。 燃燒過程中，氧氣、CO、CO2的濃度隨著高度的變化而變化。 焦炭層的溫度最高,3 煤粉燃燒設備,煤粉燃燒采用噴流法，將煤粉與空氣混合后在空間內懸浮燃燒。在進入燃燒室后，煤粉隨著空氣向前運動，在運動過程中完成干燥、預熱、揮發(fā)分的逸出和燃燒以及焦炭粒子的燃燒。 燃燒時應當控制的因素有