關(guān)于內(nèi)燃磚內(nèi)燃料發(fā)熱量的探討

關(guān)于內(nèi)燃磚內(nèi)燃料發(fā)熱量的探討

3燃料摻兌比的確定內(nèi)燃磚裝載量的合理分配是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)措施。為了合理分配熱量，應(yīng)考慮兩個方面。首先，應(yīng)合理確定裝載量。其次，應(yīng)確定內(nèi)部燃料的發(fā)熱量應(yīng)符合內(nèi)燃磚的實(shí)際情況。如前所述,對于內(nèi)燃燒磚內(nèi)燃料摻兌比,多年來都以內(nèi)燃料的收到基低位發(fā)熱量或干燥基低位發(fā)熱量然后以含水量來修正(實(shí)際上亦等于采用收到基低位發(fā)熱量)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算確定,筆者認(rèn)為欠妥。下面擬以內(nèi)燃料的各組分在內(nèi)燃磚生產(chǎn)過程中的不同作用和內(nèi)燃料中純可燃物質(zhì)燃燒放出的熱量被有效利用的實(shí)際情況為依據(jù),提出筆者的意見,以求共同探討。3.1“型煤”在磚體中的燃燒機(jī)理如上所述以及從利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)和元素分析結(jié)果計(jì)算固體燃料發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式中,可清楚地了解,燃料完全燃燒放出的熱量,受到燃料中礦物質(zhì)的分解和水分汽化吸熱的影響,也可以說燃料完全燃燒放出的熱量,是燃料中的純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量,被燃料中的礦物質(zhì)分解和水分汽化吸收一部分后,剩余的熱量。在通常的工業(yè)燃燒裝置中被有效利用(包括在利用過程中的各項(xiàng)不可避免的熱損失)的就是這部分熱量,然而內(nèi)燃燒磚并非如此。筆者認(rèn)為,將滿足磚坯燒成所需要的足夠量的內(nèi)燃料摻入制磚原料并均勻混合后,內(nèi)燃料的各組分將在磚的制造過程中,發(fā)揮各自不同的重要作用,內(nèi)燃料中的礦物質(zhì)和水分已成為制磚的基本原料和成型水分的一部分,而純可燃物質(zhì)則負(fù)責(zé)提供磚燒制過程中所需熱量,從而使內(nèi)燃料中的各組分的功能進(jìn)行了有效的分離,各負(fù)其責(zé)互不干擾,而成為既獨(dú)立又統(tǒng)一的整體。摻入內(nèi)燃料的混合料制成的磚的坯體,實(shí)際上已成為一種具有一定強(qiáng)度和較低發(fā)熱量的“燃料”——特制的“型煤”。這種“型煤”的組成與通常所說的固體燃料一樣,除含有純可燃物質(zhì)外還含有礦物質(zhì)和水分(坯體干燥后的殘余水分,既有內(nèi)在水分又有外在水分),不同的是前者與后者相比純可燃物質(zhì)含量很少,人工干燥約含5%左右,自然干燥僅在3%左右,而是以礦物質(zhì)(粘土和非粘土礦物)為主,其次是坯體經(jīng)干燥后的殘余水分。全內(nèi)燃磚坯體在窯中的焙燒過程,實(shí)際就是特制的“型煤”在窯中的燃燒過程,與通常的固體燃料燃燒既有相同之處又有不同之處。相同之處,都要經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、純可燃物質(zhì)燃燒、礦物質(zhì)失去化學(xué)結(jié)合水并分解、燒結(jié)、熔融和冷卻等一系列物理——化學(xué)變化過程。不同之處在于,礦物質(zhì)受熱進(jìn)行物理——化學(xué)變化的目的和程度不同,后者燃燒的目的是要為工業(yè)生產(chǎn)如發(fā)電、外燃磚的焙燒或?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ畹忍峁崮?具有較快的燃燒速度,礦物質(zhì)的物理——化學(xué)變化在瞬間或較短的時間內(nèi)進(jìn)行,很不充分,其燃燒產(chǎn)物——灰分(固體殘留物)和水蒸氣在吸收燃料中純可燃物質(zhì)燃燒放出的部分熱量后成為廢物被舍棄和溢出,因此,此時有效利用的熱量是燃料收到基低位發(fā)熱量。而前者燃燒的目的是要使“型煤”燃燒后的固體殘留物成為保持原有形狀的燒結(jié)制品——燒結(jié)磚,此時,在窯中“型煤”中的純可燃物完全燃燒放出的熱量,首先使“型煤”經(jīng)干燥后的殘余水分蒸發(fā),進(jìn)而使“型煤”中的礦物質(zhì)(粘土和非粘土礦物)失去結(jié)晶水和分解并產(chǎn)生燒結(jié)和部分熔融,在這一過程中水分的汽化和礦物質(zhì)的物理——化學(xué)變化過程要吸收大量熱能,然而,這完全是燒結(jié)磚生產(chǎn)熱工工藝過程的需要,從而使由“型煤”燃燒后的固體殘留物燒結(jié)而成的制品產(chǎn)生強(qiáng)度,并具有相應(yīng)的物理化學(xué)性能,成為我們所需要的最終產(chǎn)品——燒結(jié)磚;為此,要人為的控制“型煤”燃燒全過程——坯體焙燒過程的干燥和預(yù)熱、、加熱、燒成以及保溫和冷卻等各個階段的溫度和時間,而具有較長的“燃燒”周期,進(jìn)行充分的物理——化學(xué)變化。顯然,在窯中“型煤”中純可燃物完全燃燒放出的熱量,全部用于了磚在燒成過程中所需要的各項(xiàng)熱量支出,包括坯體殘余水分的蒸發(fā)耗熱、礦物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)耗熱以及各項(xiàng)不可避免的熱損失等,并非像在通常的工業(yè)燃燒裝置中,如在鍋爐中或在外燃燒磚過程中,因燃料中水分汽化溢出和礦物質(zhì)分解的殘留物(灰分)被舍棄,使燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量,被無謂的損失一部分。因此,可以說內(nèi)燃磚的燒成利用的是內(nèi)燃磚坯體所含純可燃物完全燃燒放出的全部熱量,或者說是利用摻入的內(nèi)燃料中所含純可燃物完全燃燒放出的全部熱量,并非是利用內(nèi)燃料的收到基低位發(fā)熱量。3.2內(nèi)燃發(fā)熱量的計(jì)算由前面的討論可知,內(nèi)燃燒磚并非像一般工業(yè)燃燒裝置那樣利用的是燃料的低位發(fā)熱量,即單位燃料中純可燃物燃燒產(chǎn)生的熱量,其中的一部分被燃料本身所含水分的汽化和礦物質(zhì)的分解吸收損失后放出的熱量,而是內(nèi)燃料所含純可燃物完全燃燒放出的全部熱量。為便于問題的研究并有別于通常所說的燃料的發(fā)熱量,不妨將單位質(zhì)量內(nèi)燃料中純可燃物完全燃燒放出的熱量,即單位質(zhì)量內(nèi)燃料在內(nèi)燃燒磚燃燒時放出的被實(shí)際或者說有效利用的熱量,稱為內(nèi)燃料的“內(nèi)燃發(fā)熱量”(筆者曾將其稱之為“實(shí)用發(fā)熱量”)以符號Qnr表示。那么的發(fā)熱量,應(yīng)稱為混合料的內(nèi)燃發(fā)熱量,即單位質(zhì)量混合料所含純可燃物質(zhì)完全燃燒時放出的熱量;坯體的發(fā)熱量,則應(yīng)稱作坯體內(nèi)燃發(fā)熱量,即每塊坯體所含純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量,也就是對坯體的配熱。內(nèi)燃料中的純可燃物質(zhì)中一般含有固定碳和揮發(fā)分,而揮發(fā)分中含有氫,在純可燃物質(zhì)燃燒時則有水生成并汽化,因此,內(nèi)燃料的內(nèi)燃發(fā)熱量亦有高位和低位之分,分別稱之為高位內(nèi)燃發(fā)熱量和低位內(nèi)燃發(fā)熱量,以符號Qnr,gr和Qnr,net表示。內(nèi)燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量,難以用氧彈法測出,但可利用固體燃料工業(yè)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在通常的工業(yè)燃燒裝置中,燃料完全燃燒后灰分成為工業(yè)廢渣而被舍棄,水分汽化溢出,因此,從利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)計(jì)算固體燃料低位或高位發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出,其發(fā)熱量是將純可燃物完全燃燒放出的熱量減去水分汽化和礦物質(zhì)(以灰分表示)分解的吸熱,這就是通常工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中實(shí)際利用的燃料的低位或高位發(fā)熱量,從而充分地體現(xiàn)出燃料中所含礦物質(zhì)的分解和水分的汽化吸熱對燃料發(fā)熱量的負(fù)面影響,是符合客觀規(guī)律的。如前所述,由于內(nèi)燃燒磚的內(nèi)燃料所含水分成為坯體成型水分的一部分,礦物質(zhì)已成為制磚原料的組成部分,純可燃物質(zhì)與礦物質(zhì)和水分,在磚的燒成過程中發(fā)揮各自不同的功能互不干擾,特制“型煤”——坯體中經(jīng)干燥后的殘余水分(其中包括內(nèi)燃料所含的部分水分)的汽化是生產(chǎn)工藝過程的需要,而礦物質(zhì)經(jīng)分解、燒結(jié)和部分熔融等過程,成為燒結(jié)磚的組成部分,并沒有成為工業(yè)廢渣被舍棄,顯然,都沒有對純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量造成損失。也就是說內(nèi)燃燒磚利用的是內(nèi)燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的全部熱量。因此,完全可以將前面由煤研總院化學(xué)所提出的不同煤的發(fā)熱量計(jì)算公式式(4)～式(6)和式(8)～式(11)中的水分和灰分吸熱校正值刪除,用來計(jì)算內(nèi)燃料在內(nèi)燃燒磚時,所含純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的全部熱量,也就是磚燒成時被實(shí)際利用的發(fā)熱量即內(nèi)燃發(fā)熱量。因此,筆者認(rèn)為,按下述公式計(jì)算各種固體燃料,用作內(nèi)燃料時的內(nèi)燃發(fā)熱量,是符合內(nèi)燃磚燒成時燃料燃燒放出的熱量被有效利用的實(shí)際情況——沒有因燃料所含礦物質(zhì)分解和水分汽化的吸熱,對燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒產(chǎn)生的熱量造成熱損失,是符合科學(xué)規(guī)律的。3.2.1空氣干燥基高位內(nèi)燃發(fā)熱量的計(jì)算a.低灰分煤空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量的計(jì)算①計(jì)算無煙煤空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式由式(4)刪除水分和灰分吸熱校正值,得式中Qnr、net,ad——分析煤樣(空氣干燥基)低位內(nèi)燃發(fā)熱量,J/g。②計(jì)算煙煤空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式由式(5),得刪除水分和灰分吸熱校正值,得③計(jì)算褐煤空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式由式(6),得刪除水分和灰分吸熱校正值,得以上三式中的系數(shù)K0、K1、K2,可查閱參考文獻(xiàn)的表7-1-33～39或有關(guān)資料。b.由空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr、net,ad值換算成收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr、net,ar值上述三個經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的仍為空氣干燥基(分析基)低位內(nèi)燃發(fā)熱量,在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)換算成收到基(應(yīng)用基)低位內(nèi)燃發(fā)熱量,由于內(nèi)燃料的內(nèi)燃發(fā)熱量不受水分汽化吸熱的影響,故由式(7)可得:式中Qnr,net,ar—應(yīng)用煤(收到基)的低位內(nèi)燃發(fā)熱量,J/g;Mar—應(yīng)用煤(收到基)的水含量,%;3.2.2高位內(nèi)燃發(fā)熱量的計(jì)算a.高灰分內(nèi)燃料的空氣干燥基高位內(nèi)燃發(fā)熱量計(jì)算公式由式(8)～式(11)分別刪除水分和灰分吸熱校正值,得①高分(Ad>40%)石煤高位發(fā)熱量計(jì)算公式式中Qnr,gr,ad—分析煤樣(空氣干燥基)高位內(nèi)燃發(fā)熱量,J/g。②高灰分(Ad>45%)無煙煤(包括煤矸石、爐渣)用作內(nèi)燃料時高位內(nèi)燃發(fā)熱量計(jì)算公式③高灰分(Ad>45%)煉焦煙煤及其煤矸石和爐渣等用作內(nèi)燃時高位內(nèi)燃發(fā)熱量計(jì)算公式④非煉焦高灰分煙煤及其煤矸石和爐渣等高位內(nèi)燃發(fā)熱量計(jì)算公式b.空氣干燥基高位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr,gr,ad換算成空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr,net,ad從固體燃料的高位內(nèi)燃高位發(fā)熱量(Qnr,gr)換算成低位內(nèi)燃發(fā)熱量(Qnr,net,ad)的主要原理是對化學(xué)結(jié)合水的汽化熱加以校正。由于內(nèi)燃料的內(nèi)燃發(fā)熱量不受內(nèi)燃料所含礦物質(zhì)分解和水分汽化吸熱的影響,因此由式(12)可得如下計(jì)算公式:式中Qnr,net,ad—分析煤樣(空氣干燥基)的低位內(nèi)燃發(fā)熱量,J/g;煤化學(xué)所提出確定高灰分煤的Hdaf(h)的方法:高灰分石煤,因其Hdaf(h)多小于2%而灰分又高,故Had(Hf)可近似地采用0.5這個常數(shù)作為換算Qnr,net,ad用;高灰分無煙煤,如年老變質(zhì)無煙煤(如京西、四望嶂等),Had(Hf)可采用0.5這一常數(shù),中等變質(zhì)無煙煤(如焦作、晉城等)和年輕無煙煤(如陽泉、芙蓉山等),Had(Hf)可分別采用1.0和1.3;高灰分煙煤,其Hdaf(Hr)可按表5確定:鑒于高灰分煙煤的Vdaf(Vr)往往因受礦物質(zhì)的影響而實(shí)測值大多偏高很多,為此采用表5前需先按下式求出校正后的Vdaf(Vr),然后再用V校正,daf由上表查出Hdaf值。c.由空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr、net,ad值換算成收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr、net,ar值,亦采用式(17)計(jì)算。3.3坯體燃料摻兌量和實(shí)際配熱量的確定內(nèi)燃料的內(nèi)燃發(fā)熱量是單位質(zhì)量內(nèi)燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量,不受燃料中礦物質(zhì)分解和水分汽化吸熱的影響;通常所說的燃料的發(fā)熱量,是指單位質(zhì)量燃料完全燃燒放出的熱量,其受到燃料中礦物質(zhì)分解和水分汽化吸熱的影響。因此,兩者有較大的差距,隨著灰分和水分含量的增加差距加大。如根據(jù)坯體耗熱,用高灰分固體燃料的收到基低位發(fā)熱量確定內(nèi)燃料摻量,將會使坯體所含內(nèi)燃料燃燒放出的實(shí)際用于坯體燒成的熱量嚴(yán)重超熱,而會使磚的焙燒和產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)種種弊端。下面舉例說明:如用作內(nèi)燃磚內(nèi)燃料的某中等變質(zhì)無煙煤的煤矸石分析結(jié)果如表6所示。當(dāng)人工干燥全內(nèi)燃燒結(jié)磚坯體燒成耗熱為Q塊=3980kJ/塊,分別計(jì)算內(nèi)燃磚采用煤矸石收到基低位發(fā)熱量和收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量,每塊坯體內(nèi)燃料摻兌量,以及當(dāng)采用收到基低位發(fā)熱量確定的摻量對坯體的實(shí)際配熱。a.采用煤矸石收到基低位發(fā)熱量和每塊坯體內(nèi)燃料的摻量①煤矸石收到基低位發(fā)熱量的計(jì)算首先由式(9)計(jì)算空氣干燥基高位發(fā)熱量Qgr,ad值由式(12)計(jì)算空氣干燥基低位發(fā)熱量Qnr,net,ad值所以收到基低位發(fā)熱量由式(7)計(jì)算,得②每塊坯體煤矸石的摻兌干質(zhì)量m1:m1=Q塊/Qnet,ar=3980/4368=0.91(kg/塊)b.采用煤矸石收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量和每塊坯體內(nèi)燃料的摻量①煤矸石收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量的計(jì)算首先由式(19)計(jì)算空氣干燥基高位內(nèi)燃發(fā)熱量Qnr,gr,ad值Qnr,gr,ad=335FCad+209Vad=335×14+209×5.4=5818.6(kJ/kg)空氣干燥基低位內(nèi)燃發(fā)熱量由式(22)計(jì)算Qnr,net,ad=Qnr,gr,ad-225Had=5818.6-225×1=5593.6(kJ/kg)所以收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量由式(17)計(jì)算,得Qnr,net,ar=Qnr,gr,ad·(100-Mar)/(100-Mad)=5593.6×(100-4.6/100-1.9)=5440(kJ/kg)②每塊坯體煤矸石的摻兌干質(zhì)量m2:m2=Q塊/Qnr,net,ar=3980/5440=0.715(kg/塊)c.按煤矸石收到基低位發(fā)熱量確定之摻量對坯體的實(shí)際配熱如前所述,由于內(nèi)燃燒磚實(shí)際利用的不是燃料的收到基低位發(fā)熱量,而是收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量即單位質(zhì)量內(nèi)燃料中純可燃物完全燃燒放出的熱量5440(kJ/kg),如每塊坯體摻入按上述計(jì)算的0.91kg/塊,則每塊坯體所含內(nèi)燃料完全燃燒用于磚燒成的熱量,即對坯體的實(shí)際配熱為Q實(shí):Q實(shí)=Qnr,net,ar·m1=5440×0.91=4950(kJ/kg)經(jīng)計(jì)算可知,按煤矸石收到基低位發(fā)熱量確定之摻量進(jìn)行坯體配熱,坯體的實(shí)際配熱是坯體燒成所需熱量的4950/3980=1.244倍,比燒成實(shí)際所需熱量高出970(kJ/塊),嚴(yán)重超熱,不僅將使焙燒難以控制,而且使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。4內(nèi)燃料摻兌比和坯體配熱的內(nèi)涵a.燃料收到基低位發(fā)熱量,完全符合燃料在一般工業(yè)燃燒裝置中,如鍋爐、外燃燒磚等,完全燃燒放出的被有效的用于工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹臒崃?包括在利用過程中不可避免的各項(xiàng)熱損失)的實(shí)際情況——燃料中礦物質(zhì)吸熱分解后被舍棄,水分吸熱汽化后溢出,而使燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量造成損失。因此,要求在進(jìn)行一般的工業(yè)燃燒裝置燃料燃燒或熱工計(jì)算時,均應(yīng)使用燃料的收到基低位發(fā)熱量,是符合燃料燃燒放出的實(shí)際可利用熱量的科學(xué)的客觀規(guī)律的,并不是人為的違背客觀規(guī)律的主觀規(guī)定。b.燃料收到基低位發(fā)熱量,不符合內(nèi)燃燒磚內(nèi)燃料燃燒放出的被有效的用于磚的燒成熱量的實(shí)際情況——內(nèi)燃料中的礦物質(zhì)和水分,分別成為坯體的主要組成原料和成型水分的一部分,它們的分解和汽化吸熱是燒結(jié)磚生產(chǎn)熱工工藝過程的需要,沒有使燃料中純可燃物質(zhì)完全燃燒放出的熱量造成損失,而是全部用于了燒結(jié)磚的生產(chǎn)。因此,要求采用燃料的收到基低位發(fā)熱量(或干燥基發(fā)熱量),計(jì)算內(nèi)燃料的摻兌比或進(jìn)行坯體配熱,是不符合內(nèi)燃料燃燒放出的用于磚燒成的實(shí)際可利用熱量的客觀規(guī)律的。c.本文提出的內(nèi)燃料收到基低位內(nèi)燃發(fā)熱量,是指用作內(nèi)