《消防燃烧学》第1章绪论及固体燃料

燃烧学任课教师：王健2联系方式•E-mail:[e-mail]•电话：[phone]•手机：[phone]•办公室：安全学院4083工程燃烧学主要内容：工程燃烧概述、燃料概论、燃烧反应计算、燃烧基本原理、燃烧方法与燃烧装置成绩评定：平时成绩30%+期末考试成绩70%4燃烧学概论燃烧与人类的文明发展息息相关燃烧与人们的现实生活密切联系5火(燃烧)的利用，是人类文明的开始6航天动力7航空动力8汽车动力9锅炉灶具蜡烛10负面影响－火灾11负面影响－烟气污染12燃烧的应用（1）动力工程•发电厂中煤的燃烧，汽车、飞机、船舶中的液体燃料的燃烧，燃气轮机天然气等的燃烧，火箭发动机中固体和液体推进剂的燃烧等。（2）材料生产、工业供热•如钢、玻璃、陶瓷、水泥、精炼燃料和炭黑中的应用。•工厂中只要不是完全依靠电，就需要燃烧。（3）家庭供热13燃烧的定义燃烧是一种同时伴有放热和发光效应的激烈的氧化反应。•放热、发光，区别于铁生锈•氧化反应有产物生成，区别于灯泡发光14涉及学科综合交叉学科化学动力学热力学反应流体力学传热传质学数学等15涉及物理过程质量迁移气流运动组分扩散能量传递相变压力变化16涉及化学过程反应机理反应速度反应程度燃烧产物的生成与控制17概述燃烧学是一门艰深的交叉科学–涉及很多物理过程–涉及很多化学过程我们使用的教材是相对最简单的一本–主要是基于工业生产应用–包含两部分内容：燃烧理论、燃烧技术18工业燃烧理论研究课题各燃料的燃烧速度燃烧稳定性火焰的流场和结构火焰辐射与传热燃烧噪声燃烧污染物生成机理与控制燃烧过程的数学模型建立等19工业燃烧技术目标针对不同燃料的特性提出合理的燃烧方法根据生产工艺的具体要求研究和设计特殊性能的新型燃烧装置研究和设计高效节能型燃烧装置研究低噪声、低污染的燃烧技术为计算机控制的工业燃烧过程提供数学模型20内容（1）燃料概论：工业生产中最主要的燃料•煤•石油•煤气（高炉、焦炉、发生炉、转炉）、天然气、裂解气（2）生产过程所涉及的燃烧计算•燃料燃烧的空气需要量和产物生成量•热量释放形成的温度•实际燃烧的空气消耗系数和不完全燃烧热损失21内容（3）燃烧基本原理•燃料与氧气间的反应机理、反应速度•气态燃料与空气混合——射流•燃烧的起点——着火过程和条件•燃烧在空间上的继续——传播•燃烧在时间上的维持——火焰的结构与稳定•固体液体燃料燃烧——异相燃烧22内容（4）燃烧技术–工业生产中的燃烧方法与装置•气体燃料的燃烧及技术•燃料油的燃烧及技术•煤的燃烧及技术•煤的气化23第一章固体燃料24固体燃料天然固体燃料•木质燃料•矿物质燃料——主要是煤煤•现代工业生产主要能源•一些化学工业的原材料，如煤液化等•冶金工业的炼焦与气化•火电厂锅炉燃料，城市供暖锅炉燃料25第一节煤的种类及其化学组成26煤的种类煤是由古代植物经过极长的时间、极为复杂的变化过程转变而成的。根据母体物质炭化程度的不同，可将煤分为四大类：•泥煤•褐煤•烟煤•无烟煤27泥煤在地质学上•泥煤是最年轻的煤，刚刚由植物转变而来在物理化学性上•泥煤含氧量最多高达28～38％，含碳较少，挥发份高，密度小在使用性能上•可燃性好，反应性强，极易氧化和自燃，含硫量低，机械性能很差，吸水性强，灰分熔点很低在工业上•主要用途是烧锅炉和做气化原料；工业价值不大，更不适合长途运输28褐煤地质学•经泥煤进一步变化后生成，已完成了植物遗体的炭化过程。因能将热碱水染成褐色得名物理化学性•与泥煤相比，密度较大，含碳量较高，氢和氧的含量较小，挥发分产率较低使用性能•粘结性弱，很易于氧化和自燃，吸水性较强，新开采褐煤机械强度较大，但易在空气中风化和破碎工业用途•可作为地方性燃料，不适合远地运输和长期储存29烟煤物理化学性质•炭化程度较高。与褐煤相比，含碳量增加，氢和氧的含量减少，挥发分较少，密度较大，吸水性较小工业用途•冶金工业和动力工业不可缺少的燃料•近代化学工业的重要原料•炼焦的主要原料，其最大的特点是具有粘结性，这是其他固体燃料所没有的粘结性：烟煤在受热时本体粘结或与外加惰性物质粘结的能力，它是评价工业用煤特别是炼焦煤的主要指标30烟煤的分类不是所有的烟煤都具体相同的粘结性也不是所有具有粘结性的烟煤都适于炼焦为适应炼焦和造气的工艺要求合理使用烟煤，依据粘结性强弱和挥发分产率大小等物理化学性质，烟煤可进一步分类31无烟煤地质学•矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤物理化学性•密度大，含碳量高，挥发分极少，组织致密而坚硬，吸水性小，灰分少，含硫量低使用性能•受热易爆裂成碎片，可燃性较差，不易着火，但发热量大工业用途•燃料，适合长途运输和长期储存；热处理后提高抗爆性，可用于气化，或在小高炉化铁炉中代替焦炭32问题有的煤叫贫煤、肥煤、不粘煤是怎么回事，是如何分的？根据烟煤的粘结性的强弱以及挥发分产率的大小进行的进一步划分33煤的详细分类以反映煤化程度的干燥无灰基挥发分Vdaf为第一指标来区分无烟煤与烟煤，褐煤无烟煤Vdaf=10;烟煤Vdaf10;褐煤Vdaf37•Vdaf干燥无灰基挥发分，PM透光率34煤的详细分类以干燥无灰基挥发分Vdaf和干燥无灰基氢含量Hdaf这两个反映煤化程度的指标来划分无烟煤中的小类使用反映煤化程度的干燥无灰基挥发分Vdaf和反映粘结性的几个指标(粘结指数GR.I.，胶质层最大厚度Y和奥—阿膨胀度b)对烟煤进行细分采用透光率PM来划分褐煤中的小类并区分褐煤与烟煤，另外还使用恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf作为区分褐煤与烟煤的辅助指标。35无烟煤分类注：如用两个指标划分小类矛盾时，以按Hdaf划分小类的结果为准。36烟煤分类37烟煤与褐煤分类38烟煤小类的区分法烟煤小类•当粘结指数GR.I.=85时，用干燥无灰基挥发分Vdaf和粘结指数GR.I.来分类。•当粘结指数GR.I.85时，用干燥无灰基挥发分Vdaf和胶质层最大厚度Y或用干燥无灰基挥发分Vdaf和奥－阿膨胀度b值来分类。•如按b值和Y值划分类别有矛盾时，以Y值划分的类别为准39烟煤（长焰煤）与褐煤区别凡干燥无灰基挥发分Vdaf37%，粘结指数GR.I.=5者•以透光率PM来区分长焰煤和褐煤，PM30%者为褐煤•若PM30~50%，再测恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf，若其值24MJ/kg则为长焰煤，其值24MJ/kg则为褐煤40煤的化学组成煤由结构极其复杂的有机化合物组成。化合物的分子结构至今仍不十分清楚化学组成•C、H、O、N、S元素分析值——可燃质•水分W•不可燃矿物质灰分A惰性质41碳（C）煤的炭化程度越高，含碳量越大泥煤：～70％褐煤：70～78％烟煤：78～90％无烟煤：90％以上42氢（H）有效氢，与碳、硫结合在一起的，可以燃烧放出热量•发热量约为碳的三倍半•在含碳量为85％时，有效氢含量达到最大化合氢，与氧结合在一起，已经不能再燃烧43氧（O）氧（O）使煤中可燃元素失去燃烧可能性，从而使煤的热值降低，是煤中的有害物质44氮（N）氮（N）：惰性元素，但在高温下会被氧化形成污染严重的有害气体NOx•煤中含氮量为0.5～2%•在干馏工业中，可做为氮素资源回收45硫（S）硫（S）有三种存在形式•有机硫，来自母体植物，均匀分布•黄铁矿硫，与铁结合在一起形成FeS2•硫酸盐硫，以硫酸盐的形式存在，主要是CaSO4.2H2O和FeSO4前两种硫都能参加燃烧，总称为可燃硫或挥发硫；第三种硫不能进行燃烧46硫（S）硫（S）是一种极为有害的物质•硫在燃烧后生成SO2和SO3能危害人体健康和造成大气污染及形成酸雨•在加热炉中能造成金属的氧化和脱碳•在锅炉中能引起锅炉换热面的腐蚀•焦炭中的硫还影响生铁和钢的质量很多情况下都要进行脱硫洗选•除掉黄铁矿硫和硫酸盐硫•焦炉洗精煤含硫量应控制在0.6%以下47灰分（A）灰分（A）为煤中矿物杂质在燃烧过程中经高温分解和氧化作用后生成的固体残留物是一种有害成分•影响高炉冶炼的经济技术指标•降低煤发热量•造成不完全燃烧，及不利于设备维护和操作•低熔点灰分易结渣，有碍于空气流通和气流的均匀，使燃烧过程受到破坏•灰分中酸性物质含量比碱性物质高时熔点高；在还原性气氛中比在氧化性气氛中熔点高48水分（W）——注意跟书本区别外部水分•不被燃料吸收而是机械地附在燃料表面上的水•在大气中自然风干后即可去除内部水分•被煤粒内部毛细孔吸附的水分，在内部均匀分布•自然风干不能去除，在105～110oC加热后去除通常指水分就是上两种，称为全水分化合水•矿物杂质的矿物结晶水，在200～500oC加热后去除热解水•有机质中的氢和氧在干馏或燃烧后形成的水49煤的成分表达应用基：煤的包括全部七种组分C、H、O、N、S、灰分（A）、水分（W）在内的成分——也称为收到基干燥基：煤的不包括全水分在内的六种组分C、H、O、N、S、灰分（A）的成分可燃基：煤的不包括全水分、灰分的五种组分C、H、O、N、S的成分——也称为干燥无灰基50成分表示方法应用基成分：各组分在应用基中的质量百分数，用下角标ar，也称收到基成分•Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+War%=100%干燥基成分：各组分在干燥基中的质量百分数，用下角标d•Cd%+Hd%+Od%+Nd%+Sd%+Ad%=100%可燃基成分：各组分在可燃基中的质量百分数，用下角标daf。也称干燥无灰基成分•Cdaf%+Hdaf%+Odaf%+Ndaf%+Sdaf%=100%51成分间的换算相对于应用成分，干燥成分被放大了1/(1-War%)倍，因此•干燥成分/应用成分＝1/(1-War%)相对于应用成分，可燃成分被放大了1/(1-War%-Aar%)倍，因此•可燃成分/应用成分＝1/(1-War%-Aar%)相对于干燥成分，可燃成分被放大了1/(1-Ad%)倍，因此•可燃成分/干燥成分＝1/(1-Ad%)52第二节煤的使用性能为了合理利用煤资源和正确制定煤利用的工艺技术方案和操作制度–煤的工业分析值–煤的发热量–煤的比热、导热系数–煤的粘结性、结焦性–煤的耐热性–反应性和可燃性53工业分析内容是测定水分、灰分、挥发分和固定碳的百分含量方法：干馏，即把煤在隔离空气的情况下加热。•把煤加热到110oC，使水分蒸发，测出水分含量•在隔绝空气下加热到850oC，测出挥发分含量•然后通入空气使焦块全部燃烧，测出灰分和固定碳含量54干馏过程首先全水分蒸发W接着逸出的全部气体称为挥发分V•矿物结晶水、挥发性成分、热分解产物•具体有CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2、热解水蒸汽、矿物结晶水蒸汽然后形成的固体残留物为焦块•固定碳F%＝100%－（W%＋A%＋V%）•灰分最后通入空气燃烧剩下的是灰分A55问题1、如何保证干馏过程煤与空气隔绝2、水分W、挥发分V、固定碳F、灰分A的百分含量是如何怎样测定的？隔绝空气是为了避免氧化，最常用的方法是通入氮气56工业分析各成分测定W：在110oC加热前后测量煤样质量，减少量即为水分量。除以煤初始质量即得水分百分含量V：在850oC干馏前后测量干燥煤样质量，减少量即为挥发分质量。除以煤初始质量即得挥发分百分含量F：测量燃烧前后焦块质量，减少量即为固定碳质量，除以煤初始质量即得固定碳百分含量A：燃烧后剩下的即为灰分，测量其质量，除以煤初始质量即得灰分的百分含量。57实际工业分析后数据单试样名称水分挥发分灰分Vd%Ad%煤样重平煤二矿0.8029.5720.0729.8120.230.3606淮南烟煤1.0819.6126.6719.8226.960.3552郑州嵩枫2.1011.758.6012.008.780.46421、各栏的意义？2、固定碳含量是多少？成分如何换算？3、初步判断各煤样的种类（烟煤？褐煤？无烟煤？58解答1