锅炉与锅炉房设备第2章(4课时).

第2章燃料及燃料计算主要内容：燃料的化学成分1煤的燃烧特性2煤的分类3液体燃料4气体燃料5燃料的燃烧计算6锅炉烟气分析及其结果的应用7燃料的定义：燃料是指从技术经济上讲适宜于用来获取大量热量的物质。燃料的分类：一般可以将燃料分为两个大类：有机燃料和核子燃料，后者用于核反应堆，不属于常规能源的范畴，我们以下所说的燃料一般是指有机燃料。1.1.燃料的化学成分及其性质有机燃料：是指主要元素成分为碳和氢的物质，它在空气中燃烧时可以释放出大量的热量。最重要的有机燃料是化石燃料。所谓化石燃料是指埋藏在地下的远古生物的遗体，经过长期的地质作用所形成的物质，主要有煤、石油、天然气、油页岩和煤页岩，也包括石油伴生气和煤层气（瓦斯气），以及目前还难以开采的天然气水合物。生物质也是比较常见的有机燃料，主要是柴薪和各种农林废弃物，如甘蔗渣、稻壳、木屑、农作物秸秆等等。城市生活垃圾和某些工业废弃物中也含有可以燃烧的有机组分，适当处理后也可以看成一种有机燃料。有机燃料按照其状态可以分为三类：固体燃料、液体燃料和气体燃料。有机燃料的元素组成：有机燃料由有机物和无机物组成。有机组分一般含有碳C、氢H、氧O、氮N、硫S五种元素，而无机组分一般认为是由水分M和灰分A组成的，通常将以上七个组分称为有机燃料的元素组成。可燃基：高分子化合物，成分C,H,O,N,S惰性基：多种矿物质，灰分有机燃料的元素解析：•碳C它是有机燃料中的最主要的可燃组分，在空气中完全燃烧时每千克碳可以放出32866千焦的热量，其完全燃烧产物是二氧化碳。•氢H它是有机燃料中重要的可燃组分，在空气中完全燃烧时每千克氢可以放出120370千焦的热量，所以含氢较多的燃料一般发热量也较高，它的燃烧产物是水蒸气。•氧O它存在于燃料的有机组分中，是一种不可燃组分。燃料有机组分中的氧元素和其它元素之间总是要由化学键连接起来，氧元素的存在必然会降低燃料的化学能，使得燃料的发热量下降，所以含氧量较多的燃料的发热量必然较低。•氮N它也是存在于燃料的有机组分之中的不可燃组分。燃料中的氮在燃烧之后绝大部分转化成氮气，少部分经过复杂的中间过程生成各种氮的氧化物即NOX（主要是NO），烟气中这部分NOX称为燃料型NOX。•硫S硫也是一种可燃组分，每千克单质硫燃烧生成二氧化硫时可以释放出的热量。燃料中的硫可以存在于有机组分和无机组分中，分别称为有机硫和无机硫。有机硫以硫醚、噻吩或其它形式存在于燃料有机质的大分子中，燃烧之后被氧化成硫的氧化物（SO2或SO3，统称SOX）。无机硫有两种存在形式，分别为硫铁矿和硫酸盐，相应地称作硫铁矿硫和硫酸盐硫，其中硫铁矿中的硫份在燃烧过程中生成SOX进入烟气，硫酸盐根据燃烧条件可以分解释放出SOX或者维持原型进入灰渣。•硫S硫份是燃料中最为有害的成分。燃烧过程中生成的SOX进入烟气之后，会对后续的受热面产生腐蚀，并且是受热面上产生粘结性积灰的重要原因之一，所以燃料中的硫份对于设备的工作有严重的不利影响。另外，有机燃料的燃烧产生的SOX也是我国大气污染最大的污染源。•水分M(Moisture)燃料中的水分有多种可能的赋存方式。存在于燃料中的游离水分称为外在水分，外在水分的含量极其不稳定，容易随着环境条件的变化而变化；以表面力或其它方式吸附或凝聚在微孔隙之中的水分称为内在水分，它相对比较稳定，只有在燃料受热时才会释放出来；以结晶水的方式存在于矿物质中的水分称为结晶水。通常所说的燃料的水分不包括结晶水。•水分M(Moisture)水分对燃料的燃烧过程有多方面的影响。燃料受热后，所含水分的蒸发过程需要吸收大量的热量，所以含水量较高的燃料着火比较困难，这是水分的有害的方面；但是，水分的团聚作用可以降低火床燃烧过程的飞灰量，更重要的是，烟气中的水蒸汽可能直接或间接地参与燃烧反应，这是其有利的方面。燃料所含的水分在燃烧过程中以蒸汽状态进入烟气，所以燃料的含水量影响到烟气中水蒸汽的含量，从而影响到烟气的性质，进一步影响到受热面的工作过程，包括辐射传热和对流传热过程，以及受热面的腐蚀和积灰等。•灰分A(Ash)燃料的无机组分中，除了水分之外，就是各种矿物质，它在灼烧之后是各种氧化物的混合物，常见的组分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、V2O5等等，其中SiO2和Al2O3是酸性组分，其余为碱性组分。矿物质基本上是不可燃组分，被视作燃料中的杂质，含矿物质多的燃料常常称为劣质燃料。•灰分A(Ash)燃料中的灰分是指燃料灼烧之后的剩余物，所以严格地讲，灰分和矿物质并不完全是同一个概念，因为燃料的矿物质中的结晶水在灼烧之后可能消失，碳酸盐也可能在灼烧过程中分解，某些矿物质也可能在灼烧过程中升华（比如Na2O、K2O、V2O5等组分在800℃以上即可升华，这些组分通常称作升华灰）。煤的灰分一般采用灼烧失重法来测定，为了尽量减小测定结果与煤中固有矿物质之间的差别，同时为了减小水分和挥发份的析出带走部分样品，所以灰分的测定过程应当严格控制升温速度和灼烧温度，并且保证足够多的灼烧时间以使得残碳完全燃尽。•灰分A(Ash)灰分对锅炉的工作过程有着非常深刻的影响。首先，燃烧过程的几个重要指标，比如着火性能、燃烧速度、燃尽率等等，在很大程度上受到灰分含量和组成的某种限制；其次，灰分还决定着炉膛结渣过程和受热面积灰过程；最后，灰分中的某些组分可能参与受热面的烟气侧腐蚀过程和磨损过程，所以必须要对燃料中的灰分含量和性质给予足够的重视。•灰分A(Ash)燃料中灰分的来源有多种途径。成煤植物中所含的矿物质、成煤过程中地下水和微生物带入的矿物质是煤中固有的，这部分灰分在煤中基本呈现均匀分布，称之为内在灰分；另外，在燃料的开采、加工、运输、存储等环节，可能混入各种杂质，这部分灰分称为外在灰分。一般，燃料的内在灰分的含量比较稳定，而外在灰分的含量会随着外界的条件的不同而波动。燃料的成分表达基准：如上所述，燃料中的有机组分基本是稳定的，但是无机组分的含量则是不稳定的，尤其是外在水分和外在灰分在不同的场合可能会有较大的变化，这就对燃料组分的定量描述带来不确定性，所以在对燃料的组分进行表达时，首先应当明确的就是采用何种基准，也就是说，应当指明样品的制备条件。•收到基指以实际被使用的燃料作为成分基准，又称应用基。燃料的收到基成分是设计计算和运行校核的依据。收到基成分用下标“ar”表示，即：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100(%)其中，Car表示燃料中碳占有的质量份额，它是一个百分数，通常在燃料的成分表示中约定将百分号约去，比如“某燃料Car=58”的含义是：该燃料的收到基碳份为58%，余此类推。•空气干燥基指实验室中以温度为60℃、相对湿度60%的空气对燃料进行风干后制取的样品作为成分基准，又称分析基。燃料的分析基成分可以比收到基更稳定地表示燃料的成分，它基本排除了外在水分的波动对成分表达的影响，常用于在实验室中用于描述燃料。分析基成分，用下标“ad”表示，即：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100(%)•干燥基指以除去所有水分的燃料样品作为成分基准，它完全排除了水分对成分表达的干扰。燃料的干燥基成分常用于表达燃料的灰分含量。干燥基成分用下标“d”表示，即：Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100(%)•无水无烟基指以除去了所有水分和灰分的样品作为成分基准，又称可燃基。无水无灰基以下标“daf”表示，即：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100(%)基准之间的换算：同一种燃料，可以用不同的基准来表达，不同的基准之间可以通过等比关系加以换算。比如，某种燃料的成分用收到基和空气干燥基表达分别为：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100由于两个基准之间的差别仅在于水分，将上面二式移项：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar=100-MarCad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad=100-Mad这二式的左侧具有完全相同的组成，则以等式的右侧为基准时各组分的含量应当相同，所以有：MadCadMarCar100100基准之间的换算：所以，收到基和空气干燥基的碳份之间有如下的换算关系：其它组分之间也有完全相同的关系，所以称为收到基和空气干燥基之间的基间换算系数。使用相同的方法，可以得出任意两个基准之间的换算系数。adMadMararCC100100adMadMararCC100100换算例题：例：已知某种固体燃料，该燃料在实验室中的分析结果为空气干燥基碳分和水分分别为60%和10%;现场取样分析得到该燃料的收到基水分为15%，现欲求取该燃料的收到基碳分。解：通过换算系数有(%)67.561010015100adarCC燃料的发热量的定义：关于燃料发热量的定义有以下一种解释，请大家注意分析其正确性发热量是指单位质量（对于气体燃料，指单位体积）的燃料在完全燃烧之后将燃烧产物冷却到燃烧前的温度所释放出的热量，又称作燃料的热值。它的国际标准单位为“千焦/千克”（kJ/kg），对于气体燃料为“千焦/标米立方”（kJ/Nm3）。燃料的发热量是燃料最重要的经济性指标。1.2.煤的燃烧特性燃料的发热量的定义：上述发热量的定义很不严密，至少可以有三种不同的解释：1、没有指定燃烧过程的条件：如果燃烧过程是定容过程，对应的发热量称作恒容发热量；如果燃烧过程是定压过程，对应的发热量称为恒压发热量；2、未说明燃烧产物中水的状态：根据燃烧产物中水的状态，又可以将发热量分为高位发热量（又称为毛热值）和低位发热量（又称为净热值），前者指烟气被冷却到燃烧前的温度时，其中的水分以液态的方式存在，后者指水分以水蒸气的方式存在，二者之间相差烟气中所含的水蒸汽的凝结潜热；3、燃料的发热量还应当指明所用的样品的基准。燃料的发热量的定义：所以表示燃料的发热量时，一定要指明燃烧过程特征、燃料的基准和燃烧产物中水的状态这三个条件，符号表达中将这三个条件以下标的方式注明，例如：Qnet,p,ar——表示燃料的收到基恒压低位发热量；Qgross,v,ad——表示燃料的空气干燥基恒容高位发热量。使用氧弹量热计对燃料进行发热量测定，得到的是燃料的空气干燥基恒容高位发热量。我国的国家标准规定：热工计算涉及燃料的热值时，以收到基恒容低位发热量为准。同位之间的发热量换算：根据定义可知，同位异基之间的发热量的换算可以直接使用基间换算系数。同基之间的发热量换算：根据定义，同基之间高位发热量和低位发热量之差等于烟气中所含水分的凝结潜热。燃料燃烧生成的烟气中的水分有两个来源：燃料中的氢元素生成的水分和燃料中的水分蒸发生成的水分。由于每千克氢生成9千克水，所以每千克燃料生成的烟气中，所含水分的质量为：千克则有)9(100100MH)9r(Qnet-Qgross100100MH式中，r为水蒸气的凝结比潜热，它的大小取决于燃烧产物的压力。我国的标准规定，热值换算时，统一取r=2512kJ/kg。异基异位之间的发热量换算：这种换算可以分两步进行：先进行同基异位之间的换算，再进行同位异基之间的换算。异位同基换算关系：)/(226)/(226)/(25226,,,,,,,,,,,,kgkJHQQkgkJHQQkgkJMHQQdafdafvnetdafvgraddvnetdvgradadadvnetadvgr对于高位发热量来说，水分只是占据了质量的已定份儿而使发热量降低；对于低位发热量，水分不仅占据了质量的一定份额，而且还要吸收汽化潜热。因此高位异基可利用表2-1进行换算。对于低位发热量则不然，必须要考虑烟气中全部水蒸汽的汽化潜热，低位异基利用表2-2进行换算。aradaradadvnetarvnetadaradadadvnetarararvnetMMMMQQMMMHQMHQ25100100)25(100100)25226(25225,,,,,,,,adaradv