第一篇燃烧工程概论

路面沥青改性相变储能材料废旧轮胎的再生及利用甲烷催化部分氧化催化剂制备、表征及评价从事的研究方向为什么要学习燃料与燃烧学从日常生活到工业交通及空间技术，都要涉及到如何以燃料作为能量来源及合理组织燃烧过程的问题燃料燃烧学是工业热工及利用专业的一门专业基础课，是工业炉热工工作者必须掌握的基本知识学什么燃料燃烧的本质燃烧理论与燃烧技术燃烧学的研究方法怎么学读通多读多思燃料概论着重介绍各种工业燃料的使用性能燃烧反应计算着重介绍工业炉燃烧计算方法燃烧基本原理主要介绍与工业炉燃烧过程有关的各种基本概念和基本理论燃烧技术主要介绍气体、液体和固体燃料的燃烧方法和燃烧装置课程概要燃烧学及其内容燃烧学是研究燃烧过程基本规律及其应用技术的科学燃烧学的内容包括燃烧理论和燃烧技术燃料与燃烧学要解决的问题如何以燃料作为能量来源如何合理组织燃烧过程燃料燃烧的本质及影响因素本质：物质间的一种能量转换过程，即燃料的内能转换成热能的过程影响因素：•反应物质的浓度及温度分布•燃料与空气的混合过程•燃烧空间气体动力场的结构燃料的燃烧过程物理化学过程•燃料与氧化剂之间的剧烈氧化反应•气体的运动、分子扩散及热量传递等物理过程物理化学现象的综合，两者互相联系又互相制约燃烧理论着重研究燃烧过程所包括的各个基本现象解释燃烧现象所运用的理论燃烧理论是工业炉领域中着重研究的重要课题燃烧理论的作用燃烧过程所包括的基本现象预混可燃气体的着火和熄灭火焰的传播机理火焰的结构单一油滴和炭粒的燃烧燃烧反应机理解释燃烧现象所依据的理论化学传热传质学流体力学由简及繁地说明各种燃烧现象的物理化学本质在工业炉领域燃烧理论着重研究的重要课题各类燃料的燃烧速度燃烧稳定性火焰的流场和结构火焰辐射燃烧声响燃烧污染物生成机理燃烧过程数学模型的建立燃烧理论的作用为各类燃烧过程的基本现象建立和提供一般性的物理概念从物理本质上对各种影响因素作出定性分析为实验研究和数据处理指出合理的方向燃烧技术把燃烧理论中所阐明的物理概念和基本规律与实际工程中的燃烧问题联系起来•对现有的燃烧方法进行分析和改进•对新的燃烧方法进行探索和实验•不断提高燃料利用率和燃烧设备的技术水平在不同的领域里，对燃烧技术有不同的要求现代化大型工业炉对燃烧技术的要求•降低能源消耗•节约燃料资源当前工业炉燃烧技术亟待的主要问题针对不同燃料的燃烧特性提出合理的燃烧方法根据生产工艺的具体要求研究并设计特殊性能的新型燃烧装置研究高效节能型燃烧装置研究低噪音、低污染的燃烧技术为实现工业炉的计算机控制提供燃烧过程的数据模型当前解决燃烧技术问题的主要手段运用正确的物理概念对燃烧现象作出合理的正确的解释通过实验获得燃烧反应物和产物之间的定量关系和结论学习本课程的意义及内容安排掌握燃料燃烧的基本原理和基本知识内容安排•燃料概论•燃烧反应计算•燃烧基本原理•燃烧技术第一篇燃料概论学习本篇的目的及内容通过介绍各种燃料的特点和使用性能，以便有效地使用燃料和掌握生产工艺对燃料的技术要求固体燃料液体燃料气体燃料第一章固体燃料固体燃料天然固体燃料的分类•木质燃料•矿物质燃料矿物质燃料－煤的作用•现代工业热能的主要来源•随着科学技术的发展，将更多地应用于化学工业，进行综合利用。煤煤的种类煤的化学组成及表示方法煤的使用性能煤的种类煤的来源•根据生物学、地质学和化学方面的判断，煤是由古代植物变来的，中间经过了极其复杂的变化过程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•无烟煤泥煤泥煤是最年轻的煤，由植物刚刚变来在结构上•尚保留着植物遗体的痕迹•质地疏松、吸水性强、含天然水分高达40％以上•风干后的堆积密度为300~450Kg/m3在化学成分上•含氧量最多，高达28％~38％•含碳较少在使用性能上•挥发分高、可燃性好、反应性强、含硫量低•机械性能很差、不适于远途运输，只可作为地方性燃料在工业上•用来烧锅炉或作气化原料•生产焦炭褐煤泥煤经进一步变化所得，因能使热碱水染成褐色而得名已完成植物遗体的炭化过程在结构上：与泥煤相比，密度较大，堆积密度为700~800Kg/m3在化学组成上：含碳量较高，氢和氧的含量较小，挥发分产率较低在使用性能上：粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强新开采出来的褐煤机械强度较大，但在空气中极易风化和破碎，因而不适于远地运输和长期储存烟煤是一种炭化程度较高的煤与褐煤相比：•在结构上，挥发分较少，密度较大，吸水性较小•在化学组成上，含碳量增加，氢和氧的含量减少烟煤的最大特点：具有粘结性，这是其他固体燃料所不具备的，因此成为炼焦的主要原料•不是所有的烟煤都具有同样的粘结性•也不是所有具有粘结性的煤都适于炼焦•根据粘结性的强弱及挥发分产率的大小，烟煤又分为长焰煤、气煤、肥煤、结焦煤及瘦煤等不同品种冶金工业和动力工业不可缺少的燃料，也是近代化学工业的重要原料无烟煤矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤结构特点：密度大，含碳量高，挥发分极少，组织致密而坚硬，吸水性小，适于长途运输和长期储存。优点：发热量大、灰分少，含硫量低，而且分布较广。主要不足：受热时容易爆裂成碎片，可燃性较差，不易着火。煤的化学组成各种煤都是由某些结构及其复杂的有机化合物组成的根据元素分析值，煤的主要元素是碳，其次是氢，并含有少量的氧、氮、硫，它们与碳、氢一起构成可燃化合物，称为煤的可燃质除此之外，在煤中还或多或少地含有一些不可燃的矿物质灰分（A）和水分（W），称为煤的惰性质碳（C）煤的主要可燃元素，煤的炭化程度越高，含碳量就越大氢（H）煤的主要可燃元素，但含量比碳小得多；并且随着煤炭化程度的加深，含氢量先增加后减少，在含碳量为85％时达到最大值；氢在煤中有两种存在形式：•可燃氢（有效氢）•化合氢•在计算煤的发热量和理论空气需要量时，氢的含量以有效氢为准元素组成氧（O）煤中的一种有害物质，随着炭化程度的加深，含氧量逐渐减少氮（N）一般情况下不参加燃烧反应，是燃料中的惰性元素，但在高温下能与氧结合生成对环境有害的气体NOx硫在煤中有三种存在形式：•有机硫：来自母体植物，与煤成化合状态，均匀分布•黄铁矿硫：与铁结合在一起，形成FeS2•硫酸盐硫：以各种硫酸盐的形式存在于煤的矿物杂质中有机硫和黄铁矿硫都能参加燃烧反应，因而总称为可燃硫或挥发硫，而硫酸盐硫则不能进行燃烧反应硫（S）硫在燃料中是一种极为有害的物质•硫燃烧后生成二氧化硫和三氧化硫，危害人体健康和造成大气污染•在加热炉中造成金属的氧化和脱碳•在锅炉中引起锅炉换热面的腐蚀•在焦炭中的硫影响生铁和钢的质量灰分（A）煤中所含的矿物杂质（主要是碳酸盐、粘土矿物质及微量稀土元素等）在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成一些固体残留物灰分是由多种化合物组成的，没有固定的熔点，只能以灰分试样软化到一定程度时的温度作为灰分的熔点；灰分的熔点与灰分的组成及炉内的气氛有关，其熔点一般在1000~1500℃之间灰分（A）煤中的灰分是一种有害成分•直接关系到冶金焦炭的灰分含量从而影响高炉冶炼的技术经济指标•对烧煤工业炉而言，灰分含量高的煤不仅降低了煤的发热量，而且容易造成不完全燃烧并给设备维护和操作带来困难；另外，灰分熔点太低时，灰分容易结渣，有碍于空气流通和气流的均匀分布，使燃烧过程遭到破坏。•对炼焦用煤来说，一般规定入炉前灰分含量不应超过10％水分（W）水分:燃料中的有害成分•降低了燃料的可燃质•在燃烧时消耗热量固体燃料中的水分包括两部分•外部水分•内部水分外部水分（湿分或机械附着水）•不被燃料吸收而是机械地附着在燃料表面上的水分•含量大小与大气湿度和外界条件有关•通过粉碎并在大气中自然干燥到风干状态即可除掉内部水分•达到风干状态后燃料中所残留的水分•包括被燃料吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物杂质中的矿物结晶水•只有在高温分解时才能除掉成分表示方法及其换算固体燃料的成分通常用各组分的质量百分数来表示•应用成分•干燥成分•可燃组分应用基：各种煤都是由C、H、O、N、S、A、W等七种成分组成，包括全部组分在内的成分，习惯上把它叫做应用基应用成分：各种组分在应用基中的质量百分数叫做燃料的应用成分干燥成分：以不含水分的干燥基中各组分的百分含量来表示燃料的化学组成可燃组分：只用C、H、O、N、S五种元素在可燃基中的百分含量来表示燃料的成分煤的使用性能和分类为了合理地利用煤资源、正确地制定煤利用的工艺技术方案和操作制度，除了了解煤的化学组成外，还必须了解它的使用性能•煤的工业分析值•煤的发热量•比热、导热系数•粘结性及结焦性•耐热性•反应性和可燃性煤的工业分析值煤的工业分析内容•测定水分、灰分、挥发分和固定碳的百分含量•煤在干馏过程中，随着温度的升高所发生的一系列变化挥发分（V）：在干馏过程中，除部分水分外，逸出的全部气体。主要包括煤的矿物结晶水、挥发性成分及热分解产物等。包括CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2以及一部分热解水和矿物结晶水。挥发分逸出后所剩下的固体残留物叫做焦块，其中的碳素称为煤的固定碳固定碳％＝100％－（A％＋W％＋V％）挥发分和固定碳的含量与炭化程度有关，随着炭化程度的提高，挥发分的含量逐渐减少，固定碳不断增多。根据国家标准，煤的工业分析是将一定质量的煤加热到110℃，使其水分蒸发，以测出水分的含量再在隔绝空气的条件下加热到850℃，并测出挥发分的含量最后通以空气使固定碳全部燃烧，以测出灰分和固定碳的含量煤的工业分析方法挥发分多的煤，干馏时可以得到较多的煤气和焦油，燃烧时火焰较长。固定碳多的煤，干馏时焦炭的收率高。因此，煤的工业分析值是确定煤的用途和制定工艺制度时不可缺少的原始依据。煤的发热量发热量：工程计算中规定，1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热计算发热量的意义：是评价燃料质量的一个重要指标，也是计算燃烧温度和燃料消耗量不可缺少的依据发热量的表示方法•高发热量Q高：燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成0℃的水时所放出的热量•低发热量Q低：燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20℃时所放出的热量煤的发热量计算：利用氧弹式量热计直接计算，也可以根据下面的方式计算•根据工业分析值计算•根据元素分析值计算煤的发热量和炭化程度有关•随着炭化程度的提高，发热量不断增大•当含碳量达到87％左右时，发热量达到最大值，以后开始下降比热和导热系数煤在室温条件下的比热为0.84~1.67kJ/(kg•℃),随着炭化程度的提高而变小，实验发现，煤的比热与水分和灰分成线性关系煤的导热系数一般为0.232~0.348W/(m•℃),随着炭化程度及温度的升高而增大。粘结性与结焦性粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质结焦性：在工业炼焦条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦的性质粘结性和结焦性是两个不同的概念，但两者在本质上也有相同之处，通常粘结性好的煤的结焦性也较强了解粘结性与结焦性的意义•可以使我们知道某种煤是否适于炼焦煤的粘结性和结焦性对于煤的气化和燃烧性能有很大影响•具有强粘结性的煤在气化和燃烧时由于煤的粘结，容易结成大块，严重影响气流的均匀分布。煤粘结性的测定方法以坩埚法最为普遍•在实验条件下用坩埚法测定挥发分产率之后，对所形成的焦块进行观察，根据焦块的外形分为七个等级，称为粘结序数，以此来评定粘结性的强弱。煤的耐热性指煤在加热时是否易于破碎耐热性的强弱能直接影响煤的燃烧和气化效果耐热性差的煤（无烟煤和褐煤），气化和燃烧时容易破碎成碎片，防碍气体在炉内的正常流通，并容易发生烧穿现象，使气化过程变坏。•无烟煤耐热性低的原因主要是因为其结构致密，加热时因内外温差而引起膨胀不均，造成了煤的破裂，但经过热处理后，可以改善其耐热性。•褐煤的耐热性差，主要是因为内部水分大量蒸发所