教学章节燃料及燃烧_燃料及燃烧基本理论

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教学章节：第二章 2.1 燃料的特性 教学内容：燃烧特性

教学要求：

1、了解燃烧的化学组成及其成分换算；

2、掌握燃料的发热量；

重点难点：掌握燃烧的原理和成分换算、发热量的计算 教学过程（板书设计）： 1．燃料的定义

凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能有效地被利用在工业或其他方面的物质，统称为燃料。

有效地被利用：在技术上是可能的，在经济上是合理的。2．对燃料的要求

（1）在当前技术条件下，燃料燃烧时所放出的热量能有效地加以利用。（2）燃烧生成物呈气体状态，燃烧后的热量绝大部分含于其气体生成物之中。

（3）燃烧产物（烟气）对熔炼（加热）设备不起破坏作用，无毒、无腐蚀作用。

（4）燃烧过程易于控制。（5）资源丰富，便于开采。有机物为主要组成的物质：

1）C、H热效应高，产物呈气态（CO2、H2O、…）；

2）CO2、H2O浓度不太大，一般无害；

3）资源丰富。3．燃料的种类

（1）按物态分：

固体燃料 煤、焦炭、粉煤… 液体燃料 汽油、煤油、重油、焦油… 气体燃料 天然气、高炉煤气、焦炉煤气…

（2）按来源分：

天然燃料 煤、石油…

人造燃料 焦炭、重油、高炉煤气…

为了保证产品产量、质量、降低燃耗、提高炉子寿命、防止环境污染，必须：

熟悉各种燃料的性质、燃料机理和燃烧计算，会正确选择燃料，并能合理组织燃烧过程

4、燃料的特性包括

1、燃料的化学组成2、燃料的发热能力

2.1.1 燃料的化学组成及其成分换算

（1）固(液）体燃料的基本组成组成物：呈各种化合物形式存在的有机物质，组成元素有C、H、O、N、S，由SiO2、Al2O3、Fe2Ο

3、CaO、MgO、Na2O等矿物杂质组成的灰分A，一部分水分W。

CHS可燃组成ONAW

不可燃组成CH有益组成 SONAW有害组成

成分分析方法：

工业分析法：测定燃料中的水分W、灰分A、挥发分产率V及固定碳F的含量及性质，作为评价燃料的指标。测定使用组成元素分析法：测定燃料中C、H、O、N、S的质量百分含量，不能说明燃料由那些化合物组成以及这些化合物的形式，只能进行燃料的近似评价。燃料燃烧计算的重要原始数据 成分表示方法及成分换算：

质量分数 表示根据需要共有四种表示方法，即供用成分、干燥成分、可燃成分、有机成分。

① 供用成分

w(C)y+ w(H)y+ w(O)y＋w(N)y＋w(S)y＋w(A)y+ w(W)y =100% 实际应用，不稳定。

wX或wX%② 干燥成分

w(C)g+ w(H)g+ w(O)g＋w(N)g＋w(S)g＋w(A)g=100% 比较稳定 w(C)r+ w(H)r+ w(O)r＋w(N)r＋w(S)r=100% ③ 有机成分

w(C)o+ w(H)o+ w(O)o＋w(N)o =100% 换算原理：燃料中各成分在任何一种表示方法中，其质量相等。例如对碳而言

yyyw(C)y100w(C)g(100w(W)%)w(C)r(100w(W)%w(A)%)

换算系数 表

热工计算时：采用供用成分

元素分析法：w(C)r w(H)r w(O)r w(N)r w(S)r 工业分析法：w(W)y w(A)g

y100w(W)%w(C)w(C)100ygyy100(w(W)%w(A)%)w(C)w(C)100yr干燥成分(g)→供用成分(y)可燃成分(r)→供用成分(y)

y100w(W)%w(A)w(A)100yg（2）气体燃料的基本组成 组成物：简称煤气，它气体组成的混合物。

yy100(w(W)%w(A)%)是由各种简单

w(C)w(C)100yryy100(w(W)%w(A)%)w(H)w(H)100yrCOH2CH4CnHmH2SCO2SO2N2O2H2O可燃组成不可燃组成COH2CH4CnHm有益组成HSCO2SO2N2O2H2O2

有害组成

煤气质量好

CO引起中毒、CH4导致窒息、H2易爆，注意安全！！成分分析方法：吸收法 分析前先将水分吸收掉，故分析结果表示燃料的干成分。实用煤气中总含有一定量水分，称为湿成分。

ggH2O查附表16 水分单独测定，用一标准立方米干煤气中所含水分的质量来表示，符号为成分表示方法及成分换算 体积分数表示有干成分和湿成分之分，湿成分即供用成分

X或X%(CO)y(H2)y(CH4)y(CnHm)y(H2S)y(SO2)y(O2)y(N2)y(H2O)y100%干成分

(CO)g(H2)g(CH4)g(CnHm)g(H2S)g(SO2)g(O2)g(N2)g100%换算：在标准状态下，lkg水蒸气的体积为

22.418=1.24 m3/kg lm3干煤气中水的含量为 g，则100m3干煤气所含水蒸气的体积为ggH2O100100030.124ggH2Om

ggH2O

湿煤气总体积为100＋0.124 m3

换算原理：燃料中各成分在任何一种表示方法中，其质量相等。2.1.2 燃料的发热量 1．发热量的定义

g单位质量或单位体积燃料完gH2O全燃烧时所放出的热量。用Q表示，单位为kJ/kg或kJ/m3。

燃料的发热量与燃烧产物的状态和温度有关。（1）高发热量QGw 燃烧产物温度→冷却到燃烧反应物的初始温度(20℃）→燃烧产物中的水蒸气→冷凝为0℃的水

实验室内鉴定燃料的指标（2）低发热量QDw 燃烧产物温度 →冷却到20℃的蒸气状态 工程上，燃料的发热量是指QDw 20℃的水蒸气 →20℃的水 →0℃的水

QGwQDw2517yyyykJ/kg(水)

kJ/kg

yyQGwQDw25.17(w(W)%9w(H)%)2．发热量的计算（1）气体燃料

各简单可燃气体的发热量之和，即

Qnet（2）固（液）体燃料

Qii1nDWi kJ/m3 Qnet,ar33900ar(C)103000ar(H)10900[ar(O)ar(S)]2500Mar(kJ/kg)

（3）混合煤气

yQDwxQ1y(1x)Q2 kJ/m3

y3．标准燃料

为了评价燃料的发热能力，国家规定发热量29.27×103kJ/kg的燃料。

QDw/29.27103热当量发热能力y

1．气体燃料

天然气 高炉煤气 焦炉煤气 发生炉煤气 CH4 炼铁副产品 炼焦副产品 煤气化 2．液体燃料

重油 CnHm 热值高 1.358-1.429 3．固体燃料

煤 年龄，水分、挥发分，固定碳，热值，强度

泥煤 褐煤 烟煤（0.929-1.072）

无烟煤(1.115-1.143)焦炭 0.908-0.936 高炉炼铁 煤粉：高炉喷吹 教学章节：第二章 燃烧计算 教学内容：燃料的相关计算

教学要求：

1、掌握气体燃料燃烧过程的三个阶段及关键性

阶段，有焰燃烧、无焰燃烧的特点。

2、掌握气体燃料燃烧，（L0LnV0Vn成分0）的计算。

LnV0Vn成分0）的计算。

3、掌握固、液体燃料燃烧，（L0重点难点：燃料燃烧（L0响分析。

教学过程（板书设计）： 2.2.1 概述

1、气体燃料的燃烧

4、掌握n对热工过程的影响及一般选择原则

LnV0Vn成分0）的计算。n对热工过程的影 燃烧过程：煤气与空气的混合、混合物的加热及着火、完成燃烧反应三个阶段。关键性阶段，影响燃烧速度。

燃烧方法：有焰燃烧及无焰燃烧

有焰燃烧：煤气与空气在燃烧器（简称烧嘴）中不先预混合，或只有部分混合，从燃烧器喷射进热设备后，边混合边燃烧的燃烧方法，即混合与燃烧同时进行，形成一个明显的火焰。

特点： 火焰长，炉内温度分布均匀；燃烧空间的热强度低。

无焰燃烧：煤气与空气在进入热设备前预先进行了充分混合，因此燃烧速度快，火焰很短，甚至看不到火焰。

特点：燃烧空间的热强度高；火焰短，炉内温度分布不均匀。

2、液体燃料的燃烧

燃烧过程：油的雾化、油雾与空气的混合、混合物的预热分解、着火燃烧、完成燃烧反应。

雾化方式：雾化剂雾化和机械雾化

雾化剂雾化：用空气或高压蒸汽作雾化剂。机械雾化： 高压重油自小孔喷入气体空间（旋转）

3、固体燃料的燃烧

燃烧过程： 准备（干燥、预热、挥发分逸出、C形成）、燃烧（挥发分燃烧、固定碳燃烧）、燃尽（灰分烧成灰渣）

关键性阶段，影响燃烧速度。

块煤： 层状燃烧 粉煤：悬浮燃烧 2.2.2 燃烧计算 假设：

（1）气体的体积以标准状态（0℃，latm)计算，22.4m3/kmol；（2）元素的分子量均以近似值计算，如氢的分子量取2；（3）不考虑热分解产物，只计算燃烧反应产物；（4）不考虑空气中的稀有气体及水蒸气（3）干空气：

(O2)21% (N2)79%

(N2)(N2)3.7623.762

(O2)(O2)湿空气：水分含量按空气温度下的饱和水蒸汽含量

计算。（5）完全燃烧条件

依据：燃烧的化学反应方程式。

已知：（1）燃料的种类和组成（湿成分、供用成分）（2）空气消耗系数n（3）空气、煤气的预热温度

燃料成分表示方法不同，计算方法也不同。2.2.1 气体燃料的燃烧计算

可燃组成及其燃烧反应方程式列表4-4 P211 反应物与生成物之间的体积比：

CO+

1O2=CO2 21 ：1 21 ：1．空气消耗量 理论空气消耗量 L04.76211m3yyyyyy(CO)(H)2(CH)(n)(CH)(HS)(O)%2%4%nm%2%2%1002422为了保证完全燃烧

LnL0实际空气消耗量 m3/m3 LnnL0式中：n—空气消耗系数，取决于燃料种类、燃烧设备、炉内气氛要求，经验选定。

2．燃烧产物量

yyyV0[(CO)%(H2)%3(CH4)%(nyy(SO2)%(H2O)%]myyyy)(CnHm)%(CO2)%2(H2S)%(N2)%2179L0100100理论燃烧产物量

实际燃烧产物量 VnV0(n1)L0 m3/m3 3．燃烧产物成分

燃烧产物中各种组成物所占的体积百分数。

yyyy((CO)%(CH4)%n(CnHm)%(CO2)%)/100(CO2)100%100%VnVnmyyyyy((H)2(CH)(CH)(HS)(HO))/1002%4%nm%2%2%VH2o2(H2O)100%100%VnVnyy((H2S)%(SO2)%)/100(SO2)100%100%VnVnyVN2(N2)%/1000.79Ln(N2)100%100%VnVnVO20.21(n1)L0(O2)100%100%VnVnVCO2VSO2实际空气消耗量下： 4．燃烧产物密度

单位体积燃烧产物的质量，kg/m3 已知燃烧产物成分时，密度即为各成分质量之和除以总体积Vn。各成分质量，如CO2之质量为 VCO244441(CO2)%Vn22.422.4100 g湿空气 Lw(10.00124gnH2O)Lnm3/m

3ρ44(CO2)%18(H2O)%64(SO2)%28(N2)%32(O2)%022.4100 VwnVn0.00124ggH2OLn

式中 —1m3干空气的饱和水蒸汽量，g/m3 2.3.2 固、液体燃料的燃烧计算

可燃组成及其燃烧反应方程式列表4-5 P214 反应物与生成物之间的摩尔比：

C + O2 = CO2 1 ： 1 ： 1

w(C)yw(C)yw(C)y12121．空气消耗量 理论空气消耗量

yyL4.76222.4w(C)y)y%%w(S)%w(O)%0w(H1001243232 m3/kg 

实际空气消耗量 LnnL30 m/kg 2．燃烧产物量 理论燃烧产物量

yyyyyV%%%%%022.4100w(C)w(H)w(S)w(N)w(W)1223228180.79L0实际燃烧产物量 V3nV0(n1)L0 m/kg 3．燃烧产物成分 式（4-26）P215 4．燃烧产物密度

m3/kg ρ044(CO2)%18(H2O)%64(SO2)%28(N2)%32(O2)%22.4100

3m/kg

2.3.3 空气消耗系数

n是控制燃烧n

1．影响n的因素（1）燃料的种类

气体燃料

燃烧前的加工、粉碎或雾化程度。质量n（3）燃烧设备的构造

影响燃料与空气的混合。2．n对热工过程的影响

（1）VnLnL0过程的一个重要参数。

Ln燃料一定，n Ln（2）燃烧温度

n n

供风系统（鼓风机）排烟系统（烟囱）

V Ln 温度

n 不完全燃烧 温度

（3）燃烧产物成分

n(N2)(O2)(CO2)(H2O)gEg

（4）热损失

n Ln 热损失（5）燃料利用系数

n Ln热损失  燃料利用系数 

n不完全燃烧 燃料利用系数 燃料浪费

n值过大过小都不利，一般选择原则是：在保证最大 程度完全燃烧的前提下，n越小越好。3．n的计算 设计时 经验选取

生产时 依据燃烧产物成分的分析来计算，以求

在操作过程中调节空气量达到最佳n值。燃烧过程最佳控制 nn最佳 计算原理：物质平衡 氧平衡 氮平衡 教学章节：2.3 燃烧温度的计算

教学内容：1．掌握燃烧温度的定义及表示方法。

2．会计算理论燃烧温度和实际燃烧温度。

3．掌握影响燃烧温度的因素及提高燃烧温度的措施。

重点难点：影响燃烧温度的因素。

理论燃烧温度的计算。教学过程（板书设计）： 1．燃烧温度的概念

冶金炉多在高温下工作，炉内温度的高低是保证炉子工作的重要条件。取决于燃烧温度（燃烧产物所能达到的最高温度）与燃料的种类、成分、燃烧条件和传热条件等有关。热收入与热支出的平衡关系：

收入>支出 温度

收入

收入=支出 稳定

（1）热平衡（1kg或1m3燃料）

热收入1）燃料燃烧的化学热QDw 种类、成分

2）空气预热带入的物理热Qa Qa=Lacata 3）煤气预热带入的物理热Qf Qf= cf tf 热支出1）燃烧产物的热含量Qcp Qcp=Vnccptcp 2）燃烧产物传给周围物体的热量Qt·c 包括传

给被加热物体的热及传给炉壁等而散失的热。

3）不完全燃烧热损失Qi 包括化学不完全燃

烧和 机械不完全燃烧

4）高温下燃烧产物（CO2 H2O）热分解所

吸收的热量Qt·d 热平衡方程式：

QDw＋Qa＋Qf=Vnccptcp+Qt·c+Qi＋Qt·d 则

tcp—实际燃烧条件下燃烧产物温度，也称实际燃烧温度。不能用此式直接计算

tcpQDwQaQfQtcQiQtdVnCcptcp，因 ccpQtcQtd与tcp有关。

2．燃烧温度的表示方法（1）绝热燃烧温度tK

绝热理论燃烧温度、燃料的发热度。无热损失

tQDwQaQfK

VnCcp理想化概念，用于分析有用能。（2）量热计式温度tc 燃料发热量 tcQDwVnCcp评价燃料质量（3）理论燃烧温度tth 绝热平衡燃烧温度。

理想条件下：不向外散热 Qtc0

完全燃烧 Qi0

tQfQtdthQDwQaV

nCcp燃料燃烧过程的指标。（4）实际燃烧温度

式中 η—炉温系数，决定于炉子类型，其经验值可查表4-9。理论tth>实际tr>炉子温度 3．燃烧温度的计算（1）理论燃烧温度的计算

简化计算：当温度

tQDwLncatacftfthVnCcp

令 icp=Ccptth

Qtd0 则 icpQDwLnCatacftfiliaifVnVnVn图解法icp燃烧产物中过剩空气的百分含量 VLLnL0100%Vn查i-t图 tthtrP224 计算tr>要求炉温，满足生产需要。否则，选择

ttaf QDw燃料、n（2）绝热燃烧温度tK的计算

试算法：1）计算icp

2）假设t1及t2，据燃烧产物成分计算i1及i2 i1 icp i2 t1 tk=? t2 3）内差法)影响燃烧温度的因素

QDwLncatacftfQtcQiQtd tcpVnCcp（1）燃料的发热量

综合影响

QDW tcp高温炉，选择发热量高的优质燃料。

（2）空气、煤气的预热

tftcp低热值煤气，利用烟气余热。

（3）空气消耗系数

nVntcp

n不完全燃烧 Qitcp

一般选择原则是：在保证最大程度完全燃烧的前提下，n越小越好。（4）燃烧过程的热损失

Qtctcp隔热保温（5）富氧鼓风

在助燃空气中加入氧气，Vn（产物中(N2)）tcp28-30%