第二章 燃料及燃料燃烧计算
2-1 燃料的成分及其主要特
性
2-2 燃料燃烧计算 2-3 烟气分析方法 2-4 空气和烟气焓的计算
2-1 燃料的成分及其主要特性
燃料总类 核能燃料—可控核裂变与和聚变 有机燃料—以各种形式在自然界存在的碳氢化合物 一、煤的成分及分析基准 可燃成分和不可燃成分组成的复杂组合物，结构非常复杂。 各组成元素并不单独游离存在，而是以复杂的化合物存在， 成分十分不均匀。 煤的化学分析（元素分析）成分分为： C，H，O，N，S，A(ash)，M(moisture)
灰的熔融特性 炉膛内温度很高，煤中灰颗粒一般呈熔化或软化状态， 对锅炉工作影响极大。 对锅炉的主要危害是造成锅炉受热面结渣，传热恶化， 掉渣灭火或事故。 灰分成分不同，发生熔化的温度也不同。 高熔点成分+低熔点成分，无固定的熔点， 灰分的组成： SiO2、Al2O3、各种氧化铁、 CaO、MgO、 K2O、Na2O 等，不是单一物质，无固定熔点，采用角锥 法测定特征温度 将灰制成特定形状的灰堆，加热升温 1300 ℃以上，采用 三个特征温度来表示灰的熔融特性。 变形温度DT，软化温度ST，流动温度FT 灰的熔融特性判别 长渣，短渣
可燃成分—C，H，部分S 不可燃成分—N，水分，灰分
C： 最主要的可燃质，煤是富含碳的燃料 一般含量：20%~70% 碳含量取决于碳富集程度，炭化及年龄。 燃烧产物主要是CO2 碳的发热量：7800 kcal/kg，4.182×7800 kJ/kg 关于热量单位： kcal（工程），kJ（国际）， BTU（英制）…
焦结性对层燃炉燃烧过程的影响 1）粉状焦炭——堆积紧密，妨碍空气流动 ① 烟气流速过大，易被气流携带，形成火床火口； ② 烟气流速过小，燃烧通风不畅，易从通风孔隙中漏入 灰坑 2）强焦结性煤——挥发分逸出后，焦炭呈熔融状态，粘 结成片 ① 内部固定碳难于空气接触而燃尽； ② 燃烧层通风不畅
煤的成分分析基准及其换算 用各个成分的质量百分数来表示; 水分和灰分所占质量较大，且随外界条件有较大的波动; 采用四种不同的“基”准的质量成分表示: 1.收到基ar； 2.空气干燥基ad； 3.干燥基d； 4.干燥无灰基daf.
3. 干燥基d； 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百 分数总和 干基中各成分不受水分变化的影响 Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% 4. 干燥无灰基daf； 表示在不含水分和灰分的条件下，干燥无灰燃料各组成 成分的质量百分数总和， 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分，各成分不受水分 和灰分变化的影响， 煤炭交易。 Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%
2） 在烟气露点时，水蒸气与 SO2、SO3 生成亚硫酸和硫 酸，造成低温腐蚀；
3） M Vy Vpy q2
挥发份： 失去水分的煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度时， 煤分解逸出的部分可燃质和矿物质。 主要成分是CO、CO2、CmHn、H2等。 收到基挥发份含量在5%~40%之间。 挥发份的测定
水分(Water、Moisture)： 燃料中的主要杂质，约占5~60%。 内部水分（固有水分）105~110 ℃ 外部水分（表面水分）45~50 ℃ 化合水分（结晶水）灰分的一部分 —瓷土Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２．２Ｈ２Ｏ 1） 水分进入炉内吸热汽化成水蒸气，对燃烧不利；
M Qdw l
水分来自：①H与氧的反应；②燃料中的含水量Mar 4．各成分分析的高、低位发热量间的关系 5．发热量的测定：采用氧弹测热仪
6．发热量的计算
标准煤 单纯以燃煤量的多少来比较不同锅炉的经济性不妥，须 折算到统一标准， 标 准 煤 的 概 念 ， 规 定 低 位 发 热 量 为 7000kcal/kg （或 者 kJ/kg，MJ/kg）的煤为标准煤， 将发热量不是7000 kcal/kg的煤统一折算到7000 kcal/kg来 进行比较。 用于计算和比较标准煤耗等
N： 氮是一种不利的元素，在高温环境下，与氧形成氮氧化 物，对环境危害极大。 煤中氮的含量~1%。
S: 部分S属于可燃质， 发热量仅2160 kcal/kg， 对锅炉设备及环境的危害很大， 硫的含量0.2~5%，甚至更高，超过2%，既为高硫煤。
有机硫 全硫St 硫铁矿中硫S p 无机硫 硫酸盐中硫S s
H： 发热量很高，达28600 kcal/kg，极易燃烧， 煤中含量很少，仅为2%~5%， 液体燃料中可达到14%， 天然气中最多。 O： 1.氧不可燃，且不助燃，氧不以游离状态存在于煤中，与 煤中的氢和碳组成化合物，占据部分可燃质，使煤发热 量降低。 2.氧的含量1~15%，木柴中的氧含量达到20%~25%。
1.收到基ar； 表示燃料中全部成分的质量百分数总和 是锅炉燃料燃烧计算的原始依据。 Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% 2.空气干燥基ad； 表示在不含外在水分的条件下，燃料各组成成分的质量 百分数总和， 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。
Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%
灰分（Ash）： 煤中不可燃矿物杂质，成分十分复杂，大多数煤的灰分 含量7%~40%。
A 可燃物减少，Qdw ，着火困难，灰渣量增加，运行 1） 操作繁重；
D 2） A 且ST ，炉内易结பைடு நூலகம்，使受热面传热恶化，
wy 对流受热面磨损严重 3）A ，烟气流速wy wy 对流受热面积灰、堵灰，传热系数K , D
气体燃料的主要成分 1）天然气 甲烷约占 80~98%，其次是烷属重碳氧化合物和 H2S， 还含有少量N2、CO2、H2O和矿物杂质，发热量很高， Qdw = 33490~37680kJ/Nm3。 2）高炉煤气 是 炼 铁 的 副 产 品 ， 产 量 大 。 可 燃 气 体 CO 约 占 20~30%，H2约占5~15%；惰性气体CO2约占5~15%，N2 约占45~55%，Qdw=4200~6300 kJ/Nm3。 Aar含量高达60~80g/Nm3。 3）焦炉煤气 是 冶 金 企 业 炼 焦 的 副 产 品 ， H2 月 占 4 6 ~ 6 1 % ， CH4=21~30%，N2=7~8%，CO2=2~3%, Qdw =16300~17200 kJ/Nm3。 4）液化石油气
气体燃料 气体燃料的种类
气田气(纯天然气) — —从气井开采出来 天然气 石油气(石油伴生气) — —伴随石油一起开采出来 凝析气田气 — —含石油轻质馏分 煤矿矿井气 — —从井下煤层抽出 干馏煤气 — —利用焦炉、炭化炉等对煤进行干馏而得到 人工燃气气化煤气 — —煤在高温下与气化剂反应所生产的燃气。如水煤气、发生炉煤气、压力气化 油制气 — —用石油系原料经热加工制成的燃气总称。采用重油或渣油，作掺混气或缓冲气 高炉煤气和转炉煤气 — —冶金企业炼铁、炼钢的副产气 液化石油气 — —从油、气开采或石油加工过程中获得。炼油厂催化裂化气中提取。 主要组分C3 H 8、C3 H 6等 — —各种有机物质在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物作用下产生的可燃气体 生物气（沼气）
图2-1
二、煤 的主要特性 1．燃料的发热量Q：单位质量的固体、液体燃料，在完 全燃烧时所放出的热量(kJ/kg)；单位容积的气体燃料在 完全燃烧时所发出的热量（kJ/Nm3） 2． 高位发热量 Q gw ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热 量，含所生产水蒸汽汽化潜热，(kJ/kg)
3．低位发热量 Qdw ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热 量，扣除随烟气带走的水蒸汽的汽化潜热的热量，(kJ/kg)
挥发份对煤的着火、燃烧的影响
焦炭的性质——焦结性 焦炭 —— 煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出 后固体残余物质。 焦结性 —— 由于煤种不同，焦炭的物理性质、外观等各 不相同焦结性状
焦炭结构特征 1） 粉状 3） 弱粘结 5） 不膨胀熔融粘结 7） 膨胀熔融粘结
2） 4） 6） 8）
粘结 不熔融粘结 微膨胀熔融粘结 强膨胀熔融粘结
折算成分的表达式 要产生同样的热量，带入锅炉的灰量取决于煤灰分含量 与发热量， 与灰分含量成正比，与发热量成反比。 采用此比例式来代表带入的灰量， 因该比值很小，故乘1000。 M ar M ar zs 4 折算水分 M ar 10 g / MJ Qnet ,V ,ar Qnet ,V ,ar ( ) 1000 Aar Aar zs 折算灰分 Aar 10 4 g / MJ Qnet ,V ,ar Qnet ,V ,ar ( ) 1000 S ar S ar zs 4 折算硫分 S ar 10 g / MJ Qnet ,V ,ar Qnet ,V ,ar ( ) 1000
2）闪点和燃点 闪点——在大气压下，重油表面油气和空气的混合物在 标准条件下接触明火时，发生短暂的闪光（一闪即灭） 现象的最低油温。 燃点——当油面上的油气与空气的混合物遇明火能着火 持续燃烧（持续时间不少于5s）的最低油温。 重油的上闪点为80~130℃，燃点比闪点高10～30℃。 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标，因此燃料油的 预热温度必须低于闪点。对于敞口容器中的油温至少应 比闪点低10℃，对于封闭的压力容器和管道内的油温则 可不受此限。 3）凝固点——重油在倾斜45º 的试管中，经过1min不发 生流动变化的最低温度。 重油凝固点与所含石蜡含量有关 ,含蜡量越高,油的凝固点 越高。
K km
K km 1.6 为易磨煤 K km 1.2 为难磨煤
煤的磨损指数
Eb Es
三、发电用煤的分类 根据煤的燃烧特性， 以挥发份、灰分、水分、硫分和灰熔融特性作为主要的 分类指标， 以煤的发热量作为辅助分类指标 无烟煤：Vdaf≤10%，含碳最多，发热量高，难以 点燃； 贫煤： Vdaf =10~20%，灰分较多； 烟煤： Vdaf =20~40%，含碳多，灰、水少，发热量高 褐煤： Vdaf >40%，水分与灰分高，发热量低，着火 与燃烧容易。 VAMST分类标准