燃烧理论 教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社， 2008.7

1. 燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7 主讲教师：韩奎华 邮箱：hankh@163.com，hkh@sdu.edu.cn 电话：88392414 手机：13589033524 办公室：千佛山校区东院热力楼308室

2. 第2章燃料 2.1燃料及其概况 2.2燃料的成分和性质 2.3煤的分类 2.4煤的工业分析 2.5煤的特种分析 2.6液体燃料 2.7气体燃料

3. 2.1燃料及其概况

4. 一、什么是燃料？ • 燃料：是各种（有机和无机）复杂化合物的混合物，通过燃烧可以将其化学能转化为热能的物质，同时在技术上是可行的，经济上是合理的 • 例如：天然气、石油、煤炭等 • 金刚石、塑料制品、衣物、木制家具可以燃烧，但不作为燃料，经济上不合理 • 燃料是远古时代的动、植物被埋于地下，在缺氧高温高压的条件下，由细菌作用形成的固、液、气态的碳氢化合物

5. 二、燃料分类 • 按燃料获得方法：天然燃料、人工燃料 • 按状态划分：固体、液体、气体燃料 • 按释放能量的方式划分：化学燃料、核燃料

6. 三、我国燃料情况 • 储量丰富 • 煤已探明储量：7800亿吨，居世界第三位 • 石油：116亿吨，居世界第八位 • 天然气：38万亿立方米，居世界第十位 • 三种主要化石能源可应用年限估计 • 煤 220~230年 • 石油 40年 • 天然气 66年

7. 三、我国燃料情况 • 能源消费以煤为主 • 2006能源构成的百分比

8. 三、我国燃料情况 • 燃料供给相对不足 • 人均消费能源低 • 1995年，中国发电业装机容量2亿千瓦，发电量1万亿千瓦时，居世界第4位，但人均发电量仅为世界的1/3 • 1989年，世界人均煤炭储量312.7吨，中国234.4吨，同期苏联为1045吨，美国为1846吨 • 设备效率低，燃烧效率太低

9. 四、我国能源政策 • 1979年，国家提出能源政策 • 开发与节约并重，近期把节约放在优先地位。 • 至今未变

10. 2.2燃料的组成和特性

11. 一、燃料的组成和分析 • 燃料化学组成分析：工业分析、元素分析、成分分析。工业分析和元素分析针对固体燃料组成分析提出的。

12. 一、燃料的元素分析 • 固液、体燃料的成分 • 元素分析成分：为工程计算和应用方便，将燃料的主要元素组成和水分、灰分测量结果习惯上称为元素分析成分 • 元素分析成分的构成 • 碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分 • C+H+O+N+S+A+M=100% • 气体燃料的成分 • 气体的分子式

13. 一、燃料元素分析 • 碳（Carbon） • 是燃料的主要可燃元素，占燃料质量份额的15~90%，煤占50~90% • 煤的地质年代越久远，碳化程度越深，含碳越多，无烟煤占90% 纯碳的着火和燃烧很困难，煤的含炭量越多，着火与燃烧越困难，但发热量大

14. 一、燃料的元素分析 • 氢（Hydrogen） • 可燃元素。煤的碳化程度越深，含氢量越少，煤一般的含氢量为2~10%

15. 一、燃料的元素分析 • 硫（Sulfur） • 自然界中硫的存在形式包括有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。 • 硫是可燃元素，但热值很低，同时硫燃烧产生的二氧化硫、三氧化硫会进一步生成亚硫酸和硫酸，腐蚀金属，造成锅炉堵灰。 • 我国煤的含硫量很低，一般1~2%，但南方某些煤的含硫量较高，可达3~5%，个别达10%， • 高硫煤：含硫量大于2%的煤质

16. 一、燃料的元素分析 • 氧（Oxygen） • 氧是不可燃元素，在燃料中已和碳、氢化合，使其可燃成分相对减少 • 固体燃料的含氧量随碳化程度的加深会较少，无烟煤含氧量1%~2%，其他煤的碳氧量10%左右 • 油的含氧量很少，1%左右

17. 一、燃料的元素分析成分 • 氮（Nitrogen） • 通常情况下不可燃，条件满足时可生成NOx，但生成量很少，一般认为是不可燃元素 • 煤中含量很少，一般1%~2% • 油中含量0.05%~0.4% • 能造成空气污染，须严格控制其生成

18. 一、燃料的元素分析 • 灰分（Ash） • 不可燃，属于矿物杂质，主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等氧化物和碱、盐等构成 • 燃料中灰分含量相差很大，油中几乎无灰，煤中灰分通常10%~30%，多者可达50% • 按灰分的来源可分为 • 内部灰分：生成煤时混入，混合均匀 • 外部灰分：开采、运输时混入，分布不均匀

19. 一、燃料的元素分析 • 灰分含量对燃烧过程的影响 • 燃料发热量少 • 着火、燃烧困难 • 积灰、结渣，影响传热 • 磨损受热面 • 污染环境 • 灰在燃烧前后可能不完全一致，化合物可能会分解，但在800℃之后，基本不变，测定灰成分时规定：测量温度815±10℃

20. 一、燃料的元素分析 • 水分（Water，Moisture） • 不可燃，属于杂质 • 油中含量1~3%，煤中变化较大2~50% • 水分构成 • 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 • 水分含量随开采、运输、储存条件而变化

21. 一、燃料的元素分析 • 水分对燃烧过程的影响 • 燃料的发热量 • 着火、燃烧过程吸收大量热量，降低燃烧温度 • 排烟热损失 • 受热面腐蚀 • 堵灰 • 制粉、干燥和运输

22. 二、燃料成分的表示 • 固液体燃料 • 七种元素分析成分的质量分数 • C+H+O+N+S+A+M=100% • 气体燃料 • 不同分子成分的体积百分数 • H2+O2+CH4+CO+CO2……=100%

23. 三、燃料成分表示的基准 • 燃料中的灰分和水分会随着燃料的开采、运输和储存过程而发生变化。而燃料成分表示的是各成分的相对百分含量，为此必须规定燃料成分表示的分母基准。 • 根据燃料中灰分和水分的变化情况分为4种基准： • 收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基

24. 三、燃料元素分析基准 • 收到基ar(as received) • Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100% • 空气干燥基ad(air dry) • Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad =100% • 干燥基d(dry) • Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad =100% • 干燥无灰基daf(dry ash free) • Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%

25. 三、燃料元素分析基准 • 各基准之间换算 • 上述各个基准之间存在换算关系，可以通过通分运算进行相互换算 • 例题：已知收到基成分，求干燥无灰基成分 • Car+Har+Oar+Nar+Sar=100- Mar-Aar • Car /Cdaf=Har/Hdaf=……=(100-Aar-Mar)/100 • Cdaf=Car×100/(100-Aar-Mar)

26. 各种基准之间的换算因子

27. 四、元素分析成分新旧符号的变化

28. 2.3煤的分类

29. 煤的种类及化学组成 • 煤的形成与种类 　　煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。 植物质的堆积阶段 菌解作用阶段 碳化作用阶段 　　在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。

31. 煤的种类及化学组成 • 煤的化学组成 　　煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主要的化学成分有： C、H、O、N、S、 A （灰分）及W（水分） 惰性质 可燃质

32. C： 可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此时每千克纯碳可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为9270kJ H： 可燃元素。发热量最高，每千克氢燃烧后的低热值为120370kJ（约为纯碳发热量的4倍），含量较少，在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%。在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一起的，叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算发热量和理论空气量时，以有效氢为准。 O　和　N：　　 不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。 S： 三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫可燃烧放热，但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ。硫燃烧后生成SO2、SO3，它危害人体，污染大气并可形成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。

34. 煤的种类及化学组成

35. 一、中国煤科院的分类方法 • 中国煤炭科学院将煤分为10类 • 根据干燥无灰基挥发分含量及胶质层最大厚度分类 小知识：胶质层最大厚度：煤在干馏过程中加热到360-520℃时会产生流体物质，——胶质体，一直加热到730 ℃ ，定期测量胶质层厚度，选其最大厚度记录之

36. 煤科院煤质分类方法

37. 二、常见煤质特点 • 无烟煤(WY)。无烟煤固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。01号无烟煤为年老无烟煤；02号无烟煤为典型无烟煤；03号无烟煤为年轻无烟煤。如北京、晋城、阳泉分别为01、02、03号无烟煤。 • 贫煤(PM)。贫煤是煤化度最高的一种烟煤，不粘结或微具粘结性。在层状炼焦炉中不结焦。燃烧时火焰短，耐烧。 • 贫瘦煤(PS)。贫瘦煤是高变质、低挥发分、弱粘结性的一种烟煤。结焦较典型瘦煤差，单独炼焦时，生成的焦粉较多。

38. 二、常见煤质特点 • 瘦煤(SM)。瘦煤是低挥发分的中等粘结性的炼焦用煤。在炼焦时能产生一定量的胶质体。单独炼焦时，能得到块度大、裂纹少、抗碎性较好的焦炭，但焦炭的耐磨性较差。 • 焦煤(JM)。焦煤是中等及低挥发分的中等粘结性及强粘结性的一种烟煤。加热时能产生热稳定性很高的胶质体。单独炼焦时能得到块度大、裂纹少、抗碎强度高的焦炭，其耐磨性也好。但单独炼焦时，产生的膨胀压力大，使推焦困难。 • 肥煤(FM)。肥煤是低、中、高挥发分的强粘结性烟煤。加热时能产生大量的胶质体。单独炼焦时能生成熔融性好、强度较高的焦炭，其耐磨性有的也较焦煤焦炭为优。缺点是单独炼出的焦炭，横裂纹较多，焦根部分常有蜂焦。 • 1／3焦煤(1／3JM)。1／3焦煤是新煤种，它是中高挥发分、强粘结性的一种烟煤，又是介于焦煤、肥煤、气煤三者之间的过渡煤。单独炼焦能生成熔融性较好、强度较高的焦炭。

39. 二、常见煤质特点 • 气肥煤(QF)。气肥煤是一种挥发分和胶质层都很高的强粘结性肥煤类，有的称为液肥煤。炼焦性能介于肥煤和气煤之间，单独炼焦时能产生大量的气体和液体化学产品。 • 气煤(QM)。气煤是一种煤化度较浅的炼焦用煤。加热时能产生较高的挥发分和较多的焦油。胶质体的热稳定性低于肥煤，能够单独炼焦。但焦炭多呈细长条而易碎，有较多的纵裂纹，因而焦炭的抗碎强度和耐磨强度均较其他炼焦煤差。 • 1／2中粘煤(1／2ZN)。1／2中粘煤是一种中等粘结性的中高挥发分烟煤。其中有一部分在单独炼焦时能形成一定强度的焦炭，可作为炼焦配煤的原料。粘结性较差的一部分煤在单独炼焦时，形成的焦炭强度差，粉焦率高。 • 弱粘煤(RN)。弱粘煤是一种粘结性较弱的从低变质到中等变质程度的烟煤。加热时，产生较少的胶质体。单独炼焦时，有的能结成强度很差的小焦块，有的则只有少部分凝结成碎焦屑，粉焦率很高。

40. 二、常见煤质特点 • 不粘煤(BN)。不粘煤是一种在成煤初期已经受到相当氧化作用的低变质程度到中等变质程度的烟煤。加热时，基本上不产生胶质体。煤的水分大，有的还含有一定的次生腐植酸，含氧量较多，有的高达10%以上。 • 长焰煤(CY)。长焰煤是变质程度最低的一种烟煤，从无粘结性到弱粘结性的都有。其中最年轻的还含有一定数量的腐植酸。贮存时易风化碎裂。煤化度较高的年老煤，加热时能产生一定量的胶质体。单独炼焦时也能结成细小的长条形焦炭，但强度极差，粉焦率很高。 • 褐煤(HM)。褐煤分为透光率Pm＜30%的年轻褐煤和Pm＞30～50%的年老褐煤两小类。褐煤的特点为：含水分大，密度较小，无粘结性，并含有不同数量的腐植酸，煤中氧含量高。常达15～30%左右。化学反应性强，热稳定性差，块煤加热时破碎严重。存放空气中易风化变质、破碎成效块甚至粉末状。发热量低，煤灰熔点也低，其灰中含有较多的CaO，而有较少的Al2O3。

41. 三、动力煤的特点 • 无烟煤 • 挥发分含量最低，一般Vdaf＜10%，且挥发分析出的温度也较高，因而着火困难燃烬也不容易， • 燃烧时没有煤烟，仅有很短的青蓝色火焰，焦碳也没有粘结性。 • 无烟煤的埋藏年代最久，碳化程度最深，因而含碳量高，一般Car＞40%，最高可达95%，而灰分又不大，Aar=6~35%(少量＞30%)，水分也很低Mar＝1~5%，所以发热量都很高，一般为Qnet,ar＝25~32.5MJ/kg

42. 三、动力煤的特点 • 烟煤 • 挥发分含量较高，范围也较宽，一般Vdaf＝20~40% • 碳化程度较无烟煤浅，含碳量Car＝40~60%，少数可高达75%，一般灰分不大，Aar＝7~30%，但高的可达50%，水分Mar=3~18%，Qnet,ar＝20~30MJ/kg • 表面呈灰黑色，有光泽，质松软

43. 贫煤 挥发分含量较低，Aar=10~20%，着火较困难但不结焦。 劣质烟煤 挥发分中等，但水分高，灰分更高，因而发热量较低，Vdaf＝20~30％，Mar接近12％、Aar＝40~50%，Qnet,ar=11~12.5MJ/kg 三、动力煤的特点

44. 三、动力煤的特点 • 褐煤 • 挥发分含量很高，Vdaf＝40~50%，挥发分的析出温度较低，着火及燃烧均较容易 • 褐煤的碳化程度次于烟煤，含碳量Car＝40~50%．但水分及灰分很高Mar＝20~50%，Aar＝6~50% • 发热量低，Qnet,ar＝10~21MJ/kg

46. 2.4 煤的工业分析

47. 一、什么是煤的工业分析 • 煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性 • 工业分析构成(Proximate analysis) • 成分：水分、灰分、挥发分和固定碳，其中灰分和固定碳合称为焦炭 • 发热量 • 灰熔点

48. 干燥 干馏 燃烧 煤 干煤 焦炭 灰分 析出水分 析出挥发分 固定碳燃烧 二、工业分析成分 • 工业分析成分的定义和煤的燃烧过程密切相关 A C H O N S M A FC V M 固态 气态

49. 二、工业分析成分 • 工业分析也存在四种基准 • 收到基 • Aar+FCar+Var+Mar=100% • 空气干燥基 • Aad+FCad+Vad+Mad =100% • 干燥基 • Ad+FCd+Vd=100% • 干燥无灰基 • FCdaf+Vdaf=100%

50. 二、工业分析成分 • 灰分 • 灰熔点：灰分的熔化温度 • 根据融化状态不同，分为变形温度、软化温度和熔化温度（流动温度） • 测定方法：角锥法