燃料与燃烧

一、燃料 燃料是指在燃烧过程中能放出大量热墨的物质。工程上 讲的燃料是加热到一定温度后 , 能与氧发生强烈反应 , 并放 出大量热量的碳化物或碳氢化合物。

燃料按形态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三种 ; 按获得方法可分为天然燃料和人工燃料两种。人工燃料是经过一定处理过程所获得的燃料。各种形态的燃料 , 都有相应 的天然燃料和人工燃料 , 见表 1-7 。

二、煤的成分及性质

1. 煤的成分

碳 ( 用符号 C 表示 ) 是煤的主要可燃成分 , 燃烧时与空 气中的氧化合生成二氧化碳 (C02) 。燃烧 1kg 碳能发出 33700kJ 的热量。所以煤的含碳量越多 , 发热量越高。不过碳 要在比较高的温度下才能燃烧 , 因此含碳量高的煤较难着火。

氢 ( 用符号 H 表示 ) 是煤中最活泼的可燃成分 , 燃烧时 生成水蒸气 (H20), 并放出大量热量。燃烧 1kg 氢能放出 11890OKJ 的热量。煤的含氢量愈多 , 燃烧时愈易着火。

硫 ( 用符号 S 表示〉是煤中的一种有害元素。燃烧 1kg 硫 , 能放出 9050kJ 的热量 , 并生成二氧化硫 (S02 〉或三氧化硫 (S03) 气体 , 对人体有害。这些气体又与烟气中的水蒸气结 合生成亚硫酸 (H2S03) 或硫酸 (HS04), 凝结在受热面上 , 腐蚀金属。含硫量多的煤容易自燃。

        氧 ( 用符号 O 表示 ) 是不可燃气体 , 一般煤里的含氧量很少。

        氮 ( 用符号 N 表示 ) 不能燃烧。所以煤里含氮量多 , 就会降低煤的发热量 , 而且还会生成较多的有害气体氮氧化物。

        灰分 ( 用符号 A 表示 ) 是煤里不能燃烧的固体灰渣 , 由很多化合物组成。在高温下 , 由于灰的成分不同 , 灰的熔化温度也不一样。熔化温度低的灰 , 在高温燃烧室中易软化粘 结于管壁造成结渣 , 影响正常燃烧。所以 , 灰分多的煤质量 差。

水分 ( 用符号 M 表示 ) 燃烧时不放出热量 , 相反还要吸 收煤燃烧时所发出的热量而汽化。所以 , 煤里的水分过多会 直接降低煤燃烧时所发出的热量 , 使燃烧温度降低。

2. 煤的特性

        挥发分 (V) 是当煤加热时 , 水分蒸发后 , 并升到一定温度后 , 就有碳、氢、氧的化合物 , 如一氧化碳、甲 皖 ( 沼 气 ) 等可燃气体分解出来。这种可燃气体叫挥发分 , 用符号 V 表示。煤含的挥发分越多 , 越容易着火。一般锅炉用煤的 挥发分含量最好在 20% 以上。

固定碳 (FC) 指煤中挥发分燃烧以后 , 再除去灰分 , 剩 下的便是固定碳。固定碳在完全燃烧时 , 与氧化合生成二氧 化碳 , 放出 33700kJ/kg 热量 ; 如果空气供给不足 , 燃烧不能 完全进行 , 只能生成一氧化碳 , 放出 9920KJ/kg 热量 ; 当一氧

化碳遇氧后 , 还有旨继续氧化成二氧化碳 , 又放出 238OOKJ/kg 热量 , 从而补足全部热量。

发热量 (Q) 指 1kg 煤完全燃烧时所放出的全部热量 , 叫 做煤的 “ 发热量 “, 或称 “ 热值 “, 单位是 “kJ/kg“ 。发热量 分为高位发热量和低位发热量两种。

高位发热量 (QU 是指煤的最大可能发热量。即包括煤 燃烧后产生的水蒸气全部凝结为水后所放出的凝结热 ( 等于 汽化潜热的数值 ) 。

低位发热量 (QU 是指煤的实际发热量。因为锅炉的排 烟温度都在 100 。 C 以上 , 所以煤燃烧时所产生的水蒸气一般是不能凝结的。这样 , 水蒸气的汽化潜热实际并未放出来 , 或者说 , 需要一部分热量消耗于煤中水分的汽化 , 使煤的实际发热量减少。煤在燃烧时 , 扣除消耗手其本身水分蒸发的汽化潜热后所放出的热量 , 即称为 “ 低位发热量 “ 。

锅炉中 , 一般都用低位发热量来计算煤的用量和热效率。 不同种类的煤 , 发热量差别很大。为了对比和计算上的方便 , 通常将低位发热量 2930OKJ/kg 定为标准发热量 , 或者说 , 将 低位发热量 29300kJ/ 峙的煤定为标准煤。

3. 煤的分类 煤一般分为褐煤、烟煤、元烟煤、石煤等。

褐煤 : 水分较多 , 挥发分含量较高 , 煤的发热量不高。 烟煤 : 挥发分含量较高 , 有的容易结焦。

无烟煤 : 挥发分较少 , 含碳量较高 , 着火较难。

石煤 : 挥发分和含碳量都很少 , 灰分很多 , 煤的发热量低。

三、液体燃料和气体燃料

         液体燃料以重油为主 , 也称燃料油。重油中碳和氢含量较高 , 发热量高 , 一般约 4070O KJ/kg, 内部杂质很少 , 不超 过千分之几。在正常燃烧时 , 燃料油的燃烧产物只是气体 , 而 没有灰渣。燃料油含氢量较高 , 燃烧后产生大量水蒸气 , 水 蒸气容易和燃料中硫的燃烧产物生成硫酸 , 对金属造成腐蚀 , 所以燃料油中的硫很有害。其化学成分组成和煤一样 , 也是五种元素。

根据我国标准 , 将燃料油按粘度增大次序分成 20 、 60 、 100 、 200 四个牌号规格 , 其各牌号规格的质量指标见表 1-8, 轻柴油质量指标见表 l-9.

气体燃料中一般以液化石油气 , 天然煤气 ( 简称天然气 ), 焦炉煤气 , 发生炉煤气及高炉煤气为主。

液化石油气是开采和炼制石油过程中 , 作为副产品而获 得的一部分碳氢化合物。其主要成分是丙炕 (C38) 、丙烯 (CA6) 、丁炕 (CM ρ和丁烯 (C4H8), 在常压下呈代态 , 当 压力升高或温度降低 , 很容易转变为液态。标准状态下气态液化石油气的发热量约为 9210OKJ/m3~12140O KJ/m3, 属高 发热量煤气 o

天然气中主要成分为甲烧及其他短类 (CnHm), 另外也 含有少量二氧化碳 (C02) 和空气 , 天然气的发热量很高 , 标 准状态下发热量高达 40000kJ/m3, 属于高发热量煤气。

焦炉煤气是煤炼焦时挥发出的气体 , 发热量较高 , 达 15000~2000O KJ/m3 。

发生炉煤气是使空气和水蒸气通过红热的煤层而产生的 煤气 , 其主要成分为一氧化碳 (CO) 及氢 (H2), 此外还含有 少量的二氧化碳 (C02) 和量相当大的氮 (N2), 因其中含有 相当大量的惰性气体 , 其发热量较低 , 约为 4000~ 6000kJ/m3 。

高炉煤气是高炉炼铁的副产品 , 约含有 28% 的 co , 其他 为 C02 及 Nz 。因此发热量较低 , 约 3300~4000kJ/m3 。因其 中惰性气体相当多 , 可燃气体 CO 也燃烧较慢 , 是比较难于燃     烧的气体燃料 , 但钢铁企业中常用其作为锅炉燃料。

四、煤的燃烧过程 煤的燃烧是复杂的物理化学过程。煤进入炉内 , 受到高 温烟气的加热 , 温度逐渐升高。在此期间经历干燥、干馆、挥

        发分着火燃烧、焦炭燃烧、焦炭燃尽等各个阶段。

1. 干燥

煤被加热时 , 首先是水分不断蒸发 , 煤被干燥。显然 , 煤中水分多 , 干燥所消耗的热量也多 , 时间也长。

。

2. 干馆

煤被干燥后 , 继续被加热 , 达到一定温度 ( 褐煤为 130 。 C, 元烟煤为 400 。 C, 烟煤介于褐煤与无烟煤之间 ) 就开始析出挥 发分 , 同时生成焦炭 , 即是煤的干馆过程。煤中挥发分越多 , 开始析出挥发分的温度越低 ; 加热的温度越高 , 时间越长 , 析 出的挥发分越多。因此 , 测定挥发分时规定了加热的温度和时间。

挥友分多 , 其中碳氢化合物也多。重碳氢化合物在高温、 缺氧的条件下 , 会进行热分解 , 形成微小的碳粒 , 称为碳黑 , 又称烟矣。由于碳粒很小很轻 , 在炉内不易烧掉而随烟排走 , 形成黑烟。

只有当挥发分达一定浓度 , 而且到一定温度时 , 才能着 火燃烧。因此 , 统称煤的干燥 , 干馆阶段为燃烧前的准备阶 段。

煤在燃烧的准备阶段中 , 非但不放热而且要吸收热量 , 所 以必须组织好热量供应。其热源来自炉膛火焰或高温烟气、炽热的炉墙和炉拱等。热量供应情况就决定了准备阶段的时间 长短。

3. 挥发分着火燃烧

        煤继续被加热 , 挥发分不断析出 , 而且温度也随之提高。挥发分中可燃物质与氧气的化学反应也在逐渐加快。当挥发 分达到一定温度和浓度时 , 化学反应速度急剧加快 , 着火燃 烧 , 形成明亮的黄色火焰。这里 , 挥发分要加热到一定的温 度是个重要条件。

不同煤的挥发分着火温度是不一样的 , 见表 1-10 。

通常我们将挥发分着火温度看成煤的着火温度。挥发分 燃烧时放出热量 , 将焦炭加热到赤红程度 ( 已达到能够着火 的温度 ) 。但是焦炭并不会立刻燃烧 , 因为挥发分包围了焦炭 , 挥发分首先遇氧将氧消耗掉了 , 氧气不能扩散到焦炭的表面 , 焦炭只能被加热而不能燃烧。

        挥发分多 , 着火温度低 ; 挥发分少 , 着火温度高 , 着火困难。

        在工程上 , 为了尽快的着火 , 实际加热温度是远高于表中列举的着火温度。

     4. 焦炭的燃烧

        当挥发分基本烧完以后 , 氧气才能扩散到焦炭表面上 , 焦炭开始着火燃烧 , 并发出较短的蓝色火焰。

        焦炭是煤的主要可燃质 , 燃烧时能发出很多热量 , 例如 , 无烟煤的焦炭燃烧发热量点总发热量的 95% 左右 ; 挥发分很 多 , 碳含量较少的褐煤 , 其焦炭燃烧发热量也占总发热量的 一半以。

焦炭的燃烧是固体 ( 焦炭 ) 与气体 ( 氧气 ) 之间的反应 , 化学反应速度很慢 , 因此燃烧时间较长。所以组织好焦炭的 燃烧往往是煤燃烧的关键。

5. 焦炭燃尽

焦炭燃烧时 , 在其表面形成灰壳 , 阻碍空气与焦炭接触。

同时焦炭被燃烧形成的二氧化碳和一氧化碳所包围 , 又妨碍 空气向焦炭表面的扩散。因此 , 焦炭燃尽往往需要很长时间。 为使焦炭充分燃尽 , 应设法及时去掉灰壳 , 对灰分多和灰熔 点低的煤 , 尤应如此。

为了及时排掉燃烧产生的气体 , 还应保证空气有适当的 速度 , 但也应注意如果供应太多的空气量 , 不利于保证一定 的炉膛温度。

焦炭的燃烧与燃尽 , 其本质都是碳与氧相化合。因此有 时也不加区别 , 统称为焦炭的燃烧阶段。由于焦炭燃烧与燃 尽时间较长 ( 碳含量少的褐煤焦炭燃烧时间也占褐煤全部燃 烧时间的 90% 以上 , 其他煤的焦炭燃烧时间会更长 ), 在实用 上 , 又常将燃烧阶段与燃尽阶段分开。习惯上 , 将燃烧速度 较快 , 放出热量较集中的阶段称为燃烧阶段 ; 而将燃烧速度较慢 , 放出热量较少的阶段称为燃尽阶段。

         上述燃烧过程的各个阶段 , 在实际的燃烧设备中是不能截然分开的 , 它们常常是互相重叠 , 交错进行的。

         五、煤的燃烧条件

         为了使煤的燃烧过程进行得快 ( 单位时间内燃烧得多 , 放出热量多 ), 未完全燃烧损失少 , 即迅速而完全的燃烧 , 必须保证下述三个最基本的条件：

1. 较高的温度

        温度是燃烧的首要条件。因为燃烧要从着火开始 , 在着火前的准备阶段中 , 干燥与干馆过程都要吸收热量。因此要 求炉膛具有较高的温度 , 提供足够的热量。无烟煤挥发分少 , 着火温度高 , 需要炉膛具有更高的温度。褐煤 , 着火温度低 , 但是往往水分较多 , 而且劣质褐煤灰分也多 , 发热量低 , 燃 烧放出热量少 , 也需要炉膛具有较高温度。其他劣质煤 , 为 了保证着火也需要较高的炉膛温度 , 如果仅从着火考虑 , 炉 膛温度越高越好。

炉膛温度高 , 燃烧速度可以加快 , 燃烧时间缩短 , 燃烧 会完全一些。温度对挥发分和煤粉的燃烧影响更大些 , 对较 大煤块的燃烧影响相对比较小。但是当温度过高、超过灰熔 点时 , 会引起结渣 , 结渣对锅炉工作的安全性与经济性都有 影响。因此 , 温度过高是不必要的。

2. 适量的空气

        煤只有和空气 ( 其中的氧 ) 接触才能燃烧。为了燃烧完全 , 必须供应足够的空气。实际运行的锅炉中 , 供应的空气 量经常是偏多的。而空气量过多 , 会降低炉膛温度对着火与 燃烧是不利的 , 因此 , 供应的空气量要适当。在设计锅炉时常常要控制炉膛出口的过剩空气量。必须注意空气与煤能充分接触 , 保证空气与可燃气体能良好地混合 , 使空气很好地扩散到焦炭的表面上。只有提高 空气冲刷煤粒的速度 , 加强气流的扰动、混合主才能提高煤的燃烧速度 , 提高煤燃烧的完全程度。

     3. 充裕的时间

        燃烧是有一定速度的 , 因此 , 燃烧完全需要一定的时间 , 可燃气体能进行燃烧前时间取决于它们在炉膛内停留的时 间 , 也就是取决于炉膛的容积。为此 , 必须保证足够的炉膛 容积 ( 燃烧空间 ) 。

对于火床燃烧的机械化炉排 , 煤燃烧时间取决于煤在炉 排上停留的时间 , 为此 , 要设计合适的炉排结构和面积。尽量设法提前着火 , 以保证有充裕的燃烧时间。

六、液体燃料和气体燃料的燃烧

         液体燃料主要指燃油 , 汹的沸腾温度低于其着火温度。因此 , 它们总是先蒸发成蒸气 , 然后才能进行燃烧 , 即以蒸气 状态进行燃烧。

当液体燃料滴经过加热后 , 在其表面先蒸发产生蒸气 , 蒸 气向四周扩散 , 和周围的空气混合 , 进一步被加热着火燃烧。 因为燃烧速度快 , 蒸发速度慢 , 液体燃料的燃烧快慢取决于 其蒸发速度。

油的蒸发只能在其表面上进行 , 为了增加其表面积 , 常 常将燃油雾化成很细小的液滴。油滴越小 , 蒸发越快 , 燃烧 所需要的时间就越短 , 不完全燃烧损失就越小。理论和试验 都证明 , 油滴燃烧所需的时间与液滴直径的平方成正比。

重油在燃烧时 , 除符合上述共同规律外 , 还有一些特殊 之处。重油是由较重的碳氢化合物组成 , 燃烧时 , 油滴被周 围的火焰加热 , 油滴内部温度很高 , 但得不到氧气 , 于是重 碳氢化合物分解成碳黑、形成焦壳。焦壳内的油受热会膨胀 ,

当膨胀到一定程度时 , 焦壳会碎裂 , 形成小焦块。焦块不易 烧掉 , 会影响燃烧的经济性 , 同时锅炉会冒黑烟。为减轻重 油在缺氧条件下分解成碳黑 , 应使空气及早地充分供应 , 即 加强空气与油滴的初期混合 J 为了燃烧重油焦壳碎裂产生的 焦块 , 应保持炉膛具有较高的温度 , 并供应充足的空气。

气体燃料可用管道输送 , 点火容易 , 燃烧调节方便 , 容 易完全燃烧 , 而且容易实现机械化、自动化。但应防止爆燃 , 防止一氧化碳中毒。

高热值煤气宜采用扩散燃烧法 , 即燃料与空气分别送入 炉膛 , 边混合边燃烧。由于发热量高 , 着火容易 , 相同供热 量所需的燃料体积小 , 混合容易 , 不会因为混合不好而使燃 烧不完全。若燃料预先与空气混合 , 可能发生回火和烧坏燃 烧器等事故。

低热值煤气宜采用动力燃烧法 , 即燃料与空气在进入炉 膛前预先混合 , 然后进入炉膛中燃烧。如果不预先混合 , 着 火要推迟 , 会使燃烧不完全。而且煤气发热量低 , 回火爆炸 的危险性也小。但采用动力燃烧法时 , 应注意防止回火。燃烧低热值煤气时 , 还应采用可*的稳定火焰的措施。

七、生物质燃料及其燃烧 生物质燃料在世界能源结构中占有十分重要的地位。据统计 , 每年经过光合作用固定下来的生物质能源约是全世界 能源消耗的 10 倍。但目前被人们利用的仅占 1.0% 。估计全 世界大陆上生物质的年产量为 1011~1012t 干物质。我国几种 主要的生物质的产量也相当可观。据统计 , 仅农作物的秸杆 每年约为 5~6 亿吨。折合标准煤约 2~2.4 亿吨 , 其中 60% 用于生活烧掉。森林每年可提供 9000 万吨薪柴燃料。林业加工过程生产的边角废料每年约为 2400 万立方米 , 折合标准煤 150 万吨。稻谷年产量约 200 兆吨 , 可获得稻壳约 40 兆吨 , 折 合标准煤约 20 兆吨。我国居民仅维持日常生活用能 , 每年就 需要 3 亿吨标准煤 , 占全国能耗的 30%, 而这些能源的 80% 左右是由生物质燃料提供的。此外 , 生物质燃料可年复一年 的不断再生 , 因此其能量是十分可观的。开发利用生物质燃料具有广阔的前景。

生物质燃料的利用之所以受到世界各国的高度重视 , 还 因为生物质燃料是一种清洁燃料。生物质燃料含硫量低 , 含 氮量不高 , 所以燃烧后硫氧化物和氮氧化物的含量很低 ; 生 物质燃料中灰分一般也很小 , 所以充分燃烧后烟尘含量极低。 生物质燃料燃烧过程具有二氧化碳零排放的特点 , 生物质燃 料燃烧生成的二氧化碳可被植物吸收 , 合成本身的生物质 , 所 以没有增加大气中二氧化碳的含量。这对于缓解日益严重的 “ 温室效应 “ 有着特殊的意义。因此 , 西方发达国家目前正在 大力开展这方面的研究。这是目前环境科学的研究热点领域 之一。

生物质燃料不同于常规燃料 , 其燃烧过程有着特殊的规 律。为此 , 我国对生物质燃料燃烧机理和技术进行了大量的 研究 , 并在此基础上 , 开发出生物质燃料的燃烧设备。

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