第6章 燃料燃烧基本理论与燃烧设备

第五节
固体燃料的燃烧过程与设备
主要内容： 1 固体燃料的燃烧过程 2 层燃燃烧室 3 煤粉燃烧设备 4 沸腾燃烧室
1 固体燃料的燃烧过程


固体燃料（主要是煤）的燃烧主要可以分为准备 阶段、燃烧阶段和燃尽阶段三部分。 准备阶段包括干燥、预热和干馏。这一阶段是吸 热过程，热量的来源是其他燃料的燃烧或者传热 等。 燃烧阶段，主要是挥发物的燃烧和固定炭的燃烧。 燃尽阶段中，燃烧速度受到颗粒表面的灰分的影 响，速度很慢。解决这一问题的办法是保持较高 的温度、延长与空气接触时间、将煤粉碎成煤粉。
一、空气量的计算
1 固体和液体燃料的理论空气量Vao（以100kg煤为基准） 1）燃料中的可燃组分为C、H、S三者。以收到基表示。 按照氧化反应有：
2）理论需氧量为： 3）1kg燃料的理论需氧量为：
因此，1kg燃料完全燃烧的理论空气量为：
设空气的湿含量（kg水蒸气/kg干空气）为x，则：
2 实际空气量Va 为了防止燃烧不完全，实际空气量大于理论值。引 入空气系数的概念。α ＝Va/Vao。空气系数的选择与燃 料种类、燃烧方式、燃烧设备和要求的燃烧气氛有关。 实际空气量等于理论量与空气系数的乘积。
煤的各种计算基准

收到基： 空气干燥基：


干燥基：
干燥无灰基：

煤的组成表示方法

煤的水分根据空 气干燥前后分为 内在水分和外在 水分。收到基中 的水分为全水分。
煤的组成实例（p226）
气体燃料

气体燃料，由可燃气体和不可燃气体组成。 可燃气体成分主要是CO、H2、CH4与其他 烃类。 气体的组成一般用体积百分数表示，可以 分为湿成分和干成分。 湿成分可以表示为：
设某容器内装有燃料和空气，氧化反应放热，则单 位时间内放热与散热对系统的温度的关系为：

放热曲线为1，散热 曲线随着温度的升 高而变化。当温度 为To‘时，与1线相 切，切点对应的温 度（Tc）即为着火 温度。
表明着火温度不仅 与燃烧工艺条件有 关，还与散热条件 有关。


气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内才 能进行燃烧。这一浓度范围叫做着火浓度范围， 或者着火浓度极限。


液体燃料的其他热工性质

粘度对液体燃料的运输、雾化、过滤等存在较大的影响。一 般用恩氏粘度表示（p232）。

油品加热到一定温度后先后出现火源靠近有蓝色闪光、蓝色 闪光维持5s、无火源也可自燃三个阶段，分别称为闪点、燃 点和着火点。三者对于油品的安全使用和优化燃烧条件有着 重要的意义。 凝固点。油类失去流动性的最高温度称为凝固点。运输油品 需要高于凝固点。 油类的密度与温度有关，常随温度的增加而减小。
回火现象：空气流动速度小 于火焰传播速度。
氧化氮的生成与控制
NOx是一种对环境危害很大的燃烧产物！控制其生 成对于减少酸雨、降低对人和动植物的危害等有 着重要的作用。其中以NO2的毒性最大。 氧化氮的生成机理目前尚不明了。各国科学家对其 进行了大量的研究并取得了一定的研究成果。 结果表明，氧化氮的生成主要与火焰中的最高温度、 氧和氮的浓度以及气体在高温区的停留时间有关。 减少氧化氮生成的措施：降低火焰高温区的温度、 降低空气过剩系数。
气体燃料的着火浓度极限又称为爆炸极限。因为 瞬间燃烧产生很大的压力，导致爆炸。对于保证安 全的场所（如煤矿矿井下的环境），需要控制燃料 的浓度在着火浓度之外。
固定炭的燃烧 炭的燃烧是固体（炭）和气体的两相反应， 属于非均相反应。反应的步骤可以分为氧 通过颗粒表面的气膜扩散至颗粒表面，氧 通过灰层扩散至炭表面，化学反应，产物 通过灰层，产物离开灰层表面进入气体主 体五个步骤。

解：以100kg煤为基准
落入灰渣中的C量为 11.6*10/(100-10)=1.29kg 进入烟气中的C为48-1.29=46.7kg 46.7/12=3.89kmol 设其中xkmol生成CO，则（3.89-x）kmol生成CO2 生成烟气的组成为： CO x CO2 3.89-x O2 — N2 1.4/28+[x/2+（3.89-x）+5/(2+2)-16/32]*(79/21) =17.5-1.88x
+0.008Nar-0.0263Oar 烟气组成的百分数＝各组成量除以烟气总量
2 实际烟气量及烟气组成
当α >1时，实际烟气量为V＝Vo+(α -1)Vao 烟气的各组成量：
当α<1时，
烟气各组成量的计算中，由于不完全燃烧，产物中 只计算CO，其他可能的产物由于浓度很低，不影 响计算结果。 烟气组成为：
总干烟气量为： x+(3.89-x)+17.5-1.88x=21.39-1.88x (kmol) 题中给出CO的含量为5%，即 x/(21.39-1.88x)=0.05 x=0.98(kmol) 1) 烟气组成： CO CO2 N2 H2O 烟气量 0.98 2.91 15.66 3.5 干烟气(%) 5.0 14.9 80.1 湿烟气(%) 4.2 12.6 68.0 15.2
火现象。
延迟着火时间与燃料性质、反应温度、压强 等因素有关。
火焰传播速度
在静止的可燃气体和空气的混合物中，当某一局部着火后， 随着热量的传递而使临近区域着火反应，称为火焰扩散。 其速度称为火焰扩散速度（定义为单位时间内燃料在单位 焰面上烧掉的气体体积），其方向与焰面垂直。 图4－6中， 氢气传播速度最大是因为导热系 数较大； 存在混合物比例的变化； 传播速度的最大值在空气燃料比 约为1的地方。

固定炭的燃烧机理是目前研究的一项热点内容，固定炭的 燃烧机理说法不一。 决定燃烧反应快慢的步骤是上述五个步骤中的最慢的步骤， 称为控制步骤。 研究结果表明，在温度低于800℃时，化学反应速度非常 小，为控制步骤，该反应区域成为动力区。当温度高于1000 ℃时，扩散速度成为控制速度，称为扩散区。
在动力区和扩散区之间，化 学反应速度和扩散速度相近， 两者对于反应速度的影响都 比较显著。
解：首先根据已知条件分析各元素的物质的 量、燃烧所需的理论空气量和烟气量，然 后计算空气过剩条件下的剩余物质的量和 体积。加和即可得到烟气量和烟气组成。 （注意需要折算成体积）。 以100kg煤为计算基准，可以得到下表结果。
例题
已知煤的收到基组成如下： 组分 Car Har Oar Nar Sar Mar Aar 质量(%) 48 5 16 1.4 _ 18 11.6 设 ：1）燃烧时有机械不完全燃烧现象存在，灰渣中含C量为 10%； 2）要求还原焰烧成，干烟气分析中CO含量为5%。 计算：1）干烟气及湿烟气组成（不考虑空气带入的水汽）； 2）1kg煤燃烧所需空气量； 3） 1kg煤燃烧生成湿烟气量。
第六章 燃料燃烧基础 与燃烧设备
主要学习内容：
1）燃料种类与组成 2）燃料的热工性质（发热量等） 3）燃烧计算（空气量、烟气量及烟气组成） 4）燃料燃烧过程基本理论（着火温度、着火浓度 范围、固定炭的燃烧、可燃气体的燃烧、火焰传播 速度等） 5）固体燃料的燃烧及其常用设备
学习重点：
燃烧计算
第1节

干成分可以表示为：



第二节 燃料的热工性质与选用


燃料的热工性质主要是发热量（热值），对于固 体燃料，还有挥发分、结渣性、水分、可燃硫含 量等；对于液体燃料，还有粘度、闪点、燃点、 着火点、凝固点、密度、比热容和导热系数、水 分等；对于气体燃料，主要是煤气的平均分子量、 密度和平均比热容。 发热量定义：单位质量或者体积的燃料安全燃烧， 当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量 称为燃料的发热量或者热值，单位为kJ/kg（或者 kJ/Nm3）。如果燃烧后生成的水为气态，称为低 位热值，如果为液态。则为高位热值。低位热值 更具有指导意义。

高位热值和低位热值之间相差为生成水的 汽化热。其换算关系为：
煤的不同基准下低位热值的换算式
煤的其他热工性质


挥发分是指在隔绝空气的条件下，将一定 量的煤样在900℃下加热7min所得到的气态 物质（不包括水分）。挥发物包括矿物结 晶水、挥发性成分和热分解产物等。煤的 挥发分影响燃烧时火焰的长度和着火温度。 结渣性。与煤的灰分组成有关，含FeO， Na2O，K2O等较高时容易结渣。容易结渣的 煤操作不稳定，不容易完全燃烧。
2) 空气量 [x/2+(3.89-x)+5/(2+2)-16/32]*100/21*22.4/100 = 4.43(Nm3/kg) 3) 湿烟气量： （0.98+2.91+15.66+3.5）* 22.4/100 =5.16 (Nm3/kg)
第四节 燃烧过程基本理论

燃料可以被分为三种：液态、固态和气态燃料。 液固态燃料燃烧时都可以分为气态燃料的燃烧和 固定炭的燃烧。 燃烧需要的条件有：着火温度，着火浓度范围。
燃料的种类、组成和性质


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燃料可以分为固体燃料（煤、木柴、可燃贝岩等）、 液体燃料（石油及其加工产品）、气体燃料（天然气 和人造煤气）。 煤的组成常按照工业分析方法表示，分挥发分(V)、 固定炭(FC)、灰分(A)以及水分(M)。 煤的工业分析基准需要注意。按照其分析基准的不同， 可以分为收到基（ar）、空气干燥基（ad）、干燥基 （d）、干燥无灰基（daf）等四种方式。 煤中的硫的存在形式有三种：硫酸盐中硫、有机硫、 硫化物中硫。煤的脱硫对于保护环境有着重要的意义。 另外，煤中含有微量的汞等重金属元素，在煤的燃烧 过程中会部分挥发到废气中，部分富集在煤灰中，对 相应的体系造成环境危害。应道给予重视和适当的处 理。
二、烟气量和烟气组成的计算 1 理论烟气量与理论烟气组成
计算基准：1kg固体或者液体燃料 理论烟气量中， CO2的含量V CO2 ＝（Car/12)×22.4/100 (Nm3/kg)
水蒸气的体积为： SO2的体积为： N2的体积为：
烟气的理论体积为
Vo＝V0CO2+V0H O+V0SO2+V0N2 2 =[Car/12+(Har/2+Mar/18)+Sar/32+Nar/28]*22.4/100 +V0O2*79/21 =0.089Car+0.323Har+0.0124Mar+0.033Sar
煤的其他热工性质

可燃硫含量。降低可燃硫的危害和提高煤的燃烧 性能的主要方法是选煤提纯和控制燃烧条件。
煤的选矿提纯包括煤的重力选矿（依靠煤矸石与 煤的密度差选矿）、浮选（煤的表面疏水，而矸 石亲水）、型煤技术（将脱硫剂添加在煤块中， 进行燃中脱硫）。另外，近年来发展了水煤浆技 术（将煤液态化，代替部分柴油）和煤变油技术 （将煤经过化学加工提炼汽油等油品，近年发展 较快）。 水分
提高煤在窑炉中的燃烧速度 的途径是空气与煤粉很好的 混合接触并有较大的相对速 度。

可燃气体的燃烧
可燃气体包括H2、CO、CH4、CNHM等。 可燃气体的燃烧是典型的链反应，需要激 发活性原子（反应刺激物质）。 当可燃气体加热到一定温度后，要经过一 定的感应期才能迅速燃烧。在感应期内不 断生成含有高能量的连锁刺激物，此时并 不放出大量的热量。这一现象称为延迟着


重油的质量标准（p234）
油类的水分降低燃烧效应。但是为了提高燃烧效率， 降低不完全燃烧现象，人们研究了油包水型微乳化 液。此类产品中的水分另外考虑。
第三节 燃料燃烧计算



燃烧计算的任务是解决燃料和空气的混合比、烟 气量以及烟气组成的。对于设计窑炉、操作窑炉 以及风机、管道、烟囱等的设计选型具有重要的 作用。因此是本章学习的重点。 计算依靠物料平衡来进行，即根据成分分析结果 来进行计算。如果没有成分分析结果，用经验公 式来计算。本节课只学习按照成分分析结果计算 的方法。 计算过程中，需要首先进行理论空气量的计算， 然后根据实际工艺的要求确定空气系数α，然后可 以计算得到实际空气量。得到实际空气量后根据 化学反应和物料平衡计算烟气量和烟气组成。


控制燃烧速率的可能有：反应速率、传质速率。
提高燃烧速率的途径是在分析控制步骤的基础上 加快控制步骤的速率。

着火温度 任何物料的燃烧都有“着火”和“燃烧”两个阶 段。由缓慢的氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃 烧）的瞬间叫着火。转变时的最低温度叫着火温 度。 举例：氧指数对材料阻燃性能的表征；煤的自燃与 治理。