燃料与燃烧课件

海洋、地热、核能、植物能）
二次能源即用一次能源转换过来的能源（电、焦 炭、焦炉煤气、汽油、柴油、煤油、重油、蒸汽、氢气）
⑵能源品质：能流密度 kJ/kg(Nm3) 、开发难度及费用、存储 量、连续供能、运输费用、污染危险、转换品质、可再生 性、设备利用率。
2.能源结构（2005年）
燃料
石油
煤炭
天然气 水核电
煤的形成和种类 形成：植物埋于地下，隔绝空气，受地热地压而产生煤化
作用，放出 H2O CO2 CH4 等，同时降低氧含量成为 碳富集的物质。 一般分类：按煤化进程、炭化过程 Fra Baidu bibliotek煤：100万年以上； 褐煤：2000万年以上； 烟煤：1 亿年以上； 无烟煤：2亿年以上。 除此以外还有按产地、块度、用途、洗与不洗等进行分类。
第一篇 燃料概论
燃料：由自身内部结构发生变化或与其它物质反应使之持续 地转化为化学能或核能的物质总称。
通常概念：在空气或氧气存在的情况下发生连续反应（氧化） 而发热的单质（分子、原子）、化合物及混合物。
工业燃料的一般要求： ① 在当前技术条件下，单位质量（体积）燃料燃烧时，单位
时间内放出的热量要足够大，放热速度足够快，并可以有 效地加以利用； ② 燃烧产物为气态，热量包含其中，使之能够在燃烧地点以 外加以利用其热量；
发热量测定: ① 等压过程
② 完全燃烧, 生成物是(CO2 , H2O) ③ 规定初始温度（中国为20oC） ④ 产物中H2O有两种状态，若H2O是20 oC时的汽态，则测
得为燃料的低发热量Q低；若H2O是０oC时的液态则测得 为燃料的高发热量为Q高。
Q高与Q低的换算： １kg 0 oC的H2O 变成 20oC水蒸汽（汽化潜热2257kJ / kg） １kg H2O由0 oC加热到100 oC, 需418kJ 100 oC 水蒸汽冷却到20oC，放出
4.能源消耗：
国家 美国
俄国
能耗
180万亿立米 德国 日本 中国
能源消耗
(吨标准煤/人.年）
产值与能耗
11.5 0.32
6.5 6.1 6.1 1.8 2.84 0.26 0.16 1.7
第三节 本学科的地位和作用 1.燃料学 ① 燃料的成因； ② 燃料的性质和分类; ③ 燃料的转换。 2.燃烧学 ① 燃烧过程的基本规律; ② 实现燃烧稳定过程的手段； 3.燃烧工程学：能源管理、燃烧新技术等。 4.本学科的作用：提高能源利用率。
第一节 煤的化学组成 1.煤的元素分析 (C102H18O10N2) 煤由三部分组成：
① 可燃质 C H O N S ② 灰分 主要为Si Al Fe Ca Mg Mn Na k Ca Mn等 ③ 水分 H2O (外部水分、内部水分) 2.成分表示方法：用质量百分比表达 ① 应用成分（供用成分） 可燃质、水分、灰分质量百分数之和为100％
低熔点灰分： FeO、MgO、CaO等
③ 水分：内部水分、外部水分
水分含量大，可燃质含量减少，发热量降低。
④ 可燃质：包括C、H、O、N、S。
热值：C: 34000 kJ/kg ；H: 143200 kJ/kg ；S: 9000~11000 kJ/kg ；O、N为不可燃物，是煤中的杂质。
2.煤的发热量
液航汽挥煤轻
化
发柴
汽油油油油油
发热量 高
柴油 轻质油 润滑油
⑵裂解：蒸馏残留物在高温高压下使分子裂化
目的: 多提取轻质油, 产量可达石油的 30～35％
2.燃料油（直接用于工业燃烧）
① 种类：常压重油，减压重油，裂化重油
② 优点：杂质少，可燃成分多，发热量大；便于运输；燃 烧过程易控制；燃烧较完全；燃烧温度高，火焰辐射能 力强。
第四节 本课程的内容和要求 1.基本知识：燃料性质 ① 建立起燃料的科学概念 ② 掌握各种燃料具体性质 2.基本方法： 燃烧静力学计算 ① 掌握计算原理和方法 ② 通过计算加深对燃料性质的了解 3.基本理论：燃烧机理 ① 掌握和理解基本概念 ② 了解影响燃烧过程的因素
4.基本能力 ① 掌握燃烧方法 ② 燃烧装置的设计和工作原理 5. 学习要求 ① 正确地选择燃料 ② 掌握燃烧计算方法 ③ 组织燃烧过程 ④ 设计燃烧装置
特性
W用
发热量 颜色 光泽 表观比重 硬度 反应性 可燃性 粘结性
泥煤 褐煤
烟煤
无烟煤
>40
35~50
3~16
1~3
2~2.3万 2.4~3.1万 3.1~3.6万 3~3.5万 暗土色————————————深黑色
无光泽————————————金属光泽
0.5～1.0 0.8～1.3 1.2～1.5 1.4～1.8 小 ——————————————大
氧化物，硫化物，氮化物，水分和矿物质（杂质） 分类（习惯上）：石蜡基（主要是烷烃），稀烃基，中间基
（混合基），芳香基
1.石油加工基本方法：分馏和裂解
加热
⑴直接蒸馏(分馏) ① 常压蒸馏 P≈1atm 液化汽————常压重油 ② 减压蒸馏 P→0atm 最后剩下的为：减压重油
石油 加热常压蒸馏 减压蒸馏 沥青和减压重油
世界平均 中国
40.1% 12.6%
27.2% 76.5%
23% 3.2%
9.7% 7.7%
3.能源分布
国家 中
燃料
保有储量
煤
1665亿吨
国
预测储量
50000亿吨
世界
保有储量
13220亿吨
预测储量
石油
21亿吨（内陆） 300—600亿吨 1573亿吨 50亿吨（海底）
76000亿吨
天然气
2.35万亿立方米
1 x 0.48 x 4.186 x ( 100-20 ) = 161 kJ
Q高 – Q低＝2257 + 418 – 161 = 2512 kJ / kg 燃烧产物中的水分：
① 燃料中原有水分 w %
② 煤中H燃烧后生成的水分
1 H 2 2 O2 H 2O
生成水分：(w + 9H ) /100
kg(水) / kg (煤)
各种煤的性质
特性
H燃 O燃 N燃
V燃
泥煤 53~64 5.0~6.6 28~38 1.5~3.8 >50
褐煤 64~80 3.4~6.0 14~30 0.7~2.5 40~60
烟煤 76~90 3.3~6.0 2~19 0.5~2.2 10~40
无烟煤 90~96 1.0~4.5 0.5~6.0 0.5~1.3 <10
S燃% 2% A干 % 12.5% W 用% 20%
求
C用 H用
O用
N用 S用
A用
及
干
C
干
H
干
O
干
N
干
S?
解：灰分的供用成分
A用% A干 % 100 W 用 12.5% 100 20 10%
100
100
C 用% C 燃 % 100 A用 W 用 72% 100 10 20 50.4%
② 方法二：根据元素分析值计算
杜隆公式：
Q高=4.187[81C+342.5(H-
O )+22.5S]
8
门捷列夫公式：(目前常用)
(kJ/kg)
Q高=4.187[81C+300H-26(O-S)] (kJ/kg) Q低=4.187[81C+246H-26(O-S)-6W] (kJ/kg) 标准煤：7000 kcal/kg=29310 kJ/kg
Q高– Q低＝2512 （W + 9H ) /100 =25.12(W+9H)
例 W=5% H=5%
Q高– Q低＝25.12(5+9 5)=1382.7 kJ/kg
煤的发热量计算：
燃烧热：若已知煤的分子式, 可计算其燃烧热, 但不详
近似计算：根据煤的工业分析和元素分析结果进行计算
① 方法一：根据煤的工业分析值计算Q低 优点：简单方便； 缺点：只考虑固定碳含量和挥发份含 量，误差大。
第二节 重油的化学组成和发热量
定义：单位质量或体积的燃料完全燃烧时所放出的热量叫发热 量。单位：kJ/kg 、J/g
燃烧过程：氧化放热过程
C+O2 CO2+Q
H2+ 12O2 H2O+Q
化学反应热：在封闭体系中体系与外界无动量、质量、热 量交换，在反应过程中体系的压力P、温度T给定，经历 一个等压过程（不对外做功），反应终了时温度恢复到 初始状态时体系所放出的热量。
③ 燃烧产物对被加热物体没有不利作用，对人无害； ④ 燃烧过程能被控制； ⑤ 有足够的储藏量，便于开采和运输，经济上合理。
物态
天然的
人造的
固体燃料 木材、 煤炭、可燃页岩 木炭、焦炭
液体燃料 石油
汽油、煤油、柴油、焦油等
气体燃料 天然气
焦炉煤气、高炉煤气、发生 炉煤气、石油液化汽等
第一章 固体燃料
燃料及燃烧学
主讲教师：陈文仲 刘慧
燃料及燃烧学
绪论
1. 燃料定义 由自身内部结构发生变化或与其它物质
反应使之持续地转化为化学能或核能的物质 总称。 2. 燃烧定义
是燃料与氧化剂之间进行的一种伴有发 光、发热的剧烈化学反应现象称为燃烧。 3. 燃烧学发展史
从远古到现代。
第一节 本学科的性质及研究对象 1.燃料的性质：燃料物理、化学性质
W%+A%+V%+C%=100% 方法：a. 取样；
b. 加热到 1100C ，剩余A%+V%+C%=100%； c. 干馏，隔绝空气加热到 8500C ，7分钟，挥发分V排 除，余者A%+C%； d. 通入空气（ 8500C ）碳完全燃烧，A% 。 ① 挥发分： 煤在隔绝空气的条件下加热所分解出来的气态 产物和以气态逸出的液体产物。 含量：泥煤 V>50% ； 褐煤V=40~60%；烟煤V=10~ 40%；无烟煤<10%;
大 ——————————————小
大 ——————————————小
弱
较弱
强
弱
第二章 液体燃料
天然的液体燃料：原油（石油） 人造的液体燃料：石油加工产品；煤干馏的产品；煤气化产品
（焦油）；煤液化产品；合成石油。 第一节 工业液体燃料的组成 组成：烷烃 CnH2n+2，环烷烃 CnH2n，芳香烃CnH2n-6 ，稀烃CnH2n ，
3.煤的比重和气孔率
真比重：无气孔，压实 1200~1800 kg/m 3 表观比重：550~800 kg/m 3
气孔率：由表观比重和真比重的差值计算
4. 煤的热性质 ① 热容（比热）： 烟煤约为 1~1.09 kJ/kgoC
② 煤的导热系数： 80 oC以下时 =0.14~0.27 w/moC
燃料的成分、稳定性、发热量、导热性、耐热性、黏度、 可燃性等。 2.燃烧理论：燃烧过程中所包含的基本现象。
燃烧反应机理、点火、（自燃）着火、熄火、火焰传播机 理、火焰结构以及油滴和碳粒的燃烧过程。 3.燃烧技术：解决工程实际问题。
第二节 能源形势
1.能源种类和品质 (1) 种类：一次能源(煤、石油、天然气、风、水、太阳能、
C用% H 用% O用% N 用% S用% A用% W 用% 100%
②干燥成分：除水分含量以外个组分之和为100%
C 干 % H 干 % O干 % N 干 % S 干 % A干 % 100%
③ 可燃成分：不包括水分和灰分的成分表示方法
C 燃 % H 燃 % O燃 % N 燃 % S 燃 % 100% 例. 已知 C燃% 72% H 燃% 5% O燃% 20% N 燃% 2%
性质：基本上由C—H化合物组成，是可燃混合物，其含 量取决于煤的年龄。V对燃烧过程有影响。 ② 灰分：在高温、有足够空气的情况下，煤中一切可燃质 完全燃烧之后，燃料中的矿物残余物。 分类：a.原生灰分；b.再生灰分；c.三生灰分。 害处：a. 降低了煤的发热量；
b. 降低了燃料的利用程度； c. 造成扒渣等的困难； d. 对燃烧过程有不利影响； e. 在炼焦时，容易结块； f. 增加运输成本。 评价灰分指标：熔化性 高熔点灰分：SiO2、Al2O3；
③ 着火温度：干燥褐煤 250 oC； 无烟煤500 oC； 5.煤的粘结性、结焦性 粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，
煤颗粒相互粘结形成焦块的性质。
结焦性：一种煤或几种煤混合后在隔绝空气，高温下的粘结 性。
6.煤的反应性，可燃性 反应性：煤中的C与CO2和H2O进行还原反应的能力。 可燃性：煤中的C与氧气进行氧化反应的能力。 7.煤的耐热性 煤在高温下易于破碎的能力
100
100
H 用% 3.5% O用% 14% N 用% 1.4% S 用% 0.7%
C 干 % C 燃 % 100 A干 63% 100
H 干% 4.38% O干% 19.5% N 干 % 1.75% S 干% 0.87%
第二节 煤的使用性能 1.煤的工业分析
目的是测出煤中水分、灰分、挥发分、固定碳的含量