第二章 燃料与燃烧计算

能源与燃料
• 一次能源——自然界中不需加工，可直接应用的能 源。煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能等
• 非再生能源——其中矿物燃料和核燃料的生成速度极慢， 而消费速度不断增长，最终会枯竭 • 再生能源——在自然界的物质和能量循环中能够重复生产 的能源，如水能、风能、海洋能、生物质能、太阳能等， 能量的消耗速度可与再生速度持平，经久使用而不会枯竭
1. 2. 3. 4. 5. 6. 密度 粘度 凝固点 比热容 闪点和燃点 爆炸极限
1.密度
• ρ420
• 柴油：0.831~0.862 • 重油：0.94~0.98
• ρ4t= ρ420-α(t-20) • 密度越小，含氢量越多，含碳量越小，发热量 越高
2.粘度
• 表征流动性能的特性指标
• 粘度大，流动性差，在管道内输送阻力大，装卸和雾化困难
一 气体燃料的分类
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）
煤的类型
烟煤
碳化程度次于无烟煤，含碳量较高，40～60%,杂质少，发热量较 高, 约为20000～30000 kJ/kg；
挥发分含量较高，约10～ 45%，着火及燃烧均较容易
贫煤
挥发分含量10～20%的烟煤
挥发份较少，性质介于无烟煤与烟煤之间，燃烧性能方面比较接近 无烟煤；
劣质烟煤 挥发份20～30%；但水分高，灰分更高的烟煤 发热 量低，为11000～12500 kJ/kg
实验室条件下风干后，除去外在水分的 燃料的实际应用成分，以入 炉煤（包括煤的全部成分）
各种基换算
• 已知Cdaf，求Car
Car Cdaf 100 Aar War % 100
已知基相 应成分 换算 系数
• 换算公式 x＝Kx0
换算基相 焦结性 灰熔点
• 根据中国化石燃料的储量及开采利用的情况，在相当长 的时间内，煤不仅是中国，也是世界上最重要的一次能 源
第一节 燃料的化学成分
• 锅炉常用燃料的组成
• 可燃质——高分子有机化合物 • 惰性质——多种矿物质
• 燃料的化学成分及含量，可通过两种方法测得
• 元素分析法——C H O N S A M • 工业分析法——固定碳Cgd、挥发分V、水分、灰分。
煤的工业分析成分
• • • • 水分(M) 灰分(A) 挥发分(V) 固定碳(FC)
二、燃料成分分析数据的基准与换算
• 燃料各成分百分数经常变化，提供或应用燃料成 分分析数据，须表明其分析基准（计算基数） • 元素分析和工业分析，常采用四种分析基准
稳定成分，用于判断煤的燃烧特性和分类
不受水分影响，用干燥基灰分反应灰分的影
煤的常规特性对锅炉工作的影响
挥发分的影响:
地质年龄↓Vadf↑易着火↑易燃烬↑硬度↓但↓
水分的影响: Mar↑↓着火↓燃烬↓θ”l↓Q4↑积灰↑腐蚀↑ 灰分的影响: Aar↑↓Q6↑Q4↑Q4↑积灰↑磨损↑结渣↑ 灰熔点的影响: 灰熔点（DT、ST、FT）↓ 结渣↑
• 爆炸上限、爆炸下限
• 轻质燃料油的爆炸范围较小，重质燃料油的爆 炸范围较大，即其爆炸危险性大
• 汽油1.4~8% • 原油1.7~11.3%
三、锅炉常用燃料油
• 锅炉常用燃料油分柴油、重油
• 柴油一般用于中、小型供热锅炉、生活锅炉以及大 型锅炉的点火和稳定燃烧 • 重油大多用于电站锅炉
• 燃料油成分与煤一样，主要元素是碳和氢—— 清洁型燃料
一、燃料的元素分析成分
碳(C) 氢(H) 氧(O)
对于既定燃料， 绝对含量不变 随开采、运输、贮存、 气候等条件变化
基本 成分
氮(N) 硫(S) 灰分(A) 水分(W)
机械附着和润湿在燃 料颗粒表面及大毛细 孔中。易于蒸发
外在水分(Mf) 内在水分(Minh)
吸附和凝聚在颗粒内部 毛细孔。不易蒸发， 105～110℃可烘干
4.比热容
• 1kg燃料油温度升高1℃所需要的热量 • Ct=1.73+0.002t kJ/(kg .℃)
• 重油在20~100 ℃时，平均比热容近似为1.8~2.1 kJ/(kg .℃)
5.闪点与燃点
• 闪点
• 在温度升高时，油面蒸发的油气增多，当油气和空气的混合 物与明火接触时，发生短暂的闪光(一闪即灭) 时的油温
• 按干燥无灰基挥发分Vadf （煤化程度）多少，对煤分类
Vadf≤10% 无烟煤 Vadf＝10～20 贫 煤 Vadf＝20～40 烟 煤 Vadf＞37 褐煤
煤的类型
无烟煤
碳化程度高，含碳量很高，达95%，杂质很少，发热量很高,约 为25000～32500 kJ/kg；
挥发份很少，小于10%，Vdaf析出的温度较高（可达400℃）， 着火和燃尽均较困难,储存时不易自燃 褐煤 碳化程度低，含碳量低，约为40～50%，水分及灰分很高，发热 量低, 约10000～21000 kJ/kg； 挥发分含量高，约40～50%，甚至60%，挥发分的析出温度低 （＜200℃），着火及燃烧均较容易
2 高低位发热量之间的换算：
标态下干燃气（干燥基）
发热量的测定
几个重要概念
标准煤 劣质煤 折算成分 = 29310 kJ/kg
≤ 12500
kJ/kg
相对于每4190 kJ/kg收到基低位发热量的煤中所含 的收到基水分、灰分和硫分，称为折算水分、折算灰分和折算硫分
M ar 4190, %............... Qar .net M Aar M ar . zs Aar . zs Q ar 4190, 4190,%............... %................ ar . net Q ar . net A ar S A 4190, %................ ar . zs S ar . zs Q ar 4190, %................ ar . net Q ar . net S ar S ar . zs 4190, %................ Qar .net M ar . zs
• 燃料油在t℃时的恩氏粘度
Et ＝τt／τ20 200ml试验油在温度 为t℃时从恩氏粘度 计中流出的时间
oE
粘度计常数：200ml、20℃ 的蒸馏水从同一粘度计中流 出的时间（51±1s）
• 换算：运动粘度(40℃)——恩氏粘度 • 相对分子量越小，沸点越低，粘度就越小。 • 在运输、装卸和燃用时需预热，通常要求喷 嘴前油温在100℃以上，粘度不大于4 oE
第 二 章 燃 料 与 燃 烧 计 算
能源与燃料
• 能源是自然环境中存在的，通过人类开发能够 产生各种能量的物质资源，是人类赖以生存的 基础和国民经济发展的动力 • 根据能量的利用形式和性质分类
• 燃料能源——以化学能或原子能形式储存于物质中， 通过燃烧或原子裂、聚变后释放出热能的自然资源。 如化石燃料、草木、沼气、核燃料 • 非燃料能源——以光能、机械能或热能形式存在， 可以直接利用的能量资源。如太阳能、水能、风能、 地热能
• 燃点
• 油温继续升高，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) 时的油温
• 燃点高于闪点 • 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标，燃料油的预 热温度必须低于闪点，敞口容器的油温至少比闪点低 10℃.
6.爆炸极限
• 引发爆炸时空气中含有燃料油蒸气的体积分数 或浓度
第五节 气体燃料
• 由可燃和不可燃单一气体成分组成的混合气体
碳氢化合物、氢气、一氧化碳 氧气、氮气、二氧化碳 水蒸气、焦油和灰尘等杂质
• 天然气体燃料
• 自然界中直接开采和收集的，不需加工即可燃用的 气体燃料
• 人工气体燃料
• 以煤、石油或各种有机物为原料，经过各种加工而 得到的气体燃料 • 沼气——生物质能源
合格品
2.重油
• 石油炼制加工工艺中提取轻质馏分后的重质馏 分和残渣的总称，燃料油中密度最大的油品 • 重油按0E50分四个牌号：20、60、100、200
• 相应于该油品在80℃时的运动黏度值
3.渣油
• 蒸馏塔底的残留物，不经处理直接作为燃料。 主要成分为高分子烃类和胶状物质，含硫量相 对较高
硫分的影响:
Sar↑ tld↑ 低温腐蚀↑ 污染环境↑ 煤粉仓自燃↑
第三节 煤的分类
• 埋藏在地层深处的古代植物残骸，在地壳压力、地热和 隔绝空气等条件作用下，经过几千万年乃至上亿年逐渐 碳化而形成的有机生物岩
• 煤化程度逐年加深，所含水分和挥发物随之减少，碳含量相应 增大 • 形成各类不同品种的煤，表现出不同的特性
3.凝点
• 燃料油由液态变为固态时的温度
• 复杂的混合物，没有一定的凝固点：随温度逐渐降 低时，变得越来越稠，直到完全丧失流动性
• 测定方法
• 将试样油放在试管中冷却，倾斜450，试管中的油面 经过5~10s保持不变时的油温 • 汽油：<-80℃；柴油：-30~-50℃；重油：15~36℃
• 低温下输送凝点高的油时，油管易阻塞不通， 应采取加热或防冻措施 • 石蜡含量高，油凝点高
中国化石燃料储量及消费结构
项目 截至94年底探明可 采储 量(中国／世界总量） 煤／ 100Mt 1145／ 10438.6 3 75.0 石油／ 100Mt 33／1373 10 15.7 天然气／ 108m3 1700／ 141000 11 1.9
探明可采储量 在世界的排位 94年一次能源中化石燃 料的消费结构／％）
这两种烟煤着火及燃烧均较困难
第四节 液体燃料
一、燃料油及其分类
• 石油经过蒸馏、裂化等一系列加工处理后的部分产品， 如汽油、煤油、柴油和重油等
• 利用石油中不同成分具有不同沸点的原理，进行加热蒸馏， 将石油分成不同沸点范围（馏程）的蒸馏产物
二、燃料油的物理特性
• 特性指标——影响输运、贮存和燃烧使用的 正常和安全
• 二次能源——经由一次能源处理和能量形式转换而 得到的能源。焦炭、重油、煤气、电力、蒸汽等
能源与燃料
• 常规能源——在工农业生产和人类生活消费中 得到广泛应用的部分
• 煤炭、石油、天然气、水力、核裂变等
• 新能源——其余的部分
• 太阳能、风能、地热能、海洋能、核聚变能等，受 到现阶段科学技术水平的限制，尚未大规模开发和 广泛使用
• 氢含量多——发热量高，易着火燃烧；燃烧后生成 大量水蒸气，容易在尾部低温部位凝结，导致低温 腐蚀 • 管道运输——便于运行调节、储存、管理 • 灰含量低——不需除渣，受热面很少积灰和磨损
1.柴油
• 密度较小，黏度小，流动性好，雾化不用预热，可用直接 点火方式启动锅炉；含硫量不大，对环境污染小，容易挥 发，发生火灾的可能性和危险性大 • 按馏分的组成和用途分轻柴油和重柴油 • 轻柴油运输和使用温度必须高于凝点3~5℃，避免油管 堵塞 优等品 一等品 轻 按质量 柴 油 按凝点 10 0 -10 -20 -35 -50
二 气体燃料的发热量
• 标准状态下1m3气体燃料完全燃烧时所放出的 热量，称为气体燃料的发热量（kJ/m3),液化石 油气为kJ/kg。 • 同样有高位发热量、低位发热量 • 可以是以1m3湿燃气或者以1m3干燃气（带dkg 水蒸气）为基准计算高、低位发热量。
1 气体燃料的发热量：
Q Q1 1 Q2 2 ... Qn n kJ / m3