1、第二章第二章 燃料与燃料计算燃料与燃料计算建工学院 周智勇2-0 概述概述 燃料分类 固体燃料 液体燃料 气体燃料 燃烧计算 燃料所需提供的空气量 燃烧生成的烟气量 空气及烟气焓计算2-0 一次能源 从自然界取得未经改变或转变而直接利用的能源 如原煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能、海洋能、潮汐能、地热能、天然铀矿等 可再生能源 具有自我恢复原有特性，并可持续利用的一次能源 如太阳能、水能、生物质能、氢能、风能和波浪能等 不可再生能源 泛指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源 如煤、石油、天然气、核能和油页岩 二次能源 由一次能源经过加工转换以后得到的能源 如电力、蒸汽、煤气、汽油、
2、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等2-0项目天然燃料人工燃料固体燃料木柴、泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤、石煤木炭、焦炭、煤渣砖、煤粉液体燃料石油汽油、煤油、柴油、重油气体燃料天然气高炉煤气、发生炉煤气、炼焦炉煤气、液化石油气2-1 燃料的化学成分燃料的化学成分 燃料的元素分析成分 碳 主要可燃元素，完全燃烧32866kJ/kg 碳非单质，与氢（烃）、硫、氧、氮结合成高分子化合物 氢 重要可燃元素，完全燃烧120370kJ/kg 氮及氧 不可燃成分，习惯上划归可燃成分 硫 有害元素，完全燃烧9050kJ/kg 燃烧产物是二氧化硫和三氧化硫，与水生成（亚）硫酸 有机硫和硫铁矿硫，可燃硫
3、；硫酸盐硫，灰分不可燃 全硫含量即为可燃硫含量2-1分析方法 元素分析要得到燃料中有机质的碳、氢、氧、氮、硫等五种元素含量 工业分析要获得水分、挥发分、固定碳、灰分的百分组成灰分 夹杂在燃料中的主要不可燃矿物质 灰分多则着火燃烧困难/受热面易积灰/烟速快增加磨损 灰分熔点低则炉排（内）受热面上会结渣而破坏燃烧和恶化传热 固体、液体、气体中灰分含量依次减少水分 燃料中的主要杂质，使可燃元素相对减少，从而发热量降低 水分汽化吸收热量，使炉膛温度降低，燃烧着火困难，排烟带走的热损失增加，加剧尾部低温受热面的低温腐蚀和堵灰。分外在水分Mf和内在水分Minh，内在水分是凝聚或吸附在燃料内部毛细孔中的水分
4、，外在水分是吸附或凝聚在燃料颗粒表面或大毛细孔的水分 注：moisture，face，inherent2-1 燃料成分分析数据的基准与换算 固体燃料和液体燃料的组成成分均用质量分数来表示：C+H+O+N+S+M+A=100（P20改正，质量百分数）四种分析基 收到基 以收到状态的燃料（进厂原煤或炉前应用燃料）为分析基准 空气干燥基 以与空气达到平衡状态的煤为分析基准，即实验室条件下（201），（651）%）自然干燥后燃料 干燥基 假想无水状态的燃料为基准，除去全部水分的干燥燃料 干燥无灰基 除去全部水分和灰分的燃料作为分析基准2-1 燃料成分分析数据的基准与换算 气体燃料用各组成气体的体积百分
5、比表示，通常以干燥基作为分析基准，水分以标准状态下1m3干燥气体燃料携带的水蒸气克数（g/m2）2-1 燃料成分分析数据的基准与换算 收到基（arrive）Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100 空气干燥基（air dry，P20书误）Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100 干燥基（dry）Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100 干燥无灰基（dry&air-free）Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100 2-1 基换算公式 x=Kx0（换算前x0，换算后x，换算系数K见P22表2-1）适用于水分以外的换算 例题（P22例题
6、2-1）计算换算系数时百分比要乘以100 干燥基收到基：Ad Aar 干燥无灰基收到基：C、H、O、S、N（daf ar）空气干燥基水分收到基外在水分，收到基水分，adfararfaradfararfararMMMMMMMM100100Minf2-2 煤的燃烧特性煤的燃烧特性 发热量 燃料发热量是指1kg燃料（气体燃料为1m3）完全燃烧时所放出的热量，单位为kJ/kg（或kJ/m3）高位发热量和低位发热量 高位发热量Qgr（gross）是燃料完全燃烧时放出的全部热量，包含燃料燃烧时产生的水蒸气的汽化潜热 低位发热量Qnet 是从高位发热量中扣除水蒸气汽化潜热后的发热量，接近锅炉运行的实际情况2
7、-2 固体高位和低位发热量换算 1kg收到基燃料生成的水蒸气为(9Har/100+Mar/100)，水的汽化潜热2512kJ/kg，则可推导出：Qgr,ar=Qnet,ar+226Har+25Mar Qgr,ad=Qnet,ad+226Had+25Mad Qgr,d=Qnet,d+226Hd Qgr,daf=Qnet,daf+226Hdaf 注意 各分析基准高位发热量用表2-1换算 各分析基准低位发热量用表2-2换算2-2 发热量确定 测定法 采用氧弹测热器来测定固体和液体燃料的发热量，煤的空气干燥基高位发热量Qgr,ad（kJ/kg）与弹筒发热量Qb,ad（kJ）有如下关系：Qgr,ad=Q
8、b,ad-94.1Sb,ad-Qb,ad Sb,ad是由弹筒洗液测得的含硫量；当全硫含量14.60MJ/kg时，用全硫含量代替Sb,ad，使用百分数含量 94.1为空气干燥煤样中每1.00%硫的校正值（P24单位应为kJ）公式法arararararMSOHC251091030339Q.arnet,门捷列夫经验公式ararararararararararnetMAMAMkOkSkHkCk2510100100100100Q.54321,式煤碳科学研究院经验公2-2 例题2-2（P25）根据表2-2的公式，将Qnet,daf换算成Qnet,ar 门捷列夫经验公式 Ad25%，不超过600kJ/kg
9、Ad25%，不超过 800kJ/kg 煤碳科学研究院经验公式 根据表2-3确定系数2-2 标准煤 煤的发热量不同，不宜用煤耗量进行经济性分析 标准煤的收到基低位发热量为29308kJ/kg（7000大卡/kg）公式：Bb=BQnet,ar/29308（kg/h）Bb标准煤消耗量kg/h，B锅炉用煤实际消耗量，Qnet,ar锅炉用煤收到基低位发热量 折算成分 每送入炉内1MJ热量的收到基燃料，随之而进入炉内的有关成分（如灰、水及硫分等）的质量，其表达式为：arnetararnetararnetarQSQAAQM,zs,zs,zs1000S,1000,1000M2-2 挥发分 失去水分的干燥煤样置
10、于隔绝空气的环境加热至一定温度时，煤中有机质分解而析出的气态物质称为挥发分 主要包括各种烃、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气体和少量氧、二氧化碳及氮等不可燃气体组成 煤化程度高，则挥发分少、析出温度高、发热量高 焦结性 煤在隔绝空气中加热时，水分蒸发、挥发分析出后的固体残余物是焦炭，它是由固定碳和灰分组成 灰熔点 当焦炭中的可燃物固定碳燃烧殆尽，残留下来的便是灰分，灰分的熔融性习惯上称作煤的灰熔点 变形温度、软化温度、半球温度和流动温度2-3 煤的分类煤的分类 分类标准 采用表征煤的煤化程度的参数，即干燥无灰基挥发分Vdaf（volatilize）作为分类依据，将煤分为无烟煤、烟煤、贫煤、褐煤四类
11、 特点 Vdaf越高 煤化程度越低 析出温度越低 着火迅速、燃烧完全 挥发分发热越低2-3 褐煤 煤化程度低，Vdaf 高达3750%，析出温度低 水分和灰分含量高，发热量不高，11502100kJ/kg 烟煤 除无烟煤和褐煤外的8个品种统称为烟煤 含碳量高，挥发分多，Vdaf 2040%，易于着火 灰分和水分含量较少，发热量较高 贫煤 烟煤8个品种中的贫煤和挥发分相近于贫煤的瘦煤全称为贫煤 烟煤一类，煤化程度低于无烟煤，Vdaf 1020%较烟煤难着火燃烧，发热量介于无烟煤和一般烟煤间 无烟煤 煤化程度最高，碳含量高，Vdaf 10%着火困难，不易燃尽烧透，发热量高达2093025120kJ
12、/kg2-4 液体燃料液体燃料 液体燃料来源 石油经过蒸馏、裂化后的油质燃料 煤、油页岩、油砂、生物质经过加工后的合成液体燃料 石油加工处理 常压蒸馏：大气压力下加热蒸馏，残渣为常压重油 减压蒸馏：真空条件下加工，沸点降低，残渣为减压重油 裂化：常压重油和减压重油，被加热至较高温度，分子量大沸点高烃类变为分子量小沸点低烃，残渣为裂化渣油 产物：轻馏分（石油气，汽油）中馏分（煤油，柴油，重瓦斯油）重馏分（润滑油，渣油）2-4 燃料油分类 商品、自用 常压、减压、裂化和混合 船用内燃机（蒸馏重油和柴油）和炉用（减压或裂化渣油，或混合，或加裂化轻油）燃料油物理特性 密度 以20时密度与4纯水密度之比
13、值为基准密度，符号 密度越小，含氢量越多，含碳量越小，发热量越高)20(2044tt2042-4 黏度 表征物体流动性能的指标，表示燃料的易流动性、易泵送性和易雾化性 恩氏粘度Et 以200ml试验燃料油在温度为t时，从恩氏粘度计中流出的时间t与 200ml温度为20的蒸馏水从同一粘度计中流出的时间20之比 恩氏粘度与运动粘度t换算 分子质量越小，沸点越低，黏度越低，汽油、煤油、柴油、重油EEtt020smEEttt/1031.631.724002-4 凝固点 燃料油液态变为固态时的温度 燃料油在倾斜45的试管中，油面经过5-10s保持不变 汽油最低-80 ，柴油-30-50，重油最高 柴油牌
14、号按凝固点来分：5#、0#、10#石蜡含量越高，油的凝固点越高 比热容 1kg燃料油温度升高1 所需要的热量，符号C Ct=1.73+0.002t，单位kJ/(kg.)，t燃料油温度 20100 时，重油平均比热容近似取1.82.12-4闪点和燃点 闪点是油气和空气混合物与明火接触而发生短促闪光时的油温 沸点越低，分子质量越小，闪点越低，轻质燃料油闪点低 燃点是油气和空气混合物遇到明火能着火燃烧并持续5s以上的最低油温，比闪点高1030 爆炸极限 引发爆炸时空气中所含燃料油蒸气的体积分数或浓度，单位%或g/m3 可能引起爆炸的最小和最大油品蒸气体积分数或浓度，称为爆炸上限和下限；上限和下限之间
15、的区域即为爆炸范围油品等级闪点/油品名称油品组别油品等级闪点/油品名称油品组别一级28以下汽油、苯易燃油品三级45120轻柴油、重柴油、重油可燃油品二级2845原油、煤油四级120以上重柴油、重油、渣油2-4 锅炉常用燃料油 柴油 密度较小，黏度小，流动性好，雾化性好，含硫量小，易挥发 轻柴油（10、0、-10、-20、-35、-50六个牌号）和重柴油（10、20、30三个牌号）重油 石油炼制加工中提取轻质馏分后剩余的重质馏分和残渣的总称 碳氢含量高，灰分水分含量少，发热量高，清洁燃料 重油按50时恩氏黏度 E50分为四个牌号20、60、100、200四个牌号，与80 时运动黏度相等 渣油 蒸
16、馏塔底的残留物，主要成分为高分子烃类和胶状物质 P36 表2-12 设计用代表性燃油品种的油质资料2-5 气体燃料气体燃料 气体燃料的分类 天然气体燃料 气田气 纯气田开采出的可燃气 主要成分是甲烷 低位发热量3600042000kJ/m3 油田气 石油开采过程中因压力降低而析出的气体燃料 主要成分是甲烷和其他烃类 低位发热量3900044000kJ/m3 煤田气 俗称矿井瓦斯，是煤矿在采煤过程中从煤层或岩层中释放出来的一种气体燃料 低位发热量1300019000kJ/m32-5气体燃料的分类 人工气体燃料 气体炉煤气 以煤、焦炭与气化剂如空气、水蒸气和氧气等作用而生成的煤气 分类 发生炉煤气
17、，可燃成分40%（氢、甲烷、一氧化碳），Qnet低至50005900kJ/m3（标准状态0和1个大气压）水煤气，可燃成分80%（氢、一氧化碳），Qnet为发生炉煤气2倍 加压气化煤气，Qnet高达16000kJ/m3 焦炉煤气 煤在炼焦过程中副产品，氢和甲烷含量达7090%，Qnet高达1500017200kJ/m3 高炉煤气 炼铁高炉的副产品，二氧化碳和氮气达5570%，Qnet低至32004000kJ/m3 油制气 以石油及其加工制品经由加热裂解等制气工艺获得的燃料气，分蓄热裂解气、蓄热催化裂解气、自热裂解气、加压裂解气，Qnet高达2000040000kJ/m3 液化石油气 气田、油田开
18、采或石油炼制过程获得的气体燃料，Qnet高达90000120000kJ/m3 沼气 生物质在厌氧环境中经发酵分解得到的气体燃料，Qnet为23000kJ/m3 地下气化煤气 把含有工业氧的空气送入地下煤层，使煤在火巷中氧化而生成的煤气2-5 气体燃料的发热量 概念 标准状态下1m3气体燃料完全燃烧时所发出的热量，单位kJ/m3，液化石油气可用kJ/kg 混合法则 Q=Q1r1+Q2r2+Qnrn，Qi为各可燃成分发热量 近似计算公式 组分含量用体积百分数，各组分发热量见表2-13 气体燃料计算基准 1m3湿燃气，或1m3干燃气带有dkg水蒸气的干燃气 标准状态下干燃气（干燥基）高低发热量之间换
19、算nmnmHCarnetHCHarnetHCOarnetCOSHarnetSHarnetQQQQ,222201.0Q为体积百分数ddnmdSHHCHdnetdgrnQ22259.19Q,2-5 标准状态下湿燃气（收到基）高低发热量换算 标准状态下干湿燃气高低发热量换算3,/,259.19Q833.0833.02352259.19Q22222mkgdnQddnQrOHSHHCHarnetargrrrSHHCHarnetargrarararnmarararnmar燃气含湿量PPPPQddQPPPPQdQbbggrargrrrdgrbbdnetarnetrdnetarnet1959)1(Q833.0
20、833.0)2352(Q)1(Q833.0833.0Q,argr,燃气绝对压力气饱和分压力，与燃气相同温度下水蒸燃气相对湿度，2-5 气体燃烧的特点 基本无公害，有利保护环境 硫分和灰分含量少，还可控制NOx量 运输方便，使用性能优良 可管道运输，消除了输送中有害气体、粉尘和噪声 与空气充分混合而燃烧充分，流动性便于预热，可用较高烟气流速 易于燃烧调节 选择好合适的燃烧器，可方便地在较宽范围内调节燃烧 注意使用安全 气体泄漏中毒和爆炸 锅炉常用代表性燃气及组成成分和特性见表2-142-6 燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算 计算内容 燃料燃烧时所需的空气量、生成的烟气量，以及空气和烟气的焓 固体和液
21、体燃料燃烧理论空气量 1kg收到基燃料完全燃烧而又无过剩氧存在时所需的空气量称为理论空气量，单位m3/kg，符号 已知燃料收到基低位发热量，可用经验公式计算 贫煤及无烟煤、烟煤、劣质煤、液体燃料计算公式分别见P42P43页公式2-32、2-33、2-34、2-350kVararararararararararararOHSCOHCOHC0333.0265.0)375.0(0889.01007.010055.5100S7.0100866.121.01100324.22100016.24.22100S324.22100124.2221.01V0k2-6气体燃料的燃烧理论空气量 标准状态下1m3气体
22、燃料完全燃烧又无过剩氧时所需空气量气体燃料燃烧所需理论空气量 已知气体燃料收到基低位发热量时，理论空气量可按P43页公式2-37、2-38计算 烷烃类气体燃料（天然气、油田伴生气、液化石油气），已知收到基低位发热量时，理论空气量可按P43页公式2-39、2-40计算燃烧所需实际空气量计算 由于关入空气不可能与燃料完全混合，因此实际空气量大于理论空气量OHnmCOOnmHnmnmOSHHCCOnm222H0k2)4(C)43P(5.1)4(5.05.021.01V222有误过量空气系数实际空气量，k0kkV,VV 2-6 固体和液体燃料燃烧生成的理论烟气量计算 如供给燃料以理论空气量，燃料完全燃
23、烧，则烟气中只含有CO2、SO2、H2O和N2四种气体，此时烟气体积为理论烟气量，用符号 表示，单位m3/kg 二氧化碳体积 二氧化硫体积 三原子气体体积ararSOCOROS375.0C01866.0VVV2220VyararC01866.0100C124.22V2COararS007.0100S324.22V2SO2-6 固体和液体燃料燃烧生成的理论烟气量计算 理论水蒸气体积 d为0.010kg/kg，干空气密度1.293kg/m3，水蒸气比容v为1.24m3/kg，雾化重油耗汽Gwhkg 理论氮气体积 理论烟气量 已知燃料收到基低位发热量，煤及液体燃料的理论烟气量可用经验公式2-49、2
24、-50、2-51计算whkwhkOHGGdvV24.1V0161.0M0124.0H111.024.1293.1100M184.22100H016.24.22V0arar0arar02ararNNN008.0V79.0100284.22V79.0V0k0k020H00H0NRO02222VVVVVVOgyOy（理论干烟气体积）2-6 固体和液体燃料燃烧生成的实际烟气量Vy计算 过量空气体积 过量空气中氧气体积 过量空气中氮气体积 过量空气中水蒸气体积 实际烟气量 实际干烟气体积0k0H0NRO0k0y1)V-1.0161(VVV1)V-1.0161(V222OyV0k0kk1)V-(VV0k0
25、OO1)V-(21.0VV220k0NN1)V-(79.0VV220k0NN1)V-(0161.0VV220k0NROgy1)V-(VVV222-6 气体燃料燃烧生成的理论烟气量 三原子气体体积 水蒸气体积 氮气体积 理论烟气量 理论烟气量也可以由收到基低位发热量计算得到 烷烃、焦炉煤气、低位发热量小于12600kJ/m3的气体燃料，可按P47页公式2-61、2-62、2-63计算0N0OHRO0y222VVVVSHHCCOCOnmm22201.0VRO有误）系数空气含湿量，书燃气含湿量，（12046P124201.0V00H222krkkrHCSHHOdddVdnnm有误）（书 46P01.
26、0V79.0V220k0NN2-6 气体燃料的实际烟气量计算 三原子气体的体积 水蒸气的体积 氮气的体积 氧气的体积（过量氧气）实际烟气量0k0Hk0k0HV10161.0VV10g/kgdV124.1VV2H22H2）（时，当）（OOOkOd0RO2RO2VV0k0NNV179.0VV2200yy000yyKKKV10161.1VV/10V124.1V1VV时，当kggddkk0kOV121.0V22-6 烟气和空气的焓 空气和烟气的焓分别表示1kg（或1m3）燃料燃烧生成的所需空气和烟气，在等压下从0加热到所需的热量，用Ik 和Iy表示 理论空气焓 实际空气焓 理论烟气焓 实际烟气焓 经验
27、公式见P48页公式2-71、2-72时的焓三原子气体在为Cm1I03RO0002222222ccVcVcVOHNROROyOHN时的焓干空气连同水蒸气在为Cm1I0300kkkkccVkkcV0kI（包含水蒸气）（过量空气的焓）00k0I)1(IIIIkyyy2-6 P48页例题2-3 理论空气量计算 理论烟气量计算 理论空气焓计算 理论烟气焓计算 实际烟气焓0kV2ROV0N2V0OH2VkkkcV00I OHNROROycVcVcVOHN222222000I00k0I)1(IIIIkyyy2-7 锅炉烟气分析及其结果的应用锅炉烟气分析及其结果的应用 烟气分析 实际烟气量 奥氏烟气分析仪 利
28、用具有选择性吸收气体的化学溶液，在同温同压下分别吸收烟气中的相关气体成分，根据吸收前后体积变化求出各组分气体百分数 量筒吸入烟气，由吸收剂瓶分别吸收三原子气体、氧气和一氧化碳，根据量筒刻度变化即可知各组分含量，剩余气体即为氮气 苛性钠/钾溶液、焦性没食子酸的碱溶液、氯化亚铜溶液分别用来吸三原子气体、氧气、一氧化碳 购置成本低但使用成本高，气体必须人工取样，只能逐一分析各组分，不具备多重输入和信号处理，逐渐被全自动分析仪替代，如红外线气体分析仪COOHOyVVV2222NROVVVCOOyVV222NROgVVV2-7 烟气分析结果的应用 烟气量的计算 样本干烟气中百分比含量实际烟气中RO2和C
29、O的体积含量干烟气体积水蒸气体积实际烟气体积 干烟气计算 烟气中组分含量计算 固体和液体燃料 气体燃料 实际烟气量计算）、得（干烟气试样中已经测COROCOROSCOg2222%VVCOOyVVararSOCOSCOS375.0C01866.0VVV2222OCOVVSHHCCOCOOCOnmmVV22222201.0VVVSOCOSCOOHgyy2VVV2-7 烟气分析结果的应用 烟气中一氧化碳含量的计算 通过干烟气中测得的RO2和O2的百分比含量，可算出不完全燃烧时CO的百分比含量 燃料的特性系数 不完全燃烧时RO2的百分比含量 完全燃烧时RO2的百分比含量（CO含量为零）605.0-21222OROROCOararararS375.0CO126.0H35.21605.021COORO22121121maxORO2RO22，2-7 烟气分析结果的应用 过量空气系数的计算 根据烟气分析结果计算过量空气系数 完全燃烧时过量空气系数 不完全燃烧时过量空气系数 锅炉实际运行时CO为零可视为完全燃烧，干烟气氮气含量取79%22222OROONO10076.3112179112ONOO212179217911217911222COOROCOO2221005.076.311
