欢迎大家来到《工程燃烧学 Ⅰ》课堂！

欢迎大家来到《工程燃烧学Ⅰ》

课堂！课程名称：工程燃烧学Ⅰ课号： 0183100310-1课程属性：热能与动力工程学科专业基础课程必修课程教材：工程燃烧学，汪军、马其良、张振东，中国电力出版社， 2008.7参考教材：燃烧学，严传俊、范玮，西北工业大学出版社， 2008.7 燃烧学，徐通模，机械工业出版社， 2011.1 燃烧学导论， Stephen R Turns （著），姚强，李水清，王宇（译），清华大学出版社， 2009.4任课教师：牛胜利（ email ： [email protected]；电话： 92414 ；手机： 13853147906 ）韩奎华办公地点：山东大学千佛山校区热力楼 308 室

School of Energy and Power Engineering

燃烧与人们的生产、生活紧密！燃烧的研究与探索，对社会文明进程和人类历史发展推动作用巨大！


工程燃烧学绪论能源燃烧现象及本质、燃烧学发展历程燃料的相关定义及组成分析固体燃料燃烧热力学基础燃烧反应计算：燃烧空气量的计算、燃烧产物的组成标准生成焓、反应焓、燃烧焓、化学计量学绝热燃烧温度化学反应平衡

燃烧化学反应动力学基础化学反应速率及其基本概念：反应速率、基元反应、总包反应、质量作用定律、反应级数影响化学反应速率的因素：温度的影响（阿累尼乌斯定律），活化能、压力、反应物浓度、催化作用对反应速率的影响链锁反应：概念及特点，支链反应的爆炸界限着火理论着火过程及方式：着火过程、方式与机理热自燃理论：热自燃条件、热自燃温度、热自燃界限、热自燃孕育期链锁自燃理论：链锁自燃条件、链锁自燃孕育期强迫点燃理论：强迫点燃方法、炽热物体点燃理论、点火的可燃界限


火焰的传播与稳定性煤的燃烧燃烧污染物形成与控制新型燃烧技术进展


能源的概念及现状燃烧及其基本现象扩散燃烧及预混燃烧燃烧学发展简史燃料的概念与分类燃料的组成和特性固体燃料


绪论

章节知识要点

能源的概念与分类

能量：在物理学中，能量被定义为用做功本领量度的物质及其运动的属性。包括机械能、热能、电磁能、化学能、核能、辐射能等。


当物质的运动形式转换时，能量形式同时也发生转换。“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。——《科学技术百科全书》“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。——《大英百科全书》 “在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”。——《日本大百科全书》 “能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。——中国《能源百科全书》

按照能源转换和利用的层次，分为一次能源、二次能源和终端能源。一次能源：又称自然能源，是从自然界取得的未经加工或转换的能源，如原煤、原油和天然气等矿物燃料，树木、农作物、草和水生植物等生物质燃料，以及太阳能、风能、水能、核能等；二次能源：一次能源经过加工或者转换而得到的电力、各种石油产品、焦炭、煤气、煤液、热水、蒸汽等；终端能源：二次能源经过输送和分配，在各种用能设备中使用。天然气是少数可用作终端能源使用的一次能源。




一次能源分为可再生能源与非再生能源。可再生能源：能够重复产生的自然资源，可供人类长期使用而不会枯竭，非再生能源：不能重复产生的自然资源，随着使用不断减少，短期内不会重复产生，最终将会枯竭。按照在当代人类社会经济生活中的地位，能源分为常规能源和新能源。常规能源：技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源。新能源：虽已得到利用，或已引起人们重视，但尚未被人类大规模利用，或在利用技术方面有待进一步研究和开发的能源。


太阳能、风能、水能、海洋能、潮汐能、地热能、生物质能等。煤炭、石油、天然气、核燃料等

煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等

太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能、核聚变能等


按照能源的使用对环境的影响情况，分为清洁能源和非清洁能源。非清洁能源：煤炭、石油等固体和液体燃料在燃烧时，会产生较大的污染，一般均属于非清洁能源；清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能、地热能等非燃料能源基本上不产生污染，天然气、液化石油气等气体燃料燃烧时产生的污染较小，属于清洁能源。按照能源的性质和利用方式，分为燃料能源和非燃料能源。燃料能源：包括矿物燃料（煤炭、石油、天然气等）、生物质燃料（木柴、植物秸秆、沼气、有机废物等）、化工燃料（甲醇、乙醇、丙烷、苯胺、废塑料等）和核燃料（铀、钍、钚等）四种。非燃料能源：风能、水能、潮汐能、海洋波浪能等具有机械能，太阳能、地热能、海水温差能等具有热能。


我国能源消费情况

2011年，我国 GDP约占世界的 8.6% ，但能源消耗占世界的 19.3% 。2011年我国能源消费总量 34.78亿吨标准煤，比前一年增加 7% ，居世界第二位，能源自给率为 90.5% ，比 2010年降低 0.86个百分点；我国人均能源消费 2.59吨标准煤，为世界平均水平。国家能源局统计数据显示，我国三次产业结构比例为 10:47:43 ，单位增加值能耗比约为 1:6:1.5 ，三次产业和生活用能分别占能源消费总量的 2% 、73% 、 14% 和 11% 。据测算，我国一次能源生产总量到 2050 年可达到 35.4 亿吨标准煤，其中原煤 33.5亿吨，原油 2.3亿吨，天然气 1500亿立方米，水电 11540亿千瓦时。


我国单位 GDP 能耗是世界平均水平的 2.5

倍，美国的 3.3 倍，日本的 7 倍。

能源与每个人的生活息息相关，是人类赖以生存和发展工业、农业、国防、科学技术，改善人民生活所必需的燃料和动力来源。

我们生活的世界

世界能源展望


由 30 多个市场经济国家组成的政府间国际经济组织，旨在共同应对全球化带来的经济、社会和政府治理等方面的挑战，并把握全球化带来的机遇，成立于 1961 年，总部设在巴黎。34 个成员国：澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、捷克、丹麦、芬兰、法国、希腊、匈牙利、冰岛、爱尔兰、意大利、日本、韩国、卢森堡、墨西哥、荷兰、新西兰、挪威、波兰、葡萄牙、斯洛伐克、西班牙、瑞典、瑞士、土耳其、英国、美国、智利、爱沙尼亚、以色列、斯洛文尼亚。

未来能源需求注定继续增长

世界能源展望


长远观点：能源消费与燃料结构世界能源展望


历史趋势与发展格局世界能源展望


能帮助我们了解未来将如何发展

世界能源展望


人口、GDP与能源消费之间的关系世界能源展望


变化虽慢，但在发生

世界能源展望


非经合组织经济体推动能源消费增长世界能源展望


燃料结构中煤和石油份额逐渐下降

世界能源展望


随着燃料份额趋同，天然气和可再生能源份额提高世界能源展望


能源供应结构多样化世界能源展望


发展中经济体的工业与发电业世界能源展望


主导能源消费的增长

世界能源展望


限制碳排放的政策将渐趋严厉世界能源展望


新华网北京 2009 年 11月 26 日电，中国 26 日正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到 2020 年单位国内生成总值二氧化碳排放比 2005 年下降 40-45% 。

世界能源展望


燃烧及其基本现象

燃烧煤炭、石油和天然气等矿物燃料将化学能转化为热能，是人类获取大量热能、机械能和电能的主要途径。燃烧：一般指某些物质（通常是木柴、煤炭、石油、天然气等燃料）在较高温度时与氧气化合而发生激烈氧化反应并释放出大量热量的现象，是一些不同的物理和化学现象相互作用的结果。化学反应：燃烧过程中最主要的基本现象，任何一个燃烧过程都会同时发生许多种类的化学反应。热量传递：燃烧过程中必然发生的物理现象，燃烧化学反应将提高火焰介质的温度，而且这些化学反应本身对温度的敏感性也很高。在燃烧所产生的火焰中，热量的传递通过导热、辐射以及由湍流涡旋运动而引起的热扩散进行。


传质现象：广泛存在于燃烧过程中，包括形成火焰的部分或所有气体的对流传质；火焰中某些组分相对于其他组分的分子或湍流扩散。火焰中的气体流动可能是由于火焰本身的流动所引起，也可由于浮力作用而产生。火焰中的炽热气体由于浮力效应而不断上升，从而卷吸较冷的气体来加以补充，结果形成气体的对流。燃烧中的扩散现象是由于火焰中气体组分浓度的显著差异而引起的。因分子无规则热运动使火焰中气体组分由浓度较高处传递至浓度较低处的现象称为分子扩散。在湍流火焰中，凭借气体质点的湍动来进行质量传递的现象称为湍流扩散。


燃烧及其基本现象

蜡烛扩散燃烧分析

蜡烛成分主要为石蜡，且常加入硬脂酸 C17H35COOH 以提高软化点。蜡烛燃烧的主要反应物是空气中的氧气和由蜡烛芯蒸发出来的气态可燃成分。

22 46 2 2 2

17 35 2 2 2

2 67 44 46

26 18 18

C H O CO H O

C H COOH O CO H O

蜡烛燃烧与 O 、 OH 、 CH3 、 HCHO 等有关，通过在火焰内部进行精确测量或者简单观察火焰中出现的少量蓝色来证实。燃烧过程中各种化学反应生成的 CO2 和水蒸气，并提高介质温度。某些情况下也会产生烟炱，而且火焰中的烟炱量多于火焰上方，由于炽热烟炱颗粒发出黄光，所以才可用肉眼识别。


从石油或页岩油的含蜡馏分经冷榨或溶剂脱蜡而制得，主要有正二十二烷 C22H46 和正二十八烷 C28H56 ，含碳量约 85% ，含氢量约 14% 。

由 CH原子团引发的可见光辐射

传热过程：蜡烛燃烧时产生的黄色火焰以光辐射形式满足照明需要产生的高温以辐射传热方式使蜡烛顶部被加热和液化，进一步使液态石蜡蒸发而产生在火焰中进行反应的气态燃料组分。传质作用：与化学反应和传热作用一起将燃烧反应物带入火焰中其中的炽热气体和燃烧产物由于浮力效应不断上升，并由卷吸而来的冷空气以及来自蜡芯的气态燃料组分所替代气体燃料组分与空气通过分子扩散在火焰中均匀混合，反应物分子之间以及反应物分子与燃烧过程中产生的原子和原子团之间充分接触，使化学反应得以发生。



蜡烛的化学反应区将包含氧化性气体的气态介质与包含还原性气体的气体混合物分割开来，形成所谓扩散火焰或称非预混火焰。


燃烧过程中，参与燃烧的是两种不同类型的物质，氧化剂和还原剂，由不同空间位置进入燃烧反应区，相互接触而发生燃烧反应。


预混燃烧

化学反应在火焰中发生， O2 与 CH4之间的反应与蜡烛火焰情况相似。火焰的蓝色特征表明反应区中存在CH 原子团。


若玻璃瓶中 CH4含量很高，所产生的火焰将发黄光（炽热烟炱颗粒引起）。

预混火焰参与燃烧的氧化剂（通常为空气）和还原剂（燃料）在到达反应区之前已完成混合过程，即混合过程先于燃烧过程，在化学反应、传热和传质方面与扩散火焰作用方式不同。

传热过程与蜡烛燃烧不同，此时产生的火焰并非用于照明或者使燃料蒸发，而是用于加热包括预混的空气和 CH4 在内的气体介质。燃烧过程形成一个向瓶底方向迁移的火焰锋面，将其下游区域中的可燃混合物与其上游区域中燃烧产物隔开。传质现象燃烧产物在传热的同时，向火焰锋面前方附近的可燃混合物中扩散；加热引起气体体积膨胀，使得瓶内气体加速喷出瓶口。

预混燃烧


按化学反应传播的特性和方式，燃烧可以分为强烈热分解、缓燃和爆震等形式。强烈热分解：化学反应在整个物质内部展开，反应速度与环境温度有关，温度升高，反应速度加快；当环境温度很高时，就会立刻爆炸，不需要燃烧波穿过可燃介质。缓燃与爆震：化学反应是从某个局部开始，并以燃烧波的形式，按一定速度一层一层自行传播，化学反应在很薄的波阵面内进行。缓燃：即通常所说燃烧，其产生的能量通过热传导、热扩散和热辐射作用传入未燃混合物，逐层加热、燃烧，实现缓燃波的传播；缓燃波通常称为火焰面，传播速度较低，一般为每秒几米到几十米；目前大部分燃烧系统采用缓燃波。

强烈热分解、缓燃、爆震


爆震波：通过冲击波对可爆震混合物一层层强烈冲击产生的压缩作用使其发生高速化学反应实现；传播速度远大于缓燃波，是一种超声速燃烧波；爆震威力大，有巨大的破坏作用；爆震波是爆炸的一种形式。

强烈热分解、缓燃、爆震


工程燃烧设备

工程燃烧：通过有效的人为控制并在确定的燃烧设备中进行的燃烧过程。固体燃料：烟煤、无烟煤、褐煤等天然矿物质燃料，以及木柴、焦炭、木炭、植物秸秆等；液态燃料：石油及其炼制加工产品，包括汽油、煤油、柴油、重油和渣油，以及甲醇、乙醇、植物油等；气体燃料：天然气（气田气、油田气）、液化石油气、人造煤气（焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气）、沼气等人工燃料；

燃烧方式及设备：火床（层状）燃烧（粒径为几十毫米的煤粒在炉排上静止不动，或者靠机械外力作用移动，燃烧设备主要有固定炉排、链条炉排、往复炉排、振动炉排等）、流化床（沸腾）燃烧（燃煤粒径为 0.2-3mm ）和火室（悬浮）燃烧（煤粉粒径小于 100微米，燃烧器组织煤粉气流，喷入炉膛悬浮燃烧，形成类似于气体燃料燃烧时具有明显轮廓的火焰）。

燃烧设备：通常采用燃烧器（油烧嘴）将液体燃料破碎成大量粒径为几微米至几百微米的小液滴，使其悬浮于空气中边蒸发边发生燃烧。燃烧设备：主要包括燃烧器（组织燃烧反应物混合并喷入炉膛或燃烧室的装置）和炉膛（发生燃烧反应的空间）。


燃用气体、液体或固体燃料所获取热能的利用方式采用热机，直接利用燃烧反应产生的高温高压燃气作为工质推动活塞或叶轮，将热能转变为机械功。活塞式内燃机和燃气轮机的燃烧空间一般容积不大，统称为燃烧室。采用燃烧炉，利用火焰以及燃烧生成物来产生蒸汽或热水（蒸汽或热水锅炉），进而推动蒸汽轮机输出机械功或者用于供暖；或者利用火焰以及燃烧生成物加热物料（工业炉窑），以满足金属冶炼、锻造加工、热处理以及玻璃、陶瓷、建材等熔化、煅烧、烧成、烧结、干燥等材料加工处理过程的需要。燃烧加热炉的燃烧空间一般容积较大，通常称为炉膛。

工程燃烧设备


工程燃烧设备的基本性能要求

燃烧热强度高：强度高，则炉膛结构紧凑、尺寸小、质量轻，但过分提高热强度可能导致不完全燃烧损失急剧增大，而达到不能允许的程度。燃烧效率高：燃烧过程释放出的可用于热力过程的实际热量占燃料完全燃烧所释放出的理论热量的百分比。表示燃料燃烧的完全程度，反映燃烧设备的经济性。燃烧稳定性好：反映燃烧过程组织合理性和燃烧设备运行可靠性的指标。燃烧器是组织合理燃烧、维持稳定燃烧的关键设备，决定燃烧室的性能。安全性好，使用寿命长；燃烧产物的污染物排放低；管理维护方便。

指标有容积热强度（单位炉膛容积在单位时间内燃烧燃料所释放出来的热量）和面积热强度（单位炉膛横截面积在单位时间内燃烧燃料所释放出来的热量）。


燃烧设备运行安全性以及能否长期可靠运行的指标，影响因素主要有炉膛或燃烧室的燃烧热强度、燃烧过程的组织、火焰或高温烟气的温度分布、高温元件的冷却保护、燃烧室结构设计合理性等。

城市垃圾焚烧烟气中的污染物主要包括烟尘、酸性气体、 NOx 、重金属、CO 以及有机氯合物等；燃煤锅炉排烟中的污染物主要是烟尘、 SO2 、 NOx 、 CO 等；应通过合理设计燃烧设备、合理组织燃烧，有效降低污染物生成量。

工程燃烧的研究与进展 9.13

工程燃烧研究与燃烧技术发展要解决的主要问题：进一步提高燃烧效率以及进一步降低燃烧过程中污染物的生成与排放量。燃烧技术和装置的改进与开发；提高燃烧效率降低污染物生成与排放燃料的合理利用；

燃烧过程的监测、诊断与控制。


电站煤粉锅炉采用开缝式钝体燃烧器、浓淡分离型燃烧器、船型燃烧器、煤粉浓淡燃烧器、糅合了钝体和浓淡分离技术的 WR 燃烧器、二次风双调节旋流燃烧器；发展大型循环流化床锅炉技术；工业锅炉采用炉拱优化设计；无焰燃烧和连续空气分级燃烧的燃气轮机技术。

研发劣质煤、城市垃圾等劣质燃料的高效、低污染燃烧技术和装置；研发以生物质燃料及其衍生燃料为代表的代用燃料。采用计算机、光电等技术进行燃烧过程的监测、诊断与控制，研究和开发快速、准确、可靠的自动化、智能化监测、诊断与控制系统氮氧化物粉尘

动力生产：人类所需的动力生产几乎都涉及固体、液体或气体燃料的燃烧，如电站锅炉、各种交通工具（汽车、飞机、船舶）发动机的燃料燃烧；工业生产；钢、铁、有色金属、玻璃、陶瓷和水泥扥工程材料的生产过程，石油炼制、化肥生产、炼焦生产等加工过程都伴随有燃烧现象；日常生活：在许多地方的住宅、工厂、办公室、医院及其他建筑物均需要采暖，多数情况下，优先的热源仍是燃料的燃烧；环境保护：燃烧燃烧直接引起大气污染，精心控制燃烧过程减少污染，已成为近年来燃烧学研究的重要课题。

燃烧的重要性


燃烧学发展简史

我国：50 万年前，北京人开始使用火；火是人类最初支配的自然力，并逐渐成为人类改造自然的强大手段；人类经历制陶时期（距今 10000年）、青铜时期（公元前 2000年）、铁器时期，都与火有着密切的联系；汉代（公元前 200年）已开始用煤；魏晋时期（公元 300年）已用煤冶铁；1800年前已有使用石油的记载；1000多年前发明了火药。



国外：欧洲自十字军东征以来，工业有很大发展，在冶铁、炼焦、烧石灰、制陶、制玻璃及酒精等工业中广泛使用火；17 世纪以后，工业的发展，特别是冶金和化学工业的发展，使得火的使用范围和规模扩大；18 世纪中叶，俄国科学家罗蒙诺索夫和法国化学家拉瓦锡提出了可燃物质氧化的学说，真正揭开了火的秘密；19 世纪，热力学和热化学的发展，把燃烧过程作为热力学平衡体系，研究了燃烧反应热、绝热火焰温度、燃烧产物平衡成分等概念和计算方法，建立了燃烧热力学；20 世纪初，美国化学家路易斯和俄国科学家谢苗诺夫等研究了燃烧化学反应动力学机理，发展了燃烧反应动力学的链式机理；



国外：1900s-1930s ，开始建立了研究燃烧动态过程的理论，提出了火焰物理的一些基本概念，如最小点火能、火焰传播等概念；1930s-1950s ，逐步从反应动力学和传热、传质相互作用的观点建立了着火、火焰传播和湍流燃烧的规律；1950s-1960s ，冯卡门首先提出用连续介质力学来研究燃烧基本现象，逐渐发展成反应流体力学；1970s ，英国的斯帕尔丁等人较为系统的把计算流体力学用于燃烧的研究，建立了燃烧的物理模型和数值计算方法，定量的预测燃烧过程和燃烧设备的性能。


20 世纪 60 年代，燃烧测量技术进展主要反映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。采用粒子图像测速 (PIV) 、粒子跟踪测速 (PTV) 技术和激光多普勒 (LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。相位多普勒粒径 PDA(PDPA) 技术和激光散射粒径 (LDSA)测量技术能测量出喷雾粒径大小和分布规律。利用高速摄影和纹影技术能测量出火焰发展和火焰面形状，采用两色法能获得清晰的火焰图像。激光诱导荧光 (LIF) 技术可获取混合气浓度场、燃烧过程 NO 和 OH 分布。红外测温系统可获取火焰的温度分布，根据光谱信息检测缸内 NO 浓度。利用激光诱导荧光法两维成像技术，通过对火焰前锋面中间基 OH 、 CH和 C2 的发光光谱分析，较好地认识了火焰前锋面处的化学反应过程。







20 世纪 90 年代以来，大型商用模拟计算程序Star－ CD 、 KIVA 、 Fluent 等，推动了燃烧理论、排放控制理论的进一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。

锅炉运行中常见的问题：燃烧效率低，表现在能耗高、烟气中的可燃气体含量高、飞灰及炉渣中的可燃物含量高、锅炉负荷达不到要求；燃烧不稳定、热负荷分布不均匀；水冷壁及对流受热面超温、结渣；污染物（粉尘、 NOx 、 SOx ）排放高；所有这些问题都与锅炉内部气体的流动、燃料的燃烧、热量的传递这三种基本现象密切相关，可以通过计算机模拟来解决。



燃料概念及分类

燃料：在燃烧过程中能释放出大量热量，该热量又能经济、有效地应用于生产和生活的物质，主要是含碳物质或者碳氢化合物，能在高温下与空气中的氧发生燃烧反应，并放出热量。界定条件：能在燃烧时释放出大量的热量（相对于单位数量物质而言）；能方便且很好地燃烧；在自然界中蕴藏量丰富，可大量开采且价格低廉；燃烧产物对人体、动植物和环境无害等。燃料的分类：按照状态：固体燃料、液体燃料、气体燃料；按照获得的方法：天然燃料、人工燃料；按照释放能量的方式：化学燃料（氢等无机燃料和煤炭、石油、天然气等有机燃料）、核燃料（钍、铀、钚等裂变核燃料和氢、氦等聚变核燃料）。


燃料的化学组成表示方法

燃料化学组成表示方法：工业分析、元素分析、成分分析，其中前两种主要针对固体燃料的化学组成分析。


燃料的化学组成表示方法

工业分析：可得出燃料中不可燃组分，即水分（ M ，各种水分总含量）和灰分（ A ，无机矿物质），含量，以及可燃组分，即挥发分（ V ）和固定碳（ FC ），含量。

元素分析：100%M A V FC

100%C H O N S A M

工业分析给出的结果并不是燃料的原始组成，而是在一定的分析条件下通过加热将燃料中原有的极为复杂的组成加以分解和转化而得到的组成。


碳（ C）：常用燃料的主要可燃成分，占煤成分的 20%-70% ，占重油成分的 85%-88

% ；完全燃烧时生成 CO2 ，热值为 32700kJ/kg ；不完全燃烧时生成 CO ，热值为 9270kJ/kg ；在燃料中，碳原子互相结合或与氢、氧、硫、氮等结合，组成复杂的有机化合物。煤中碳元素包括挥发分碳和固定碳，煤碳化程度越深，固定碳含量越高，着火燃尽越困难。

燃料的元素分析


氢（ H）：燃料中热值最高，且最有利于燃烧的元素，热值为 120370kJ/kg ；煤中氢以化合物形式存在，含量远低于碳；地质年代越长，氢含量越少；少部分与氧结合成稳定化合物，大部分与碳结合成有机物；氢含量直接影响煤的热值、着火和燃尽。氧（ O）：燃料中的不可燃元素；气体燃料和石油基液体燃料中氧含量低；煤中氧以化合物状态存在，与碳、氢结合生成 CO2 和 H2O ，使煤中可燃碳及可燃氢含量减少，降低煤热值；各种煤中氧含量差别很大，煤地质年代越长，含氧量越低。



氮（ N）：燃料中的惰性元素，一般以游离状态随燃烧烟气排出燃烧设备，高温下与氧反应生成 NOx ；液体及固体燃料的氮含量低，天然气氮含量变化较大。硫（ S）：液体燃料硫小部分为无机硫，大部分为硫与 C 、 H 、 O 等元素结合成的复杂化合物；气体燃料硫主要为 H2S ，且含量很低；煤中硫一般以有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫形式存在；元素分析中的含硫量指可燃硫，即有机硫和黄铁矿硫的含量；硫燃烧生成的产物会对燃烧设备低温受热面造成腐蚀和堵灰，并且是大气污染物重要来源。



灰分（ A）：燃料中所有可燃物质完全燃烧而燃料所含的矿物质在燃烧过程中经过一系列分解、化合等复杂反应后所剩余的残渣；煤中矿物质主要包括由硅、铝、铁、钙、硫、钠、钾、钛、镁、磷、锰、氟、硼、锆等组成的各种形式的矿物质和复杂化合物；矿物质含量是煤燃烧生成灰渣量的决定因素；煤中灰分含量高，则可燃质相对减少，降低煤的热值、影响煤的着火和燃尽程度；劣质燃料高灰分使烟气流经的受热面严重积灰，削弱传热效果；飞灰颗粒加速对流受热面金属的磨损。



水分（M）：液体及气体燃料水分含量较低；固体燃料外在水分：机械地附着在燃料表面的水分，又称表面水分；固体燃料内在水分：被燃料吸收且均匀分布于可燃质中的化学吸附水分和存在于矿物质中的结晶水；各种煤的水分含量差别很大；水分是燃料中不可燃的有害成分，降低燃料中的可燃质含量；使炉内燃烧温度降低，影响燃料的着火和燃尽；加重锅炉尾部受热面的低温腐蚀和堵灰。



液体燃料：较固体燃料化学组成简单；石油基液体燃料是由烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃等高分子物质、含 O

和 S 的化合物以及少量 V 、 Na 等金属化合物组成；液体燃料的工业分析仅测定水分和灰分；液体燃料的燃烧计算通常只需了解液体燃料的元素分析结果。气体燃料：化学组成更为简单；主要有 H2 、 CO 、 H2S 和 CO2 、 N2 、 O2 等无机物以及 CH4 、 C2H6 、 C

3H8 、 C4H10 等多种轻质烃类物质；组分含量测定可采用化学吸收法、气相色谱法等。

液体与固体燃料的化学组成


燃料元素分析的成分基准

收到基（ ar ， as received）：收到状态下包括全部组分在内（包括全部水分和灰分）的燃料成分总量（ 100% ）作为计算基准，原称应用基或工作基。

空气干燥基（ ad ， air dry basis）：以除去外在水分后的燃料成分总量（ 100% ）作为计算基准，原称分析基。

100ar ar ar ar ar ar arC H O N S A M

100ad ad ad ad ad ad adC H O N S A M


干燥基（ d ， dry basis）：以除去全部外在水分后的燃料成分总量（ 100% ）作为计算基准。

干燥无灰基（ daf ， dry ash free）：以除去水分和灰分后的燃料成分总量（ 100% ）作为计算基准，原可燃基。

100d d d d d dC H O N S A

100daf daf daf daf dafC H O N S



水分换算公式：100

100100

100

wq w n

war w ad

MM M M

MM M M



作业已知烟煤的干燥无灰基组成为：Cdaf=82.4 ， Hdaf=6.0% ， Odaf=9.2% ， Ndaf=1.7% ，Sdaf=0.7 。同时测得：Mad=3% ， Aad=15% ， Mar=5% 。求收到基质量百分数。



成分基准换算

2 4 2 2 2 2 100s s s s s s sCO H CH CO N O H O

气体燃料中各湿成分组分关系：

气体燃料中各干成分组分关系：

2 4 2 2 2 100g g g g g gCO H CH CO N O

气体燃料干、湿成分组成的换算关系：2100

100

ss g H O

X X

含湿量 h ：某一温度下 1m3 （标况下）干气体中所吸收的水蒸气的质量（ g ），单位为 g/m3 （标况）。

100

100 0.124s gX X

h


燃料热值

热值， Q ：单位质量或体积的燃料，在完全燃烧情况下所释放出的热量，又称发热量。燃料热值只取决于燃料本身的化学组成。高位热值， Qgr ， gross heating value ：单位质量或者单位体积的燃料完全燃烧后，其燃烧烟气的温度降低至室温所放出的全部热量，包括烟气中水蒸气凝结时放出的热量，又称总发热量；低位热值， Qnet ， net heat of combustion ：单位质量或者体积的燃料完全燃烧时，所放出全部热量中扣除燃烧烟气中水蒸气汽化热后所得的热量，又称净热值。

固体及液体燃料为质量热值， kJ/kg ；气体燃料为体积热值， kJ/m3 。


对于固体和液体燃料

对于气体燃料

gr net mQ Q L

gr net vQ Q L

水分以质量计量的 Lm 与以体积计量的汽化热 Lv之间关系为：

固体、液体燃料的高位与低位热值之间的关系：对于收到基和空气干燥基：

对于干燥基和干燥无灰基：

18 / 22.4 0.80v m mL L L

25(9 )gr netQ Q H M

, ,

, ,

225

225

gr d net d d

gr daf net daf daf

Q Q H

Q Q H


燃料热值

气体燃料高位、低位热值之间的关系：

2 220( )2

s s s s sgr net n m

mQ Q H H S C H

干、湿气体燃料高位热值换算关系：

2100

100

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燃料热值

不同基准热值间换算

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各种基准的高位热值之间可以直接乘以表2-3中相应的换算系数进行换算；各种基准的低位热值之间的换算，必须首先将低位热值换算成高位热值之后才可进行。


固体燃料

根据母体物质碳化程度的不同，可将煤分为：泥炭：质地疏松，吸水性强，所含天然水分可达 40% 以上，风干后堆积密度 300-450kg/m3 ；含氧量高达 40% ，含氢量 20-30% ，含碳量低；可燃性好，机械性能差，灰熔点很低。褐煤：密度较大，含碳量增加，水分和挥发分均减小，堆积密度 750-800k

g/m3 ；黏结性弱，极易氧化和自燃，吸水性强。烟煤：挥发分及氧量少，吸水性小，含碳量高，黏结性较强。无烟煤：表观有黑色光泽，均匀而无明显分层；密度大，含碳量高，挥发分很少；组织致密而坚硬，吸水性小；可燃性差，不易着火；收到基热值高达 26000kJ/kg 。

主要用作小型锅炉燃料或气化原料

一般只作为地方性燃料在产区附近使用

工程燃烧领域应用最广煤种以及重要化工原料适合远途运输和长期储存


煤的挥发分：煤在隔绝空气的情况下加热至一定温度时，煤中的部分有机物和矿物质受热分解而析出的气态和蒸气态产物。挥发分组成：煤的矿物结晶水、挥发分成分和热分解产物等，包括 H2 、CH4 、 CmHn 、 CO 、 CO2 、少量的 O2 和 N2 以及一部分热解水和矿物结晶水。不同种类煤的挥发分产率和成分各不相同，挥发分开始析出的温度也不同。

挥发分占煤样质量的百分比，定义为挥发分产率，简称挥发分（ % ）

挥发分不是以现成状态存在于煤中，而是煤在特定温度下的热分解产物，以挥发分产率标记更为科学。


固体燃料

挥发分的热值与煤种有关：泥炭和褐煤挥发分热值仅为 15000-17000kJ/kg ，贫煤和无烟煤挥发分热值高达 68000-71000kJ/kg 。挥发分是煤炭分类主要指标：用以大致判断煤的变质程度。挥发分是煤使用性能的重要指标：挥发分高的煤，着火温度低，容易引燃，且挥发分析出后焦炭孔隙率高，易于完全燃烧。


固体燃料

煤的焦炭特性：焦炭：煤在隔绝空气条件下加热并释放出挥发分后所剩下的固体残留物。固定碳：焦炭中的可燃物，即碳素。焦炭特性：煤粒在隔绝空气的条件下形成一定大小和强度焦块的能力，是煤性能的重要指标，又称煤的焦结性。不同煤种具有不同焦结性：随着挥发分减少，焦结性增强，但挥发分过少时，焦结性有所降低。焦炭特性对火床炉的燃烧过程影响较大：粉末状的焦炭易被空气吹起逸出炉膛，增大不完全燃烧损失；焦结性很强的煤使煤层黏结成片，阻碍空气流通，燃烧过程恶化。


固体燃料

根据焦炭的外形和强度，煤的焦结性分为：粉状黏着弱黏着不熔融黏结不膨胀熔融黏结微膨胀熔融黏结膨胀熔融黏结强膨胀熔融黏结

焦炭全部呈粉状，没有互相黏着的颗粒用手指轻触即成粉状，或基本上是粉状

用手指轻压即碎成小块用手指用力压才裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面稍有银白色光泽焦渣形成扁平的饼状，焦粒界限不易

分清，表面呈明显银白色金属光泽，焦渣下表面银白色光泽更明显用手指压不碎，焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，但在焦渣的表面具有较小的膨胀泡焦渣上、下表面具有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超过 15mm焦渣上、下表面均有银白色金属光泽，焦渣高度大于 15mm


固体燃料

煤灰的熔融特性：煤灰在高温下粘塑性变化的性质。煤灰的熔融性与其成分和含量有关： SiO2 和 Al2O3含量越高，灰熔化温度越高； SiO2/Al2O3=1.18时，灰熔化温度较高。

煤灰熔融性测定：变形温度（ DT ）、软化温度（ ST ）、熔化温度（ F

T ）。

煤灰熔点不是各组成成分熔点的算术平均值


固体燃料

煤的着火性：主要取决于煤中挥发分含量及其析出温度。煤的可磨性：煤被粉碎的难易程度。可磨性指数：将处于风干状态且质量和粒度相同的标准和待测煤样放入相同的研磨设备中，使用相同的能量进行研磨，所得的可磨性比值。

煤的比热容：随煤中含碳量的增加而减少；随煤中矿物质含量的增高而降低；随温度的升高先增加后减小。煤的平均比热容：

煤的热导率：表征煤的热传导性能的指标；随变质程度、温度、水分含量的增大而增大。

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固体燃料

煤的热稳定性：煤在高温条件下对热的稳定程度，又称煤的耐热性；反映了煤在加热时是否易于破碎的特性，或者说块煤在高温下保持原来粒度的能力；直接影响煤的燃烧和气化效果；主要受水分和煤结构因素的影响；热稳定性指标， TS 。

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固体燃料 9.22

煤的结渣性：煤中矿物质的结块性能。判断煤在气化或燃烧过程中是否容易结渣的重要指标。采用结渣性判断煤的结渣性能优于煤灰的熔融性。煤在规定鼓风强度下的结渣率：

影响结渣性指标的主要因素：煤的灰分产率、煤灰的熔融性、煤灰周围气氛、煤中无机硫含量。

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固体燃料

热重分析热重分析

组成：坩埚、加热炉、天平、程序控制板、数字处理机、记录仪、打印机

可完成工作简介热重分析曲线（ TG），可求热解，着火温度，燃烧速度 mg/min 经计算机处理，可得微商热重曲线（ DTG）

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固体燃料


23/4/21

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W

T , K

TG, poplar TG, cornstalk TG, peanut shell TG, straw

V, m

g·s-1

DTG, poplar DTG, cornstalk DTG, peanut shell DTG, straw

生物质热重分析曲线

固体燃料


着火指数炉着火指数炉

一种炉温可以控制的测量着火温度的电加热炉。当一定量的煤粉由空气（或氧气）携带流经正在升温的着火指数炉，人们从窗口观察，当发现火焰时的炉膛温度定义为着火指数。

着火指数炉设备简单，使用方便，功能单一；着火指数与介质和试验规范有关。

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固体燃料


沉降炉沉降炉是微量煤粉作一维流动的电加热热态试验炉，由预热段，反应段构成。

给粉量： 0.1~100g/min 炉内最高温度：可达 1400-1600℃ 功能：

煤的热解特性——热解率，热膨胀性

煤的燃烧（着火，燃烧，燃尽）各种试验

煤的化学动力学参数，活化能，反应级数

煤的燃烧产物构成成分（环境保护）

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给粉系统

取样

温控系统

烟气分析仪

炉本体

配气

空压机真空泵

水冷

固体燃料


一维燃烧炉一维燃烧炉

煤粉作一维流动的燃烧试验装置，上部设锥形扩流装置，保持煤粉气流速度近似不变

煤粉量：几 kg/h~几百 kg/h ，煤粉一经着火，可依靠自身热量继续燃烧

功能：可做着火，燃烧，燃尽各种试验

费用高：每次 3~4万元

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固体燃料


热显微镜法热显微镜法

用显微镜观察并拍摄煤灰在加热过程中的形态变化过程

试验条件：煤样粒度 <0.2mm ，压制成 3×3×3mm

氧气流量 250ml/min ；升温速度：10 /min℃ ，最高温度可达 1750 ℃ 。

观察煤灰的形态变化，可分为：膨胀型，收缩型，细质型，不变型。

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固体燃料


比表面积测量比表面积测量

以氦气为载体，以氮气为吸附剂，双气路法。

在 -196℃时，液氮通过煤粉表面，产生物理吸附，升到 20℃时氮脱附，测定氮气量，得出粉末的比表面积。（ m2/g ）

无烟煤； S小，加福： S=9.6m2/

g 褐煤 S 大，元宝山： S=120m2/g

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固体燃料


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欢迎大家来到 《 工程燃烧学 Ⅰ》 课堂！

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