第二章 燃料及燃料燃烧计算
第一节 燃料的成分及其主要特性
一、煤的成分及分析基准
元素分析测出煤的有机物由碳（C ）、氢（H ）、氧（O ）、氮（N ）、硫（S ）五种元素组成。工业分析测出煤的组成成分为水分（M ）、挥发分（V ）、固定碳（FC ）和灰分（A ）。
（一）煤的组成成分及其性质 煤由碳（C ）、氢（H ）、氧（O ）、氮（N ）、硫（S ）五种元素成分及灰分（A ）、水分（M ）组成。煤中各组成成分的含量，通常以它们各自质量占总质量的百分数表示。
1、碳（C ）
碳是煤中主要可燃元素，其含量约占20%～70%（指收到基，下同）。1kg 碳完全燃烧约放出32866kJ 的热量。碳是煤的发热量的主要来源。煤中碳的一部分与氢、氧、硫等结合成有机物，在受热时会从煤中析出成为挥发分；另一部分则呈单质称为固定碳。煤的地质年代越长，碳化程度越深，含碳量就越高，固定碳的含量相应也越多。固定碳不易着火，燃烧缓慢。因此，含碳量越高的煤，着火及燃烧越困难。
2、氢（H ）
煤中氢元素含量不多，约为2%～6%，且多以碳氢化合物状态存在，但氢却是煤中发热量最高的可燃元素。
氢的含量愈高，煤就愈易着火和燃尽。 3、氧（O ）和氮（N ）
氧和氮都是煤中的不可燃元素。氧与碳、氢化合将使煤中的可燃碳和可燃氢含量减少，降低了煤的发热量；氮则是有害元素，煤在高温下燃烧时，其所含氮的一部分将与氧化合而生成X NO ，造成大气污染。
4、硫（S ）
煤中硫的含量一般不超过2%，但个别煤种高达8%～10%。硫在煤中以三种形式存在，即有机硫（与C 、H 、O 等元素结合成复杂的化合物）、黄铁矿（2FeS ）和硫酸盐硫（如4CaSO 、4MgSO 、4FeSO 等）。
硫的危害：硫的燃烧产物是2SO ，其一部分将进一步氧化成为3SO 。3SO 与烟气中的水蒸汽结合成硫酸蒸汽，当其在低温受热面上凝结时，将对金属受热面造成强烈腐蚀；烟气中的3SO 在一定条件下还可造成过热器、再热器烟气侧的高温腐蚀。随烟气排入大气的2SO 、3SO ，将造成环境污染，损害人体健康及其他动物和植物
的生长。此外，煤中的黄铁矿（2FeS ）质地坚硬，在煤粉磨制过程中将加速磨煤部件的磨损，在炉膛高温下又容易造成炉内结渣。因此，硫是煤中有害的可燃元素。
5、灰分（A ）
灰分是煤燃烧后剩余的不可燃矿物杂质，它与燃烧前煤中的矿物质在成分和数量上有较大区别。灰分的含量在各种煤中变化很大，少的只有4%～5%，多的可高达60%～70%。
灰的危害：煤中灰分含量增加，煤中可燃成分相对减少，降低了发热量；当煤燃烧时，煤中矿物质转化成灰分，并会熔融，它要吸收热量，并由排渣带走大量的物理显热；灰分多，使理论燃烧温度降低，而且煤粒表面往往形成灰分外壳，妨碍煤中可燃质和氧气接触，使煤不易燃尽，增加机械不完全燃烧热损失；灰分多，还会使炉膛温度下降，燃烧不稳定，也增加不完全燃烧热损失；灰分多，灰粒随烟气流过受热面时，如果烟速高，会磨损受热面，如果烟速低，会形成受热面积灰，降低传热效果，并使排烟温度升高，增加排烟热损失，降低锅炉效率；灰分多，也会产生炉内结渣，同时会腐蚀金属；灰分多，增加煤粉制备的能量消耗；灰分还是造成环境污染的根源。显然，灰分是煤中的有害成分。
6、水分（M ）
水分也是煤中的不可燃杂质，其含量差别甚大，少的仅为2%左右，多的可达50%～60%。水分含量一般随煤的地质年代的延长而减少，同时也受开采方法、运输和贮存条件的影响。
水的危害：煤中水分含量增加，煤中可燃成分相对减少，发热量降低；水分多，会增加着火热，使着火推迟；水分多，会降低炉内温度，使着火困难，燃烧也不完全，机械和化学不完全燃烧热损失会增加。煤中水分会吸热变成水蒸汽并随同烟气排出炉外，增加烟气量而使排烟热损失增大，降低锅炉效率；同时使引风机电耗增大；也为低温受热面的积灰、腐蚀创造了条件。此外，原煤水分过多，会给煤粉制备增加困难，也会造成原煤仓、给煤机及落煤管中的粘结堵塞以及磨煤机出力下降等不良后果。
（二）煤的工业分析 1、水分（M ）
实际应用状态下的煤（工作煤或收到煤）中所含水分，称为全水分（M ）。它由外在水分（f M ）和内在水分（inh M ）两部分组成。
外在水分（f M ）又称表面水分，是在开采、运输、洗选和贮存期间，附着于煤粒表面的外来水分，如因雨雪、地下水或人工润湿等而进入煤中。这部分水分变化很大，而且易于蒸发，可以通过自然干燥方法予以除掉。一般规定：原煤试样在温度为20±1℃、相对湿度为（65±1）%的空气中自然风干后失去的水分即为外在水分。
内在水分（inh M ）又称固有水分，是指原煤试样失去了外在水分后所剩余的水
分。内在水分需在较高温度下才能从煤样中除掉。
全水分的测定方法是：将原煤试样臵于105～110℃（褐煤相应的温度约为145℃）的烘箱内约2h ，使之干燥至恒重，其所失去的水分即为全水分。
2、挥发分（V ）
将失去水分的煤样臵于隔绝空气的环境中，加热至一定温度时，煤中有机质分解而析出的气体称为挥发分。挥发分主要由各种碳氢化合物（∑n m H C ）、氢（2H ）、一氧化碳（CO ）、硫化氢（S H 2）等可燃气体及少量的氧（2O ）、二氧化碳（CO 2）、氮（2N ）等不可燃气体组成。
挥发分的测定必须按统一规定进行。将失去水分的煤样，在900±10℃的温度下，隔绝空气加热7min ，试样所失去的质量占原煤试样质量的百分数，即为原煤试样的挥发分含量。
挥发分是煤的重要成分特性，它成为人们对煤进行分类的主要依据。同时，挥发分对煤的着火、燃烧有很大的影响。
挥发分是气体可燃物，其着火温度较低，着火容易；挥发分多，相对来说，煤中难燃的固定碳含量便少，使煤易于燃烧完全，大量挥发分析出，其着火燃烧后可放出大量热量，有助于固定碳的迅速着火和燃烧，因而挥发分多的煤也易于燃烧完全；挥发分是从煤的内部析出的，析出后使煤具有孔隙性，挥发分愈多，煤的孔隙愈多、愈大，使煤和空气的接触面增大，即增大了反应表面积，使反应速度加快，也使煤易于燃烧完全。因此，挥发分愈多的煤，愈容易着火，燃烧也易于完全。
3、固定碳（FC ）和灰分（A ） 原煤试样除掉水分、析出挥发分之后，剩余的部分成为焦炭。它由固定碳（FC ）和灰分（A ）组成。焦炭的黏结性与强度称为煤的焦结性，它是煤的重要特性指标之一。
根据煤的焦结性可以把煤分为粉状、粘着、弱粘结、不熔融粘结、不膨胀熔融粘结、微膨胀熔融粘结、膨胀熔融粘结、强膨胀熔融粘结八类。
煤的焦结性对火床炉（即层燃炉）的燃烧过程影响较大。如粉末状的焦炭易被空气吹起随风而去，使燃料的不完全燃烧损失加大；而焦结性很强的煤，有将使煤层粘结成片，增加煤层通风阻力，妨碍空气流通，使燃烧过程恶化。煤的焦结性对电厂煤粉锅炉工作的影响不太大。
把焦炭放在箱形电炉内，在815±10℃的温度下灼烧2h ，固定碳基本烧尽，剩余的部分就是灰分，其所占原煤试样质量的百分数，即为该煤的灰分含量，据此也就可以推算出该煤的固定碳的含量。
（三）煤的成分分析基准及其换算 1、煤的成分分析基准 常用的分析基准有收到基（as received ）、空气干燥基（air dry ）、干燥基（dry ）和干燥无灰基（dry and ash free ）四种，相应的表示方法是在各成分符号右下角加角标ar 、ad 、d 、daf 。
（1）收到基（ar ）
以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合称为收到基。对进厂原煤或炉前煤都应以收到基计算各项成分。其表达式为
100=++++++ar ar ar ar ar ar ar M A S N O H C %
（2—1）
%100=+++ar ar ar ar M A V FC （2—2）
（2）空气干燥基（ad ）
以与空气温度达到平衡状态的煤为基准，即供分析化验的煤样在实验室一定温度条件下，自然干燥失去外在水分，其余的成分组合便是空气干燥基。其表达式为
%100=++++++ad ad ad ad ad ad ad M A S N O H C (2—3） %100=+++ad ad ad ad M A V FC （2—4）
（3）干燥基（d ）
以假想无水状态的煤为基准，其余的成分组合便是干燥基。干燥基中因无水分，故灰分不受水分变动的影响，灰分含量百分数相对比较稳定。其表达式为
%100=+++++d d d d d d A S N O H C （2—5） %100=++d d d A V FC （2—6）
（4）干燥无灰基（daf ）
以假想无水、无灰状态的煤为基准，其表达式为
%100=++++daf daf daf daf daf S N O H C （2—7） %100=+daf daf V FC （2—8）
由于干燥无灰基无水、无灰，故剩下的成分便不受水分、灰分变动的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫成分百分数最稳定的基准，常用来表示煤的挥发分含量。
2、煤的各种分析基准的换算
表2—1列出了各种分析基准之间的换算系数，用于各种煤不同分析基准之间除水分以外的各种成分（如C 、H 、O 、N 、S 、A 、挥发分和高位发热量）的换算。换算公式为
K X X o ?= （2—9）
式中 0X ——按原基准计算的某一成分的质量百分数，%； X ——按新基准计算的同一成分的质量百分数，%； K ——换算系数。
表2—1 不同基准的换算系数 K
二、煤的主要特性 （一）煤的发热量
1、高位发热量和低位发热量
高位发热量是指1kg 煤完全燃烧所放出的热量，其中包括燃烧产物中的水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热，用gr ar Q ,表示，单位为kJ/kg 。
低位发热量，即1kg 煤完全燃烧时所放出的热量，其中不包括燃烧产物中的水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热。煤的低位发热量用net ar Q ,表示，单位为kJ/kg 。
推导煤的收到基高位发热量与低位发热量之间的关系：
)100
1009(
2510,,ar
ar gr ar net ar M H Q Q +-= )9(1.25,ar ar gr ar M H Q +-= kJ/kg （2—10）
对于其他三种基准的高位发热量和低位发热量之间的关系作说明
不同基准下煤的高位发热量之间，可以直接乘上表2－1中的换算系数进行换算。但是，不同基准下煤的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量后，才能用表2－1中的换算系数进行换算。
２、发热量的测定方法及估算
氧弹测热的基本原理是：把空气干燥基煤样臵于充满压力氧的氧弹中并使其燃烧，氧弹沉没于水中，根据水的温升便可计算出煤的空气干燥基定容高位发热量
gr ad Q ,，再用下式换算空气干燥基低位发热量net ad Q ,：
)9(1.250063.02.94,,,ad ad gr ad ad gr ad net ad H M Q S Q Q +---= kJ/kg （2—14）
在煤的发热量不便测定或勿需精确测定时，也可根据门捷列夫经验公式进行估算：
ar ar ar ar ar net ar M S O H C Q 1.25)(1091031339,---+= kJ/kg （2—15）
同一种煤的发热量用氧弹测出的和用经验公式算出的，两者误差一般不超过3%～4%。
３、标准煤和煤的折算成分
标准煤的概念：统一规定以收到基低位发热量为29310kJ/kg 的燃料，称为标准煤。若煤的收到基低位发热量为net ar Q ,（kJ/kg ），实际煤的消耗量为B (t/h)，折合成标准煤的消耗量为b B ，其计算式为
B Q B net ar b 29310
,=
t/h （2—16）
折算成分的概念：规定把相对于每4190kJ/kg （即1000kcal/kg ）收到基低位发热量的煤所含的收到基水分、灰分和硫分，分别称为折算水分、折算灰分和折算硫分，其计算公式为：
折算水分 4190,,?=
n e t
ar ar
zs ar Q M M % （2—17） 折算灰分 4190,,?=
net
ar ar
zs ar Q A A （2—18） 折算硫分 4190,,?=
net
ar ar
zs ar Q S S （2—19） 如果燃料中的zs ar M ,>8%，称为高水分燃料；zs ar A ,>4%，称为高灰分燃料；
zs ar S ,>0.2%,称为高硫分燃料。
(二)灰的熔融特性
１、灰熔点及其影响因素
（1）灰的熔化温度主要取决于灰的成分及各成分含量的比例。 表2－2 煤灰中常见的纯净氧化物的熔化温度
（3）煤中灰分含量不同时，灰熔点也会发生变化。含灰量愈多，灰中各成分在加热过程中相互接触频繁，则结合成低熔点共晶体的机会增多，使灰熔点降低的可能性增大。
２、灰熔融特性的测定
煤灰没有明确的熔化温度，它是在一定的高温区间内逐渐熔化的，通常把煤灰的这种性质称为灰的熔融特性，并用灰的变形温度DT 、软化温度ST 、和流动温度FT 来表示。
煤灰的熔融性常采用角锥法测定。
３、灰的熔融特性对锅炉工作的影响 （1）灰的熔融特性对锅炉运行的经济性及安全性均有较大的影响。灰的熔融特性一般以ST 为代表。各种煤灰的软化温度ST 多在1100～1600℃之间。通常把ST<1200℃的煤灰称为易熔灰；ST>1400℃的煤灰称为难熔灰。一般认为，对于ST<1200℃的煤种，宜采用液态排渣的方式；对于ST>1400℃的煤种，宜采用固态排渣的方式；对于1200℃ （2）灰的软化温度ＳＴ与变形温度ＤＴ的温度间隔对锅炉的结渣有一定影响。当ST －DT>200℃时，说明灰渣的液态与固态共存时间较长，称为长渣；当ST －DT<100℃时，说明灰渣的液态与固态共存时间较短，称为短渣。由此可见，对固态排渣煤粉炉，为减轻炉内结渣，应燃用具有短渣性质的煤；而对液态排渣炉，为使排渣通畅，应燃用具有长渣性质的煤。 （3）另外，对固态排渣煤粉炉，为了避免炉膛出口附近的受热面结渣，应使炉膛出口烟温 "l ?比灰的变形温度DT 低50～100℃。 （三）煤的可磨性指数与磨损指数 1、煤的可磨性指数 煤的可磨性系数，是在风干状态下，将等量的标准样煤和被测试煤，由相同的初始粒度磨制成同一规格的细煤粉时，所消耗的能量之比，即 s b km E E K = （2—20） 式中 b E ——磨制标准煤样（一种难磨的无烟煤）消耗的能量； s E ——磨制被测试煤消耗的能量。 显然，km K 之值愈大，表示该煤愈容易磨制成粉，所消耗的能量就愈小；反之， km K 愈小，表示该煤愈难于磨制成粉，所消耗的能量也就愈大。 可磨性指数的测定方法有两种：我国长期使用前苏联法，现在更多地采用欧美各国通用的哈得罗夫法。两种测定方法的原理相似，哈氏法是将规定粒度的50g 煤样臵于实验用中速磨煤机内，磨制约3min 后取出并筛分，然后按下式计算： 7493.613D HGI += （2—21） 式中 HGI ——哈氏可磨性指数（Hardgrove Grandability Index ）； 74D ——50g 煤粉中通过孔径为74μm 筛子的煤粉质量，g 。 哈氏可磨性指数和前苏联可磨性指数之间的换算关系为 61.0)(0034.025.1+=HGI K km （2—22） 我国动力煤的可磨性指数，km K 在0.8～2.0之间（即HGI 在25～125之间）。通常认为km K <1.2（即HGI <64）的煤称为难磨煤，km K >1.5（即HGI >86）的 煤称为易磨煤。 2、煤的磨损指数 煤在磨制过程中，对磨煤机金属碾磨部件磨损的轻重程度，称为煤的磨损性， 并用磨损指数e K 表示。 其定义为：在一定的试验条件下，某种煤每分钟对纯铁的磨损量χ与相同条件下标准煤样每分钟对纯铁磨损量的比值。这里的标准煤是指每分钟能使纯铁磨损10mg 的煤。若在τ（min ）内，某种煤对纯铁的磨损量为m （mg ），则该煤的磨损指数为 τ χ 1010 m K e = = （2—23） 很明显，煤的磨损指数e K 愈大，表明煤对金属碾磨部件的磨损愈强烈，即该煤的磨损性愈强；反之，e K 愈小，该煤的磨损性愈弱。 煤的磨损指数e K 与可磨性指数km K 是两个完全不同的概念。煤的磨损指数e K 主要取决于煤中硬质颗粒（石英、黄铁矿、菱铁矿等）的性质和含量，而煤中这些硬质颗粒与煤的总量相比毕竟是少数。可磨性指数km K 决定于煤的机械强度，脆性等因素。碳和除硬质颗粒以外的灰分在原煤中占绝大部分，它们决定了煤的机械强度和脆性等因素，从而影响的km K 大小。也就是说，容易磨成粉的煤不一定都具有弱磨损性；而不易磨制成粉的煤也不一定都具有强磨损性。 三、发电用煤的分类 （一）发电厂用煤的质量标准 我国的电厂用煤，以前是根据煤的干燥无灰基挥发分含量（daf V ）的大小来分类的。按此分类方法，把煤分为四类：daf V ≤10%的为无烟煤、10%＜daf V ＜20%的为贫煤、20%≤daf V ≤40%的为烟煤、daf V ＞40%的为褐煤。 （二）各类煤质的燃烧特性 1、无烟煤 对于daf V ＜6.5%的无烟煤，因其着火困难，燃烧的经济性也差，一般不用作电厂煤粉锅炉的燃料。 2、贫煤 贫煤是介于无烟煤和烟煤之间的一种煤。贫煤的干燥无灰基挥发分含量低，10%＜daf V ≤20%，碳的含量低，ar C =50%～70%。贫煤不太容易着火，燃烧时不易结焦。 3、烟煤 烟煤的含碳量较无烟煤低，ar C =40%～70%，挥发分含量较多，一般daf V =20%～40%，故大部分烟煤都易点燃，燃烧快，燃烧时火焰长。 4、褐煤 褐煤的煤龄短，挥发分含量较高，daf V ＞40%，且挥发分析出的温度较低，故着火及燃烧都比较容易。但由于它的碳化程度不如烟煤，发热量低。 褐煤表面呈棕褐色，质脆易风化，也很容易自燃，不宜远途运输和长时间贮存。 第二节 燃料燃烧计算 一、燃烧所需空气量及过量空气系数 （一）理论空气量 1kg （或1标准m 3 ）收到基燃料完全燃烧而又没有剩余氧存在时所需要的空气 量，称为理论空气量，用符号V °表示，单位为Nm 3/kg （或Nm 3/ Nm 3 ）。 1．碳完全燃烧时，其化学反应式为 C+O 2=CO 2 1kg 收到基燃料中含有 100 ar C （kg ）碳，因而1kg 燃料中的碳完全燃烧时需要的氧量为866 .1100 ar C Nm 3 。 2．氢完全燃烧时，其化学反应式为 2H 2+O 2=2H 2O 1Kg 收到基燃料中含有100 ar H （kg ）氢，因而1kg 燃料中的氢完全燃烧时需要 的氧量为56.5100 ar H Nm 3 。 3. 硫完全燃烧时，其化学反应式为 S 2+O 2=S 2O 1kg 收到基燃料中含有 100 ar S （kg ）硫，因而1kg 燃料中的硫完全燃烧时需要的氧量为 7.0 100 ar S Nm 3 。 4. 1kg 燃料本身含有的氧量为 100 ar O （kg ），相当于1007.0100324.22ar ar O O =?（Nm 3 /kg ） 5. 1kg 收到基燃料完全燃烧时需要从空气中取得的理论氧量?2O V 为 100 7.010056.51007.0100866 .12ar ar ar ar O O H S C V -++=? Nm 3 /kg 6. 干空气中的氧的容积含量为21％，所以1kg 收到基固体或液体燃料完全燃 烧所需理论空气量?V 为 ar ar ar ar ar ar ar ar C H S C O H S C V 0333.0265.0)375.0(0889.0)1007.010056.51007.0100866.1(21.01 -++=-++= ? （2—24） 7. 理论空气量用质量表示则为 ?=?V m 293.1kg/kg （2—25） 式中 1.293——干空气密度，kg /（标准）m 3 以上所计算的空气量都是指不含水蒸气的理论干空气量。 （二）实际供给空气量及过量空气系数 为了使燃料在炉内能够燃烧完全，减少不完全燃烧热损失，实际送入炉内的空气量要比理论空气量大些，这一空气量称为实际供给空气量，用符号k V 表示。实际供给空气量与理论空气量之比，称为过量空气系数，即 α=? V V k 或β （2—27） 式中 α——用于烟气量计算； β——用于空气量计算。 炉内过量空气系数α，一般是指炉膛出口处的过量空气系数。过量空气系数是锅炉运行的重要指标，太大会增大烟气容积使排烟热损失增加，太小则不能保证燃料完全燃烧。它的最佳值与燃料种类、燃烧方式以及燃烧设备的完善程度有关，应 通过试验确定。实际采用的" l α值列于表2—6。 表2—6 炉膛出口过量空气系数" l α的推荐值 （三）锅炉漏风系数 某一受热面的漏风量V ?与理论空气量?V 之比，称为该级受热面的漏风系数，并用下式表示： ? ?= ?V V α （2—28） 锅炉漏风会导致锅炉效率降低、引风机的电耗增大，直接影响到锅炉的安全经济运行，因此必须尽可能地减少锅炉漏风。漏风系数与锅炉结构、安装及检修质量、运行操作情况等有关。在设计锅炉时，锅炉及烟道的漏风系数列于表2—7 烟道中的任一截面处的过量空气系数α，可等于炉膛出口的过量空气系数加前面各段烟道的漏风系数之和，即 ∑?+=ααα"l （2—29） 式中"l α——炉膛出口过量空气系数； ∑?α——炉膛出口与计算烟道截面间， 各段烟道漏风系数之和，可查表2—7。 空气预热器中空气压力侧较高空气会有部分漏入烟气侧，故空气预热器进、出 口空气侧的过量空气系数有如下关系： ky ky ky αββ?+="' （2—30） 式中： ky α?——空气预热器的漏风系数； 'ky β、 "ky β——分别为空气预热器进口和出口的过量空气系数。 考虑道炉膛及制粉系统的漏风，"ky β 与"l α之间的关系为 zf l l ky αααβ?-?-="" （2—31） 式中 l α?——炉膛漏风系数，查表2—7； zf α?——制粉系统漏风系数，列于表2—8。 二、燃烧产生的烟气容积计算 （一）理论烟气容积 燃烧产物中不含可燃物时称为完全燃烧。当α=1且完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积，用符号?y V 表示，单位为（标准）m 3 /kg 。 烟气组成成分进行分析说明。 1、理论二氧化碳容积2CO V 1kg 燃料中碳完全燃烧生成的CO 2容积为： 100 866 .12ar CO C V = Nm 3 /kg 2、二氧化硫容积2 SO V 1kg 燃料中硫完全燃烧生成的SO 2容积为：100 7 .02ar SO S V = Nm 3 /kg 通常用2RO V 表示二氧化碳和二氧化硫容积之和，即： 100 375.0866 .1222ar ar SO CO RO S C V V V +=+= Nm 3 /kg （2—32） 3、理论氮气容积? 2N V 理论烟气容积中氮气有两个来源。一是理论空气量所含的氮，二是燃烧时燃料本身释放出的氮。故理论氮气容积为： 100 8.079.0100284.2279.02ar ar N N V N V V +?=?+ ?=? Nm 3 /kg （2—33） 4、理论水蒸气容积?O H V 2 理论水蒸气容积来源于四个方面：（1）燃料中氢气完全燃烧生成的水蒸气，其容积为ar ar H H 111.0100 1.11=? 。 （2）燃料中水分蒸发形成的水蒸气，其容积为 ar ar M M 0124.0100 184.22=?。 （3）随同理论空气量?V 带入的水蒸气，其容积为??V d k ρ1000244.22。 （4）燃用液体燃料时，如果采用蒸气雾化燃油，其容积为wh wh G G 24.118 4 .22=，wh G 为雾化燃油时消耗的蒸汽量，kg/kg 。 因此，理论水蒸气容积?O H V 2为： wh ar ar O H G V M H V 24.1161.00124.0111.00 2+?++= Nm 3/kg （2—34） 把式（2—32）、式（2—33）和式（2—34）相加，就可以得到理论烟气量?y V ： wh ar ar ar ar ar y G V M H N V S C V 24.10161.00124.0111.01008.079.0100375.0866.1+?++++?++=? （2—35） 这种含有水蒸气的烟气称为湿烟气。扣除水蒸气后的理论干烟气量?gy V 为： ?+=?22N RO gy V V V （2—36） 理论烟气量也可以写成： ?+?=? O H gy y V V V 2 （2—37） （二）实际烟气容积 锅炉中实际的燃烧过程是在过量空气系数α＞1的条件下进行的。此时烟气容积中除理论烟气容积外，还增加了过量空气?-V )1(α和随同这部分过量空气带进来的水蒸气。 实际烟气容积y V 为： ?-+?-+?=V V V V y y )1(0161.0)1(αα Nm 3/kg （2—38） 实际烟气容积中扣除水蒸气容积，就得到了实际干烟气容积： 222O N RO gy V V V V ++= Nm 3/kg （2—39） ?-+?+=V V V V N RO gy )1(22α Nm 3/kg （2—42） 或写成?-+?=V V V gy gy )1(α Nm 3 /kg （2—43） 实际烟气容积可写成 O H gy y V V V 2+= Nm 3 /kg （2—44） 当燃料不完全燃烧时，可认为烟气中的不完全燃烧产物只有CO 。这时烟气的实际容积为： O H N O SO CO CO y V V V V V V V 22222+++++= （2—45） 但从碳的燃烧反应方程式可以看到，无论燃烧后全部生成CO 2或者CO 2和CO 同时存在，碳的燃烧产物的总容积是不变的。对1kg 燃料而言： 完全燃烧时 100 866 .12ar CO C V = Nm 3 /kg 不完全燃烧时 100 866 .12ar CO CO C V V =+ Nm 3 /kg （2—46） 由此可见，如果不完全燃烧只有CO ，那么不论燃烧完全与否，烟气中碳的燃烧产物的总容积是不变的。 燃烧生成的烟气量也可以用质量来表示。燃烧生成的烟气质量应该包括三部分：其一是燃烧后燃料本身转变烟气的质量)100 1(ar A - ； 第二部分为雾化燃油消耗的蒸汽量wh G ；第三部分为1kg 燃料燃烧时消耗的湿空气的质量??+V d α293.1)1000 1(，一般取d=10g/kg 干空气。则烟气的质量y m 为 ?++- =V G A m wh ar y α306.1100 1 kg/kg （2—50） 在锅炉辐射换热计算中，由于烟气中的三原子气体（即CO 2和SO 2）及水蒸气均 参与辐射换热，故要算出三原子气体和水蒸气的容积份额2RO r 、O H r 2和分压力2RO p 、O H p 2： V V r RO RO 22= , P r p RO RO ?=22 （2—51） V V r RO O H 22= , P r p O H O H ?=22 （2—52） 式中： P ——烟气的总压力。 烟气中所含灰粒浓度对辐射换热也有影响，飞灰浓度μ（kg/kg ）指每kg 烟气中的飞灰质量，即 y fh ar m A 100αμ= （2—53） 第三节 烟气分析方法 一、烟气分析 （一）烟气分析的目的 （二）奥氏烟气分析仪 奥氏烟气分析仪的原理是利用选择性吸收方法来定烟气中各气体成分的含量。见图2—4是奥氏分析仪的结构简图。三个吸收瓶中依次放入不同的吸收剂：第一个瓶1内放氢氧化钾（KOH ）溶液，吸收RO 2；第二个瓶2放焦性没食子酸[C 6H 3（OH ） 3]的碱性溶液， 吸收O 2（同时也吸收RO 2）；第三个瓶3放氯化亚铜的氨溶液Cu （NH 3）Cl ，吸收CO （同时也吸收O 2）。若分别以2RO 、2O 、CO 和2N 来表示各组分在干烟气中所占容积百分数，则干烟气的组成可表示为： 2RO +2O + CO +2N =100 （2—54） 其中 10022?= gy RO V V RO % （2—55） 10022?= gy O V V O % （2—56） 100?= gy CO V V CO % （2—57） 10022?= gy N V V N % （2—58） 根据奥氏烟气分析仪测出的2RO 、2O 和CO 的数值，可由公式（2—54）求出 2N 的数值。 二、运行时烟气容积和一氧化碳含量的计算 （一）根据烟气分析结果计算烟气容积 固体及液体燃料中的C 和S 燃烧后可生成2RO 、CO ，根据这些成分在干烟气占的容积百分含量的表达式（2—55）和式（2—57），并将两式相加，可得： 1002 22?++= +gy CO SO CO V V V V CO RO 根据式（2—32）和式（2—46），可有： 100 375.0866 .122ar ar CO SO CO S C V V V +=++ 将该结果代入上式可得干烟气容积为： CO RO S C V ar ar gy ++= 2)375.0(866.1 Nm 3 /kg （2—59） （二）烟气中一氧化碳含量的计算 燃料不完全燃烧时，如果不完全燃烧产物只有CO ，则根据式（2—54），将其中2N 进行臵换后可得 21)(605.0222=++++CO RO O CO RO β （2—62） 式中：β为燃料特性系数，可由燃料的元素分析成分计算， ar ar ar ar ar S C N O H 375.0038.0126.035 .2++-=β （2—63） 如忽略燃料的ar N 和ar S ，可将式（2—62）简化为 ar ar ar C O H 126.035 .2-=β （2—64） 式（2—61）称为不完全燃烧方程式。对于一定的燃料，β为一定值。因此，不完全燃烧方程式反映了当燃料不完全燃烧时烟气中2RO 、2O 和CO 三者之间存在一定的关系，知道其中任何两个的含量，即可由式（2—62）求出另一个含量。 为了了解炉内不完全燃烧程度，以便进行燃烧调整，就需要知道CO 含量。 （三）完全燃烧方程式及2RO 最大值 在α＞1且完全燃烧时，CO =0，根据不完全燃烧方程式（2—62），可得到完全燃烧方程式为 22)1(21RO O β+=- （2—66） 在燃料β值一定时，无论过量空气量为何值，干烟气成分的测量值应满足式（2—66）。如不能满足，则说明烟气分析不准确，或有碳未燃尽，或有CO 存在。 由式（2—66）可得：β +-= 1212 2O RO % （2—67） 若在α=1的情况下完全燃烧，即2O =0，CO =0，则烟气中的三原子气体含量达到最大值： β += 121 max 2RO % （2—68） 由此可见，m ax 2 RO 值只取决于燃料性质。随着燃料成分的不同，β值也不同， 因而m ax 2 RO 值也不同。常用燃料的β值和m ax 2 RO 值如表2—9所示。 表2—9 各种燃料的β值和m ax 2RO 值 （四）运行时过量空气系数和漏风系数的计算 1、过量空气系数计算 对于运行中的锅炉，过量空气系数可根据烟气分析结果加以确定。 （1）当燃料不完全燃烧时：()? ? ????++---= CO O RO CO O 2221005.0792121 α （2—73） （2）完全燃烧时，CO=0，则：()? ? ????+--= 222 100792121 O RO O α （2—74） （3）近似计算式：()2 222 2121 100792121 O O RO O -≈ ? ???? ?+--= α （2—75） （4）或写成：2 max 222121121 2121RO RO O O = +-+=-≈β β α （2—76） 2、运行时过量空气系数和漏风系数的测定 目前电厂锅炉广泛采用磁性氧量计或氧化锆氧量计，用以监督运行中的过量空气系数。此外，还可以通过测量烟气中2O 含量（或2RO 含量）来测定和监视烟道的漏风情况。? ?? ? ?? ---=-=?'211 "21121'"22O O ααα （2—77） 第四节 空气和烟气焓的计算 在进行锅炉热力计算以及整理锅炉热平衡试验结果时，都需要知道空气和燃烧产物的焓。在锅炉热力计算中，无论是空气焓还是燃烧产物焓，其焓值都以1kg （气 体燃料以1Nm 3 ）燃料为计算基础，同时规定0℃时的焓值等于零，并用符号I 表示。 一、空气焓的计算 （一）理论空气焓的计算 1kg 燃料燃烧所需理论空气量在定压下从0（℃）加热到k t （℃）所需要的热 量称为理论空气焓，用符号?k I 表示，单位为kJ/kg 。 理论空气焓可用下式计算： ()k k ct V I ?=? kJ/kg （2—78） （ct ）k ---表2—10 （二）实际空气焓的计算 实际空气焓可用下式计算： k k k k t C V I I ?=?=ββ kJ/kg （2—79） 二、燃烧产物焓的计算 1kg 燃料燃烧生成的燃烧产物在定压（通常为大气压力）下从0（℃）加热到?(℃)所需要的热量称为燃烧产物焓。燃烧产物焓包括烟气焓和飞灰焓两部分。由于飞灰焓的数值相对较小，在小于一定数值时常常忽略，所以燃烧产物焓也称其为烟气焓。 （一）设计锅炉时烟气焓的计算 设计锅炉时，由于不能测得烟气中各种气体成分的百分数，故按完全燃烧化学反应进行计算，即烟气焓等于理论烟气焓?y I 、过量空气焓)1(-α?y I 和飞灰焓fh I 三部分之和，其计算式为： ()fh y y y I I I I +?-+?=1α （2—80） 理论烟气焓?y I 为各组成成分焓之和，即： () O H O H N N RO RO y C V C V C V I 222222?+?+=? （2—81） 飞灰焓fh I 为： y h ar fh fh C A I ?α?= 100 （2—82） 式中： 2RO V 、?2N V 、?O H V 2——烟气中三原子气体容积、理论氮气容积和理论 水蒸气容积，Nm 3 /kg ； 2RO C 、2N C 、O H C 2——三原子气体、氮气和水蒸气的平均定压比热容， 其值可由表（2—11）查得，取2RO C =2CO C ； h C ——飞灰的质量比热容，kJ/（kg 〃℃），其值可由表（2—11）查得； fh α——飞灰份额，即飞灰中灰量占燃料总灰量的份额； y ?——烟气温度，℃。 考虑到飞灰焓fh I 的数值相对较小，只有当net ar ar fh Q A ,4190 α＞６时才考虑，反之 fh I 可忽略不计。 《燃料与燃烧》习题解答 第一篇 燃料概论 1. 某种煤的工业分析为：M ar =3.84, A d =10.35, V daf =41.02, 试计算它的收到基、干燥基、干燥无灰基的工业分析组成。 解：干燥无灰基的计算：0 2.41=daf V 98.58100=-=daf daf V Fc ; 收到基的计算 ar ar ar ar V M A FC ---=100 36.35100 100=--? =ar ar daf ar A M V V A ar = 9.95 FC ar = 50.85 干燥基的计算： 35.10=d A V d = 36.77; 88.52100=--=d d d A V FC 2. 某种烟煤成分为： C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 A d =8.68 M ar =4.0; 试计算各基准下的化学组成。 解：干燥无灰基：80.3100=----=daf daf daf daf daf N O H C S 收到基： 33.8100 100=-? =ar d ar M A A 95.72100 100=--?=ar ar daf ar M A C C H ar =5.15 O ar =4.58 N ar =1.67 S ar =3.33 M ar =4.0 干燥基： 68.8=d A 99.75100 100=-? =d daf d A C C 36.5913.0=?=daf d H H 77.4913.0=?=daf d O O N d = N daf ×0.913 =1.74 47.3913.0=?=daf d S S 干燥无灰基：C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 S daf =3.80 3. 人工煤气收到基组成如下： 燃料燃烧及热平衡计算参考 3.1 城市煤气的燃料计算 3.1.1 燃料成分 表2.2 城市煤气成分（%）[2] 成分 CO 2 CO CH 4 C 2H 6 H 2 O 2 N 2 合计 含量 10 5 22 5 46 2 10 100 3.1.2 城市煤气燃烧的计算 1、助燃空气消耗量[2] （1）理论空气需要量 Lo=21O O 0.5H H 3.5C CH 20.5CO 2 2624-++?+ Nm 3/Nm 3 (3.1) (3.1)式中：CO 、CH 4 、 C 2H 6 、 H 2 、 O 2——每100Nm 3湿气体燃料中各成分的体积含量（Nm 3）。则 Lo=21 2465.055.322255.0-?+?+?+? = 4.143 Nm 3/Nm 3 （2）实际空气需要量 L n =nL 0, Nm 3/Nm 3 (3.2) (1.2)式中：n ——空气消耗系数，气体燃料通常n=1.05 1.1 现在n 取1.05，则 L n =1.05×4.143=4.35 Nm 3/Nm 3 （3）实际湿空气需要量 L n 湿 =（1+0.00124 2H O g 干） L n ， Nm 3/Nm 3 （3.3） 则 L n 湿=（1+0.00124×18.9）×4.35=4.452 Nm 3/Nm 3 2、天然气燃烧产物生成量 （1）燃烧产物中单一成分生成量 CO)H 2C CH (CO 0.01 V 6242CO 2+++?=’ (3.4) 2 O V 0.21(=?′0n-1)L (3.5) 2 2n N V (N 79L )0.01=+?′ (3.6) )L 0.124g H H 3C (2CH 0.01V n 干 O H 2624O H 22+++?= (3.7) 式中CO 、CH 4 、 C 2H 6 、 H 2 ——每100Nm 3湿气体燃料中各成分的体积含量。 则 0.475)5222(100.01V 2CO =+?++?= Nm 3/Nm 3 4.4131)(1.050.21V 2O ?-?==0.046 Nm 3/Nm 3 01.0)35.47910(V 2N ??+==3.54 Nm 3/Nm 3 4.35)18.90.124465322(20.01V O H 2??++?+??==1.152 Nm 3/Nm 3 （2）燃烧产物总生成量 实际燃烧产物量 V n = V CO2+V O2+V N2+V H2O Nm 3/Nm 3 (3.8) 则 V n =0.47+0.046+3.54+1.152=5.208 Nm 3/Nm 3 理论燃烧产物量 V 0=V n -（n -1）L O (3.9) V 0=5.208-（1.05-1）×4.143=5.0 Nm 3/Nm 3 (3) 燃料燃烧产物成分[2] %100V V CO n CO 22?= (3.10) %100V V O n O 22?= (3.11) %100V V N n N 22?= (3.12) 100%V V O H n O H 22?= (3.13) 《燃料与燃烧》习题解 （仅供参考） 第一篇 燃料概论 1. 某种煤的工业分析为：M ar =3.84, A d =10.35, V daf =41.02, 试计算它的收到基、干燥基、干燥无灰基的工业分析组成。 解：干燥无灰基的计算：0 2.41=daf V 98.58100=-=daf daf V Fc ; 收到基的计算 ar ar ar ar V M A FC ---=100 36.35100 100=--? =ar ar daf ar A M V V A ar = 9.95 FC ar = 50.85 干燥基的计算： 35.10=d A V d = 36.77; 88.52100=--=d d d A V FC 2. 某种烟煤成分为： C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 A d =8.68 M ar =4.0; 试计算各基准下的化学组成。 解：干燥无灰基：80.3100=----=daf daf daf daf daf N O H C S 收到基： 33.8100 100=-? =ar d ar M A A 95.72100 100=--? =ar ar daf ar M A C C H ar =5.15 O ar =4.58 N ar =1.67 S ar =3.33 M ar =4.0 干燥基： 68.8=d A 99.75100 100=-? =d daf d A C C 36.5913.0=?=daf d H H 77.4913.0=?=daf d O O N d = N daf ×0.913 =1.74 47.3913.0=?=daf d S S 干燥无灰基：C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 S daf =3.80 3. 人工煤气收到基组成如下： 解：干煤气中： H 2，d = 48.0×[100/（100-2.4）]=49.18 CO ，d = 19.3×1.025=19.77 CH 4，d = 13.31 O 2，d = 0.82 N 2，d = 12.30 CO 2，d = 4.61 ρ＝M 干/22.4＝(2×49.18%+28×19.77%+16×13.31%+32×0.82%+28× 12.30%+44×4.61%)/22.4 ＝ 0.643 kg/m 3 Q 高 ＝4.187×（3020×0.1977+3050×0.4918+9500×0.1331） ＝14.07×103 kJ/m 3＝ 14.07 MJ/ m 3 Q 低 ＝4.187×（3020×0.1977+2570×0.4918+8530×0.1331） ＝12.55×103 kJ/m 3＝ 12.55 MJ/ m 3 第二篇 燃烧反应计算 第四章 空气需要量和燃烧产物生成量 5. 已知某烟煤成分为（%）：C daf —83.21,H daf —5.87, O daf —5.22, N daf —1.90, S daf —3.8, A d —8.68, W ar —4.0, 试求： （1） 理论空气需要量L 0（m 3/kg ）； （2） 理论燃烧产物生成量V 0（m 3 /kg ）; （3） 如某加热炉用该煤加热，热负荷为17×103kW ，要求空气消耗系数 n=1.35，求每小时供风量，烟气生成量及烟气成分。 解：（1）将该煤的各成分换算成应用成分： % 33.8100 4 100%68.8100100%=-?=-? =ar d ar W A A %95.72100 4 33.8100%21.83100100%=--?=--? =ar ar daf ar W A C C %15.5%8767.087.58767.0%=?=?=daf ar H H 第二章 燃料及燃烧计算 A 、燃料的化学组成及其成分换算 (1)气体燃料的化学组成 气体燃料是由简单气体化合物与气体单质所组成的机械混合物。其中：CO 、H2、CH4、C2H4、CmHn 、H2S 等是可燃性气体成分，能燃烧放出热量。 CO2、N2、SO2、H2O 、O2等则是不燃成分，不能燃烧放热，故其含量均不宜过多，以免降低燃料的发热能力。 CmHn 总称为重碳氢化合物,，包括C3H6、C2H6、C2H2 …等。每单位体积(m2)重碳氢化合物燃烧，约放出71176 kJ 热量。 气体燃料中的氧，在高温预热的情况下，能与可燃成分作用，从而降低气体燃料燃烧时的放热量。若氧的含量超过一定数量，则有爆炸危险。因此，氧的含量应受到限制，一般应小于0.2%。 (2)气体燃料成分的表示方法 气体燃料成分的表示方法有两种：即湿成分和干成分。 湿成分（包括水分在内) ： CO 湿+ H2湿+CH4湿+N2湿+〃〃〃+H2O 湿=100% CO 湿、 N2湿〃〃〃等符号分别代表湿气体燃料中各成分的体 积百分含量 干成分(不包括水分在内)： CO 干+ H2干+CH4干+N2干+〃〃〃=100% CO 干、H2干〃〃〃等符号则分别代表干燥气体燃料中各成分的体积百分含量。 气体燃料的水分含量可以认为等于在该温度下的饱和水蒸汽量。 当气体燃料的温度变化时，饱和水蒸汽含量发生变化，因而整个燃料的湿成分亦将发生变化。因此，气体燃料的湿成分只能代表某一固定温度下的气体燃料的成分。故气体燃料的湿成分不具有代表性，在一般的情况下气体燃料的化学组成用干成分表示，而气体燃料在使用时所具有的实际成分为湿成分，所以湿成分是气体燃料的供用成分，在进行燃烧计算时必须以湿成分为依据。 3）气体燃料的化学组成及干湿成分换算 湿成分与干成分之间可以相互换算，换算的原则质量守恒。其步骤是： 先由表查出g 干 H2O 然后由 % 10000124g .0100124g .04.22181000g 14.22181000g O H O H O H O H O H 22222?+=??+??==干 干 干干湿气体的总体积 水蒸汽的体积湿 最后计算出水分的含量：%100O H -100X 2湿 干湿=X (式中X 表某成分) 6.常用燃料的种类 一、冶金生产常用煤气有焦炉煤气，发生炉煤气，天然气。 C 、发生炉煤气 ? 在没有高炉煤气和焦炉煤气的地区，可以将固体燃料直接加工得到发生炉煤气， ? 主要成分是CO ，含量不到三分之一，其次是H2，含量可达10%，不燃成分主要是N2， 含量超过50%。 100 1 《燃料与燃烧》习题解 （仅供参考） 第一篇燃料概论 1.某种煤的工业分析为：M ar =3.84, A d =10.35, V daf =41.02,试计算它的收到 基、干燥基、干燥无灰基的工业分析组成。 FC daf =100—V daf =58.98; V ar = Vdaf X 100 - M ar - A ar =35.36 100 A = 9.95 FC a r = 50.85 V d = 36.77; 2.某种烟煤成分为: M ar =4.0; 试计算各基准下的化学组成。 解：干燥无灰基：S daf =100 一 C daf 一 H daf 一 O daf 一 N daf = 3.80 Aar 严需、8 .33 C ar =C daf 冥 100~ A ar ~ M ar =72.95 解：干燥无灰基的计算: V daf =41.02 收到基的计算 FC ar =100-A ar - M ar -V ar 干燥基的计算: A =10.35 FC d = 100-V d -代=52.88 C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 A d =8.68 收到基: ar =5.15 O ar =4.58 N ar = 1.67 S ar =3.33 M ar =4.0 干燥基: A d = 8.68 C d 亠晋=75.99 H d = Hdaf X 0.913 = 5.36 O d =Odaf X 0.913 = 4.77 N = N daf X 0.913 =1.74 S d =SiafX 0.913 = 3.47 干燥无灰基: C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 S daf =3.80 3.人工煤气收到基组成如下: 计算干煤气的组成、密度、高热值和低热值; 解：干煤气中： CO CH O N CO p = M 干 /22.4 H 2, d 4，d 2, d 2, d 2, d =48.0 X [100/ (100-2.4 ) ]=49.18 =19.3 X 1.025=19.77 =13.31 =0.82 =12.30 =4.61 =(2 X 49.18%+28X 19.77%+16X 13.31%+32X 0.82%+28X 12.30%+44X 4.61%)/22.4 =0.643 kg/m (3020X 0.1977+3050 X 0.4918+9500 X 0.1331 ) r3 . ., 3 ,— (3) Q 高=4.187 X =14.07 X 103 kJ/ m 3= 14.07 MJ/ m Q 低=4.187 X( 3020X 0.1977+2570 X 0.4918+8530 X 0.1331 ) 3 3 3 =12.55 X 103 kJ/m 3= 12.55 MJ/ m 3 第二篇燃烧反应计算 第四章空气需要量和燃烧产物生成量 燃料及其燃烧值 一、教学目标： 1＞在物理知识方面要求： (1)、知道燃烧过程，是燃料的化学能转化为内能的过程 ⑵、知道什么是燃料的燃烧值及其单位，会查燃料燃烧值表。 2、通过学习，会计算某种燃料完全燃烧放出的热量。 3、阅读有关内容懂得利用燃料、节约能源的意义， 二、重点、难点分析： 1、重点是掌握燃烧值的概念和单位，根据燃烧值的定义会计算燃料燃烧时放出的热量。 2、燃烧值是用于反映燃料燃烧放热本领的物理量，在应用燃烧值定义计算问题时，在理解燃烧值的实际物理意义基础上解答问题，对初中学生来说有一定的困难，是教学难点。 三、主要教学过程： ㈠、引入新课： 复习内能、热量等概念，指出本章进一步学习内能的应用。 2、同学们是否知道“海湾战争”，为什么美国人大动干戈？除了一些政治原因外，中东地藏中最吸引工业发达国家的是什么？一一石油。石油经过分懈法可提练出汽油、煤油和柴油。它们都是燃料。 生活中烧水、煮饭、取暖时，需要热量，它们大多是从哪里来的？内能是人类使用的最大量的一种能量，获得内能的途径之一是燃烧燃料。 ㈡、新课教学 板书：第三章：内能的利用热机 一、燃料及其燃烧值： 燃料的燃烧值： 指导学生阅读， 提问1:燃料燃烧过程是物理变化还是化学变化？提问2:在这个过程中能的转化情况怎样？板书：燃料燃烧过程中：燃料的化学能转化为内能，放出热量。 提问3:你说出燃料的种类和常用的燃料吗？ 分固体（木柴、煤等）液体（汽油、柴油、酒精等）气体（煤气、天燃气、氢气） 组织学生看课本P30图3/,并讨论图注中所出的问题。 四口之家一个月需要的内能，即吸收热量是一定的，这些热量曲燃料燃烧放出。用木柴需要150千克，煤只需75千克，而液化气只要30千克。从某种意义上讲，木柴不如煤，煤不如液化气。（提问：如何区别燃料之间上 差异？）引入燃烧值的概念。 2、燃料值的定义，单位。 1千克的燃料完全燃烧放出的热量，叫燃料的燃烧值。 单位：焦耳/千克（读作：焦耳每千克） 燃烧值是用来比较计算不同种类的等质量的燃料完全燃烧时放出的热量的多少。 各燃料的燃烧值可由表查出。 提问：汽油的燃烧值多大？它的物理含义是什么？ 汽油的燃烧值是4. 6X107焦/千克，它的物理含义是：完全燃烧1千克的汽油放出4. 6X107焦的热量。 完全燃烧的概念。（并非仅指充分燃烧） 3、燃料完全燃烧放出的热量的计算： 已知烟煤的燃烧值是2. 9X107焦/千克，求7千克烟煤完全燃烧放出的热量是多少焦？ 1千克烟煤完全燃烧放出的热量是2.9 X10,焦 2千克烟煤完全燃烧放出的热量是2X2. 9X107焦 7千克烟煤完全燃烧放出的热量是7X2. 9X107焦 燃料完全燃烧放出的热量二燃料的燃烧值X燃料的质量 4、有效利用燃料： 燃料的有效利用，提高炉子的效率。（提高炉子的效率有哪些措施？） 炉子的效率二（有效利用的热量）/（燃料完全燃烧放出的热量） 有效利用燃料的途径：让燃料尽可能充分燃烧，减少热量的损失， 有效利用燃料是节约能源的重要措施。（阅读P31最后一段，进行节约燃料的教育） 补：燃烧值与燃烧效率的区别： 燃烧值是：每千克的燃料完全燃烧释放出的热量。单位焦每千克 计算： 一、已知某烟煤的应用基成分为（%）：C y —74.31,H y —4.47, O y —4.36, N y —1.78, S y —2.75, A y —8.33, W y —4.0,煤的低位热值为：29.53（MJ/kg ） 试求： 1、理论空气需要量L 0（Nm3/kg ）和理论烟气量V 0（Nm3/kg ）; 2、如某加热炉用该煤加热，热负荷为17×103 kW ，过剩空气系数n=1.35，求该加热炉每小时的供风量，每小时的烟气生成量以及烟气的成分比例。 解：（1） 计算理论空气需要量L 0和理论烟气量V 0： () kg Nm O S H C L /74.701.036.475.247.4831.743821.0429.11100 1 83821.0429.1130=??? ? ??-+?+???= ? ??? ??-+?+??= () kg Nm L N W H S C V /08.874.779.0224.02878.1184247.43275.2100 31.74100791004.2228182321230 0=?+???? ??++++=+???? ??++++= （2）加热炉每小时所需煤量为： h kg Q m /10073.2295303600 101736001017333?=??=??=低 每小时的烟气生成总量： ()) /(10237.274.7)135.1(08.82073])1[3400h Nm L n V m V m V n tol ?=?-+?=-+?=?=（ 每小时需要的供风量： h Nm mnL L tol /10166.274.735.12073 340?=??==（可以据此选择鼓风机） 计算各烟气组分的小时体积量： )/(5.287520731004 .221231.741004.221232h Nm m C V co =??=?? = )/(9.392073100 4.22327 5.21004.223232h Nm m S V so =??=??= 燃料与燃烧计算题 例1 某厂使用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气，煤气温度为28 ℃，由化验室分析的煤气成分为 求两种煤气的发热量和当焦炉煤气与高炉煤气按3:7 混合时，混合煤气的成分和发热量。 解: (1)查附表5的1米3干煤气吸收的水分重量 g=31.1 把干煤气换算成湿成分： CO湿 2= 1. 31 124 .0 100 100 31 ? + ? % = 99 . 103 310 %=2.98% 同理，其余如下表： (2) 计算发热量和成分 焦炉煤气： Q低=30.2?8.66+25.8?55.75+85.5?24.45+141?2.79=4184 (kcal/m3) 高炉煤气： Q低=30.2?25.22+25.8?2.89+85.5?0.59=886 (kcal/m3) 按焦比为3:7混合时，混合煤气量为， CO2湿=(0.3?2.99+0.7?13.38)%=10.26% C2H4湿=0.3?2.79=0.84% O2湿=(0.3?0.39+0.7?0.29)%=0.32% H2湿=(0.3?55.75+0.7?2.89)%=18.75 CH4湿=(0.3?24.45+0.7?0.587)%=7.74% CO湿=(0.3?8.66+0.7?25.22)%=20.25 N2湿=(0.3?3.66+0.7?540)%=38.12% H2O=3.72% 混合煤气的发热量为: Q低=0.3?4148+0.7?886=1875 (kcal/m3) 例2 某厂采用焦炉煤气和高炉煤气的混合煤气，煤气成分同(例1)。该炉子的热负荷为60?106 kcal/h 试计算 (1) 每小时供应给炉子多少立方米煤气？ (2) 为保证完全燃烧，若要求空气消耗系数n=1.05，每小时应供应多少立方米空气？ (3) 废气量为多少？ 解： 由前述例题，已知该煤气的成分和发热量，则： (1) 每小时应供给炉子的煤气量为 B= 1875 10606?=3200 (m 3/h) (2) 该煤气燃烧的理论空气需要量，按式(4-8)为： L o =(25.20+2 75 .18+2?7.74+3?0.84-0.30)10076.4=1.77 (m 3/m 3) n=1.05时的实际空气消耗量 L o =nL o =1.05?1.77=1.86 (m 3/m 3) 则每小时供给炉子的空气量为 L=1.86?3200=5952 (m 3/h) (3) 该煤气的理论废气生成量，按（4-18）为 L o =(20.25+18.75+3?7.74+4?0.84+10.26+38.12+3.72) ?1.77?1001+100 79 =2.57 (m 3/m 3) n=1.05时V n =2.66(m 3/m 3)则实际废气生成量为 V=2.66?3200=8512 (m 3/h) 例3 已知某烟煤成分为 第三章燃料燃烧计算与锅炉热平衡（1） 一、名词解释： 1、燃烧 2、完全燃烧 3、不完全燃烧 4、过量空气系数α 5、理论空气量 6、过量空气 7、漏风系数 8、飞灰浓度 9、理论烟气容积 10、理论干烟气容积 11、三原子气体容积份额 二、填空题： 1、当α>1、完全燃烧时，烟气的成分有________________________；当α>1、不 完全燃烧时，烟气的成分有________________________。 2、烟气焓的单位是“kJ/kg”，其中“kg”是指______________________。 3、负压运行的锅炉中，沿烟气流程到空气预热器前，烟气侧的RO2逐渐______，O2 逐渐_______，烟气侧的α逐渐_______，漏风总量逐渐________，飞灰浓度逐 渐______。 4、烟气中的过量空气（含水蒸气容积）ΔV=_________________。 5、利用奥氏烟气分析仪进行烟气分析时，先让烟气经过装有___________溶液的吸 收瓶1，以吸收烟气中的___________；再让烟气经过装有___________溶液的吸收瓶2，以吸收烟气中的___________；最后让烟气经过装有___________溶液的吸收瓶3，以吸收烟气中的___________。以上吸收顺序_________颠倒。 6、烟气成分一般用烟气中某种气体的_________占_________容积的_________表示。 7、完全燃烧方程式为__________________，它表明___________________________。 当α=1时，该方程式变为_________________，它表明______________________，利用它可以求___________________________。 8、计算α的两个近似公式分别为________________、_______________。两式的使 一 《燃料与燃烧》习题解答 第一篇 燃料概论 1. 某种煤的工业分析为：M ar =3.84, A d =10.35, V daf =41.02, 试计算它的收到基、干燥基、干燥无灰基的工业分析组成。 解：干燥无灰基的计算：0 2.41=daf V 98.58100=-=daf daf V Fc ; 收到基的计算 ar ar ar ar V M A FC ---=100 36.35100 100=--? =ar ar daf ar A M V V A ar = 9.95 FC ar = 50.85 干燥基的计算： 35.10=d A V d = 36.77; 88.52100=--=d d d A V FC 2. 某种烟煤成分为： C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 A d =8.68 M ar =4.0; 试计算各基准下的化学组成。 解：干燥无灰基：80.3100=----=daf daf daf daf daf N O H C S 收到基： 33.8100 100=-? =ar d ar M A A 95.72100 100=--? =ar ar daf ar M A C C H ar =5.15 O ar =4.58 N ar =1.67 S ar =3.33 M ar =4.0 干燥基： 68.8=d A 99.75100 100=-? =d daf d A C C 36.5913.0=?=daf d H H 77.4913.0=?=daf d O O N d = N daf ×0.913 =1.74 47.3913.0=?=daf d S S 干燥无灰基：C daf =83.21 H daf =5.87 O daf =5.22 N daf =1.90 S daf =3.80 燃料与燃烧计算题 例1 某厂使用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气，煤气温度为 28 ℃，由化验室分析的煤气成分为 ） 求两种煤气的发热量和当焦炉煤气与高炉煤气按 3:7 混合时，混合煤气的成分和发热量。 解: (1) 查附表5的1米3干煤气吸收的水分重量 g= 把干煤气换算成湿成分： CO 湿2 = 1.31124.0100100 31?+?% =99 .103310%=% 同理，其余如下表： W= %72.3%9.1036 .38= %72.3%9 .103386 = ∑=100% ∑=100% (2) 计算发热量和成分 焦炉煤气： ~ Q 低=???? (kcal/m 3) 高炉煤气： Q 低=??? (kcal/m 3) 按焦比为3:7混合时，混合煤气量为， CO 2湿=??湿=?湿=??湿=??湿=??湿=??湿=??混合煤气的发热量为: Q 低=?+?=1875 (kcal/m 3) 例2 某厂采用焦炉煤气和高炉煤气的混合煤气，煤气成分同(例1)。该炉子的热负荷为60106 kcal/h 试计算 (1) 每小时供应给炉子多少立方米煤气 @ (2) 为保证完全燃烧，若要求空气消耗系数n=，每小时应供应多少立方米空气 (3) 废气量为多少 解： 由前述例题，已知该煤气的成分和发热量，则： (1) 每小时应供给炉子的煤气量为 B= 1875 10606?=3200 (m 3/h) (2) 该煤气燃烧的理论空气需要量，按式(4-8)为： L o =(25.20+2 75.18+2 +3 100 76 .4 (m 3/m 3) n=时的实际空气消耗量 L o =nL o = = (m 3/m 3) ， 第二章 燃料及燃料燃烧计算 第一节 燃料的成分及其主要特性 一、煤的成分及分析基准 元素分析测出煤的有机物由碳（C ）、氢（H ）、氧（O ）、氮（N ）、硫（S ）五种元素组成。工业分析测出煤的组成成分为水分（M ）、挥发分（V ）、固定碳（FC ）和灰分（A ）。 （一）煤的组成成分及其性质 煤由碳（C ）、氢（H ）、氧（O ）、氮（N ）、硫（S ）五种元素成分及灰分（A ）、水分（M ）组成。煤中各组成成分的含量，通常以它们各自质量占总质量的百分数表示。 1、碳（C ） 碳是煤中主要可燃元素，其含量约占20%～70%（指收到基，下同）。1kg 碳完全燃烧约放出32866kJ 的热量。碳是煤的发热量的主要来源。煤中碳的一部分与氢、氧、硫等结合成有机物，在受热时会从煤中析出成为挥发分；另一部分则呈单质称为固定碳。煤的地质年代越长，碳化程度越深，含碳量就越高，固定碳的含量相应也越多。固定碳不易着火，燃烧缓慢。因此，含碳量越高的煤，着火及燃烧越困难。 2、氢（H ） 煤中氢元素含量不多，约为2%～6%，且多以碳氢化合物状态存在，但氢却是煤中发热量最高的可燃元素。 氢的含量愈高，煤就愈易着火和燃尽。 3、氧（O ）和氮（N ） 氧和氮都是煤中的不可燃元素。氧与碳、氢化合将使煤中的可燃碳和可燃氢含量减少，降低了煤的发热量；氮则是有害元素，煤在高温下燃烧时，其所含氮的一部分将与氧化合而生成X NO ，造成大气污染。 4、硫（S ） 煤中硫的含量一般不超过2%，但个别煤种高达8%～10%。硫在煤中以三种形式存在，即有机硫（与C 、H 、O 等元素结合成复杂的化合物）、黄铁矿（2FeS ）和硫酸盐硫（如4CaSO 、4MgSO 、4FeSO 等）。 硫的危害：硫的燃烧产物是2SO ，其一部分将进一步氧化成为3SO 。3SO 与烟气中的水蒸汽结合成硫酸蒸汽，当其在低温受热面上凝结时，将对金属受热面造成强烈腐蚀；烟气中的3SO 在一定条件下还可造成过热器、再热器烟气侧的高温腐蚀。随烟气排入大气的2SO 、3SO ，将造成环境污染，损害人体健康及其他动物和植物 第一章 1、试就成煤物质的碳化程度说明煤炭的种类及其特点。 答：根据母体物质炭化程度不同可将煤分为四大类，即泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。 泥煤：质地疏松、吸水性强、含氧量最多，含碳最少。使用性能挥发分高，反应性强，含硫量低，机械性能很差，灰分、熔点很低。 褐煤：与泥煤相比，密度较大，含碳量较高，氧和氢含量较少，挥发分产较低。粘结性弱，极易氧化和自然，吸水性较强。 烟煤：与泥煤相比，挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳增加，氢和氧含量减少，具有粘结性。 无烟煤：含碳量高，密度大，吸水性小，挥发分极小，组织致密而坚硬，热值大，灰分少，含硫量低。 2、说明煤的化学组成。 答：C H O N S 灰分（A）、水分（W） 5、说明煤炭灰分的定义，怎样确定煤炭灰分的熔点和酸度？煤炭灰分 的酸度与灰分的熔点有什么关系？ 答：灰分（A）所谓灰分，指的是煤中所含的矿物杂质在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成一些固体残留物。 灰分的熔点：灰分是多种化合物构成的，因此没有固定的熔点。它是指灰分在软化到一定程度的温度。 灰分的酸度：是指灰分中的酸性成分与碱性成分之比。酸度越大，灰分熔点越高。 7、煤的化学组成有几种表示方法？ 答：应用基C%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100% 分析基C%+H%+O%+N%+A%+W%=100% 干燥基C%+H%+O%+N%+S%+A%=100% 可燃基C%+H%+O%+N%+S%=100% 煤的工业分析内容是测定水分，灰分，挥发分和固定碳的百分含量。 8、煤的发热量：1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热叫它的发热量。单位kj/kg。 9、什么是煤的高发热量和低发热量？ 答：高发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成0℃的水时所放出的热量。 低发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20℃时放出的热量。 煤的耐热性是指煤在加热时是否易于破碎而言。 12、什么是煤的粘粘性和结焦性？ 答：粘粘性指的是粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒互相粘结形成焦块的性质。 煤的结焦性是指煤在工业炼焦的条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦的性质。 13、什么是煤的反应性和可燃性？ 答：煤的反应性是指煤的反应能力，也就是燃料中的碳与二氧化碳及水蒸气进行还原反应的速度。煤的可燃性指的是燃料中的碳与氧发生氧化反应的速度，即燃烧速度。 1. 1.1燃料的分析基准 分析基准：1.元素分析；2.工业分析 元素分析：检测煤中无机物水分、灰分和有机物碳、氢、氧、氮、硫这几种组分的相对含量。 工业分析：检测煤中水分，挥发分，固定碳和灰分这几种组分的相对含量。【注意点】1.比较这两种分析基准中的相同名称组分和不同名称组分，可以知道，水分和灰分的测定是两种分析基准之中都有的。而工业分析并不要求检测出煤中碳、氢、氧、氮、硫这几种元素的含量，仅仅要求将挥发分，固定碳区分开来。 2.对于煤的组成合理的看法就是区分可燃的部分和不可燃的部分，煤中可燃的部分就是挥发份和固定碳，其中挥发份是可燃的气体物质，燃点较低，着火容易，因此，挥发份含量多的煤有利于点火。 3.工业分析中的水分对应元素分析中的一部分氢元素和氧元素；灰分是不可燃部分，对应元素分析中的灰分，其中也包含一部分硫元素；固定碳只对应元素分析中的一部分碳元素；挥发分中含有硫元素的可燃的化合物、碳氢氧化合而成的可燃物。 各种元素含量对于媒的性质的影响： 水分：1.水分含量增加，使得煤中可燃物含量相对减少，发热量降低； 2.水分含量增加，磨煤机中所需热风量增加，会使煤粉磨制困难，引风机阻力增大。 3.水分含量增加，会降低炉内温度，使着火困难，燃烧不完全，机 械和化学不完全燃烧热损失会增加。 灰分：1.灰分含量增加，使得煤中可燃物含量相对减少，发热量降低； 2.灰分会吸收热量，并且会由排渣使得热量损失，包括飞灰热损失 和灰渣热损失，统称为灰渣热物理损失，同时其带走了一部分热量将使 炉膛温度降低，燃烧不稳定，也增加不完全燃烧热损失。 3.灰分多，使理论燃烧温度降低，而且煤粒表面汪汪形成灰分外壳， 妨碍煤中可燃物质和氧气接触，使煤不易燃尽，增加机械不完全燃烧热 损失。 4.灰分多，灰粒随烟气流过受热面时，如果烟速高，会磨损受热面， 如果烟速低，会形成受热面积灰，降低传热效果，并使排烟温度升高， 增加排烟损失，降低锅炉效率。 5.灰分多，产生了结渣后，会腐蚀金属；灰分多，增加煤粉制备的 能量消耗；灰分还会造成环境污染。 挥发分：挥发份是可燃的气体物质，燃点较低，着火容易，因此，挥发份含量多的煤有利于点火。 【注意点】要了解各种元素的具体情况，需要仔细阅读书上13-15页的内容。 1.2煤的成分分析基准 【注意点】1.了解收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基的定义和区别，仔细阅读书上15-16页。2.考试不一定会具体地考到，但是一定要明白无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤这几种煤从前到后是越来越容易烧，意思就是越来越容易点火，为什么？因为它们从前到后，挥发分的含量是不断上升的。同时，它们从无烟到 书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 点火燃料的燃烧计算（一） （1）燃料成分的表示法及成分换算。气体燃料成分分为湿成分或干成分 表示法。煤气湿成分表示水分在内的分析，都以体积%计算。干成分不包括煤 气中的水分。煤气中的水分以饱和水蒸气状态存在，其数量因煤气温度而异。 为了排除气温对于煤气成分的影响（主要影响其水气量），煤气全分析都给出 煤气千成分。各种书籍及文献都记载煤气的干成分。为了反映煤气在使用时的 真实情况，都用煤气湿成分进行燃烧计算。干煤气换成湿煤气的计算系数K: 举例：某烧结厂点火使用的焦炉煤气干成分如下： CH422.08%,H261.49%,CO7%,CO23.6%,N23.3%,O20.2%,CnHm2.4%,使用时为20 ℃,其H2O 湿=2.3%。所以K 为0.977。其湿成分为： CH4=22.08%×0.977=21.57% H2=61.42%×0.977=60.02% CO=7%×0.977=6.84% N2=3.3%×0.977=3.22% O2=0.2%×0.977=0.19% CnHm=2.4%×0.977=2.34% CO2=3.6%×0.977=3.52% H2O =2.3% Σ湿=100% 液体的成分都以质量%来表示，还经常表示为供用成分、干燥成分和可燃成分（化工上还有有机成分表示 法）。供用成分是包括全部组成物的成分表示法，干燥成分是不包括水分的成 分表示法，可燃成分是不包括水分及灰分的成分表示法。其换算如下： 由于天气条件会影响燃料的水分含量，运输和储存条件会影响燃料灰分含 量，故液体及固体燃料的供用成分因外界条件而变。为了排除外界条件的影 响，在元素分析之后都给出可燃成分，各种书籍及文献都记载可燃成分。为 反映燃料在使用时的真实情况，都用液体和固体燃料的供用成分进行燃烧计 算。举例：重油的可燃成分为:C 燃=87.52%,H 燃=10.74%,O 燃=0.5I%,N 燃 燃料的热值 第一节、热值 1、什么是热值？ 热值（calorific value）又称卡值或发热量。在燃料化学中，表示燃料质量的一种重要指标。单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量。通常用热量计（卡计）测定或由燃料分析结果算出。有高热值（higher calorific value）和低热值（lower calorific value）两种。前者是燃料的燃烧热和水蒸气的冷凝热的总数，即燃料完全燃烧时所放出的总热量。后者仅是燃料的燃烧热，即由总热量减去冷凝热的差数。常用的热值单位，kJ/kg（固体燃料和液体燃料），或kJ/m^3（气体燃料）。 正确使用微机量热仪、升降式微机全自动量热仪可以测试出煤炭的发热量。 2、热值的定义 1千克（每立方米）某种固体（气体）燃料完全燃烧放出的热量称为该燃料的热值，属于物质的特性，符号是q，单位是焦耳每千克，符号是J/kg(J/m^3)。热值反映了燃料燃烧特性，即不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小。 3、计算公式 固体燃料完全燃烧释放的热量的计算公式：Q放=mq 气体燃料完全燃烧释放的热量的计算公式：Q=Vq Q表示热量(J)，q表示热值( J/kg )，m表示固体燃料的质量(kg)，V表示气体燃料的体积(m^3）。 q=Q放/m(固体）；q=Q放/v(气体） W=Q放=qm=Q放/m W=Q放=qV=Q放/v (W：总功）（热值与压强有关） SI制国际单位： Q———某种燃料完全燃烧后放出的热量———焦耳 J m———表示某种燃料的质量———千克 kg q———表示某种燃料的热值———焦耳每千克 J/kg 4、单位换算 单位换算表 百万焦耳(10jou le) 兆卡 (10c al) 色姆 (therm) 吨油当量 (toe) 千瓦小 时 (kW·h) 百万英热 单位(MBtu)《燃料与燃烧》部分习题答案
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