第2章燃料及燃料計算主要內容：燃料的化學成分1煤的燃燒特性2煤的分類3液體燃料4氣體燃料5燃料的燃燒計算6鍋爐煙氣分析及其結果的應用7燃料成分與性質燃料的定義：

燃料是指從技術經濟上講適宜于用來獲取大量熱量的物質。燃料的分類：

一般可以將燃料分為兩個大類：有機燃料和核子燃料，后者用于核反應堆，不屬于常規能源的范疇，我們以下所說的燃料一般是指有機燃料。1.1.燃料的化學成分及其性質有機燃料：是指主要元素成分為碳和氫的物質，它在空氣中燃燒時可以釋放出大量的熱量。最重要的有機燃料是化石燃料。所謂化石燃料是指埋藏在地下的遠古生物的遺體，經過長期的地質作用所形成的物質，主要有煤、石油、天然氣、油頁巖和煤頁巖，也包括石油伴生氣和煤層氣（瓦斯氣），以及目前還難以開采的天然氣水合物。生物質也是比較常見的有機燃料，主要是柴薪和各種農林廢棄物，如甘蔗渣、稻殼、木屑、農作物秸稈等等。城市生活垃圾和某些工業廢棄物中也含有可以燃燒的有機組分，適當處理后也可以看成一種有機燃料。燃料成分與性質有機燃料按照其狀態可以分為三類：固體燃料、液體燃料和氣體燃料。有機燃料的元素組成：有機燃料由有機物和無機物組成。有機組分一般含有碳C、氫H、氧O、氮N、硫S五種元素，而無機組分一般認為是由水分M和灰分A組成的，通常將以上七個組分稱為有機燃料的元素組成。可燃基：高分子化合物，成分C,H,O,N,S惰性基：多種礦物質，灰分燃料成分與性質有機燃料的元素解析：碳C它是有機燃料中的最主要的可燃組分，在空氣中完全燃燒時每千克碳可以放出32866千焦的熱量，其完全燃燒產物是二氧化碳。氫H它是有機燃料中重要的可燃組分，在空氣中完全燃燒時每千克氫可以放出120370千焦的熱量，所以含氫較多的燃料一般發熱量也較高，它的燃燒產物是水蒸氣。燃料成分與性質氧O它存在于燃料的有機組分中，是一種不可燃組分。燃料有機組分中的氧元素和其它元素之間總是要由化學鍵連接起來，氧元素的存在必然會降低燃料的化學能，使得燃料的發熱量下降，所以含氧量較多的燃料的發熱量必然較低。氮N它也是存在于燃料的有機組分之中的不可燃組分。燃料中的氮在燃燒之后絕大部分轉化成氮氣，少部分經過復雜的中間過程生成各種氮的氧化物即NOX（主要是NO），煙氣中這部分NOX稱為燃料型NOX。燃料成分與性質硫S硫也是一種可燃組分，每千克單質硫燃燒生成二氧化硫時可以釋放出的熱量。燃料中的硫可以存在于有機組分和無機組分中，分別稱為有機硫和無機硫。有機硫以硫醚、噻吩或其它形式存在于燃料有機質的大分子中，燃燒之后被氧化成硫的氧化物（SO2或SO3，統稱SOX）。無機硫有兩種存在形式，分別為硫鐵礦和硫酸鹽，相應地稱作硫鐵礦硫和硫酸鹽硫，其中硫鐵礦中的硫份在燃燒過程中生成SOX進入煙氣，硫酸鹽根據燃燒條件可以分解釋放出SOX或者維持原型進入灰渣。燃料成分與性質硫S硫份是燃料中最為有害的成分。燃燒過程中生成的SOX進入煙氣之后，會對后續的受熱面產生腐蝕，并且是受熱面上產生粘結性積灰的重要原因之一，所以燃料中的硫份對于設備的工作有嚴重的不利影響。另外，有機燃料的燃燒產生的SOX也是我國大氣污染最大的污染源。燃料成分與性質水分M(Moisture)燃料中的水分有多種可能的賦存方式。

存在于燃料中的游離水分稱為外在水分，外在水分的含量極其不穩定，容易隨著環境條件的變化而變化；以表面力或其它方式吸附或凝聚在微孔隙之中的水分稱為內在水分，它相對比較穩定，只有在燃料受熱時才會釋放出來；以結晶水的方式存在于礦物質中的水分稱為結晶水。通常所說的燃料的水分不包括結晶水。燃料成分與性質水分M(Moisture)水分對燃料的燃燒過程有多方面的影響。燃料受熱后，所含水分的蒸發過程需要吸收大量的熱量，所以含水量較高的燃料著火比較困難，這是水分的有害的方面；但是，水分的團聚作用可以降低火床燃燒過程的飛灰量，更重要的是，煙氣中的水蒸汽可能直接或間接地參與燃燒反應，這是其有利的方面。燃料所含的水分在燃燒過程中以蒸汽狀態進入煙氣，所以燃料的含水量影響到煙氣中水蒸汽的含量，從而影響到煙氣的性質，進一步影響到受熱面的工作過程，包括輻射傳熱和對流傳熱過程，以及受熱面的腐蝕和積灰等。燃料成分與性質灰分A(Ash)燃料的無機組分中，除了水分之外，就是各種礦物質，它在灼燒之后是各種氧化物的混合物，常見的組分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、V2O5等等，其中SiO2和Al2O3是酸性組分，其余為堿性組分。礦物質基本上是不可燃組分，被視作燃料中的雜質，含礦物質多的燃料常常稱為劣質燃料。燃料成分與性質灰分A(Ash)燃料中的灰分是指燃料灼燒之后的剩余物，所以嚴格地講，灰分和礦物質并不完全是同一個概念，因為燃料的礦物質中的結晶水在灼燒之后可能消失，碳酸鹽也可能在灼燒過程中分解，某些礦物質也可能在灼燒過程中升華（比如Na2O、K2O、V2O5等組分在800℃以上即可升華，這些組分通常稱作升華灰）。煤的灰分一般采用灼燒失重法來測定，為了盡量減小測定結果與煤中固有礦物質之間的差別，同時為了減小水分和揮發份的析出帶走部分樣品，所以灰分的測定過程應當嚴格控制升溫速度和灼燒溫度，并且保證足夠多的灼燒時間以使得殘碳完全燃盡。燃料成分與性質灰分A(Ash)灰分對鍋爐的工作過程有著非常深刻的影響。首先，燃燒過程的幾個重要指標，比如著火性能、燃燒速度、燃盡率等等，在很大程度上受到灰分含量和組成的某種限制；其次，灰分還決定著爐膛結渣過程和受熱面積灰過程；最后，灰分中的某些組分可能參與受熱面的煙氣側腐蝕過程和磨損過程，所以必須要對燃料中的灰分含量和性質給予足夠的重視。燃料成分與性質灰分A(Ash)燃料中灰分的來源有多種途徑。成煤植物中所含的礦物質、成煤過程中地下水和微生物帶入的礦物質是煤中固有的，這部分灰分在煤中基本呈現均勻分布，稱之為內在灰分；另外，在燃料的開采、加工、運輸、存儲等環節，可能混入各種雜質，這部分灰分稱為外在灰分。一般，燃料的內在灰分的含量比較穩定，而外在灰分的含量會隨著外界的條件的不同而波動。燃料成分與性質燃料的成分表達基準：如上所述，燃料中的有機組分基本是穩定的，但是無機組分的含量則是不穩定的，尤其是外在水分和外在灰分在不同的場合可能會有較大的變化，這就對燃料組分的定量描述帶來不確定性，所以在對燃料的組分進行表達時，首先應當明確的就是采用何種基準，也就是說，應當指明樣品的制備條件。燃料成分與性質收到基指以實際被使用的燃料作為成分基準，又稱應用基。燃料的收到基成分是設計計算和運行校核的依據。收到基成分用下標“ar”表示，即：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100(%)其中，Car表示燃料中碳占有的質量份額，它是一個百分數，通常在燃料的成分表示中約定將百分號約去，比如“某燃料Car=58”的含義是：該燃料的收到基碳份為58%，余此類推。燃料成分與性質空氣干燥基指實驗室中以溫度為60℃、相對濕度60%的空氣對燃料進行風干后制取的樣品作為成分基準，又稱分析基。燃料的分析基成分可以比收到基更穩定地表示燃料的成分，它基本排除了外在水分的波動對成分表達的影響，常用于在實驗室中用于描述燃料。分析基成分，用下標“ad”表示，即：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100(%)燃料成分與性質干燥基指以除去所有水分的燃料樣品作為成分基準，它完全排除了水分對成分表達的干擾。燃料的干燥基成分常用于表達燃料的灰分含量。干燥基成分用下標“d”表示，即：

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100(%)無水無煙基指以除去了所有水分和灰分的樣品作為成分基準，又稱可燃基。無水無灰基以下標“daf”表示，即：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100(%)燃料成分與性質基準之間的換算：同一種燃料，可以用不同的基準來表達，不同的基準之間可以通過等比關系加以換算。比如，某種燃料的成分用收到基和空氣干燥基表達分別為：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Mar+Aar=100Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Mad+Aad=100由于兩個基準之間的差別僅在于水分，將上面二式移項：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar=100-Mar

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad=100-Mad

這二式的左側具有完全相同的組成，則以等式的右側為基準時各組分的含量應當相同，所以有：燃料成分與性質基準之間的換算：所以，收到基和空氣干燥基的碳份之間有如下的換算關系：其它組分之間也有完全相同的關系，所以稱為收到基和空氣干燥基之間的基間換算系數。使用相同的方法，可以得出任意兩個基準之間的換算系數。燃料成分與性質換算例題：例：已知某種固體燃料，該燃料在實驗室中的分析結果為空氣干燥基碳分和水分分別為60%和10%;現場取樣分析得到該燃料的收到基水分為15%，現欲求取該燃料的收到基碳分。解：通過換算系數有燃料成分與性質燃料的發熱量的定義：

關于燃料發熱量的定義有以下一種解釋，請大家注意分析其正確性發熱量是指單位質量（對于氣體燃料，指單位體積）的燃料在完全燃燒之后將燃燒產物冷卻到燃燒前的溫度所釋放出的熱量，又稱作燃料的熱值。它的國際標準單位為“千焦/千克”（kJ/kg），對于氣體燃料為“千焦/標米立方”（kJ/Nm3）。燃料的發熱量是燃料最重要的經濟性指標。煤的燃燒特性1.2.煤的燃燒特性燃料的發熱量的定義：上述發熱量的定義很不嚴密，至少可以有三種不同的解釋：1、沒有指定燃燒過程的條件：如果燃燒過程是定容過程，對應的發熱量稱作恒容發熱量；如果燃燒過程是定壓過程，對應的發熱量稱為恒壓發熱量；2、未說明燃燒產物中水的狀態：根據燃燒產物中水的狀態，又可以將發熱量分為高位發熱量（又稱為毛熱值）和低位發熱量（又稱為凈熱值），前者指煙氣被冷卻到燃燒前的溫度時，其中的水分以液態的方式存在，后者指水分以水蒸氣的方式存在，二者之間相差煙氣中所含的水蒸汽的凝結潛熱；3、燃料的發熱量還應當指明所用的樣品的基準。煤的燃燒特性燃料的發熱量的定義：所以表示燃料的發熱量時，一定要指明燃燒過程特征、燃料的基準和燃燒產物中水的狀態這三個條件，符號表達中將這三個條件以下標的方式注明，例如：Qnet,p,ar——表示燃料的收到基恒壓低位發熱量；Qgross,v,ad——表示燃料的空氣干燥基恒容高位發熱量。使用氧彈量熱計對燃料進行發熱量測定，得到的是燃料的空氣干燥基恒容高位發熱量。我國的國家標準規定：熱工計算涉及燃料的熱值時，以收到基恒容低位發熱量為準。煤的燃燒特性同位之間的發熱量換算：根據定義可知，同位異基之間的發熱量的換算可以直接使用基間換算系數。同基之間的發熱量換算：根據定義，同基之間高位發熱量和低位發熱量之差等于煙氣中所含水分的凝結潛熱。燃料燃燒生成的煙氣中的水分有兩個來源：燃料中的氫元素生成的水分和燃料中的水分蒸發生成的水分。由于每千克氫生成9千克水，所以每千克燃料生成的煙氣中，所含水分的質量為：千克則有煤的燃燒特性式中，r為水蒸氣的凝結比潛熱，它的大小取決于燃燒產物的壓力。我國的標準規定，熱值換算時，統一取r=2512kJ/kg。異基異位之間的發熱量換算：這種換算可以分兩步進行：先進行同基異位之間的換算，再進行同位異基之間的換算。異位同基換算關系：煤的燃燒特性

對于高位發熱量來說，水分只是占據了質量的已定份兒而使發熱量降低；對于低位發熱量，水分不僅占據了質量的一定份額，而且還要吸收汽化潛熱。因此高位異基可利用表2-1進行換算。

對于低位發熱量則不然，必須要考慮煙氣中全部水蒸汽的汽化潛熱，低位異基利用表2-2進行換算。煤的燃燒特性例題：實驗室中測得某燃料的空氣干燥基恒容毛熱值為21000kJ/kg，空氣干燥基水分為8%，氫分為4%；現場取樣測得收到基水分為12%，求該燃料的收到基恒容凈熱值。已知:Qgr,v,ad=21000,Mad=8%,Had=4%,Mar=12%解：（1）（2）煤的燃燒特性二、煤的工業分析元素分析成分反映了燃料的元素組成，但是元素分析的設備和操作過程都很復雜，普通用戶難以進行，而且元素分析所得的數據并不能有效地反映出它的實際燃燒特征。為此，本著簡單實用的原則，將煤看成是由水分、灰分和可燃質組成的混合物，一、煤在爐內加熱燃燒過程1．預熱和干燥2．揮發物的逸出3．焦炭的形成4．灰渣的形成煤的燃燒特性而對可燃質不用元素組成來描述，而是看作是由揮發分V和固定碳FC組成的，用這種方式描述的煤組成稱為煤的工業分析成分，即：V+FC+A+M=100（%）煤的工業分析包括：1、工業分析成分的測定；2、粘結性的測定；3、灰的熔融性的測定；4、煤的可磨性指數的測定；5、其他性質的測定（比如沖蝕指數等）。煤的燃燒特性揮發分V：揮發分被定義為：煤在受熱時，在釋放出水蒸氣之后，繼續釋放出的那部分氣相產物；而固定碳則被定義為除了揮發f分之外的那部分可燃質。確切地講，揮發份和固定碳并不是煤的固有成分，而是煤炭使用過程中表現出的一種性能參數。組成：

揮發份是氣相混合物，具體組成與煤種和加熱條件相關，它一般由CO、CO2、H2、N2以及各種烴類組成，是煤炭的有機大分子裂解后的氣相產物，揮發份的高低表征著煤炭的著火性能的好壞，是一個非常重要的參數，通常用無水無灰基的揮發分Vdaf來加以描述。煤的燃燒特性揮發分的測定：揮發分并不是煤中的固有組分，它是在使用過程中表現出來的，所以揮發分的大小與受熱條件密切相關。為了得到統一的、可以比較的揮發分含量的數據，必須對受熱條件作出統一的規定。國家標準對于煤的揮發物測定作了如下限定：揮發份的測定在箱式電爐中進行，爐溫事先預熱915℃，然后在天平上秤取1克左右的粒度小于1mm的煤樣置于特制的帶蓋坩堝中，打開爐門將坩堝置于爐內，并快速關閉爐門，開始計時到7分鐘時取出坩堝，在干燥皿中冷卻后秤重。煤樣失去的質量占煤樣的份額即為揮發份和水分的和。煤的燃燒特性揮發分的意義：煤的揮發分含量只是在規定條件下的測定結果，這個結果可以用于煤種之間的比較，但是這個結果并不能代表煤在實際燃燒過程中釋放的氣相產物，事實上，實際燃燒過程中，煤炭釋放的氣相產物的多少是與升溫速度和其它許多因素相關的。由于燃燒過程中，氣相可燃物的反應速度遠大于固相可燃物，所以揮發份的高低直接影響到煤的燃燒性能，尤其是著火性能。煤的燃燒特性固定碳FC：固定碳指煤中除了水分、灰分和揮發份之外的剩余組分，所以在測定了以上三個組分的含量之后，就可以計算出煤中的固定碳含量，而不需要測定。工業分析與元素分析的比較：

有機組分

無機組分

FCV

A

M

CHONSAM煤的燃燒特性煤的粘結性（焦結性）：按照標準規定的方法進行揮發分測定之后，坩堝中的剩余物是灰分和固定碳的混合物，稱為焦渣。不同的煤具有不同的焦渣特性，又稱為煤的粘結性。按照揮發物測定的剩余物的形態，可以將焦渣分為8種。煤的燃燒特性粘結性的分類：1、粉狀2、粘著3、弱粘結4、粘結5、弱膨脹粘結6、不熔融膨脹粘結7、弱熔融膨脹粘結8、強膨脹熔融粘結煤的燃燒特性粘結性的意義：煤的粘結性對實際的鍋爐工作過程有重要影響，主要表現在：粘結性強的煤種十分容易在受熱之后結焦，也就是煤的顆粒之間相互粘結在一起而形成大的“焦塊”，火床燃燒時破壞燃料層的通風，火室燃燒時在燃燒器出口或爐墻上形成大的焦渣。煤的燃燒特性灰的熔融性：煤在燃燒過程中，必然要經受高溫，而煤中的灰分一旦在高溫條件下發生熔化，就會對鍋爐的工作過程產生十分不利的影響，主要表現在兩個方面：1）熔融的灰分將煤粒包裹起來，阻隔了可燃質與氧氣的接觸，從而造成可燃質無法燃盡的后果這種現象稱為“裹灰”。2）熔融的灰分結成大塊的現象稱為“結渣”。爐墻上結渣會破壞爐膛傳熱過程甚至引發嚴重事故；火床爐的床層內結渣，會破壞床層的通風工況。煤的燃燒特性灰熔點：表征灰的熔融性的指標是灰熔點，它指的是煤中的灰分發生“固-液”相變時對應的溫度。但是，煤中的灰分是多組分的混合物，它并不象晶體那樣具有固定的熔點，它的相變過程是在一個溫度范圍內發生的，所以灰熔點只能以幾個特征溫度來描述。煤的燃燒特性灰熔點的測定：將灰分測定后所得的灰樣在模具內壓制成底邊為正三角形的灰錐，底邊邊長為7毫米，灰錐高度為21毫米，置于托盤上送入管式電爐中緩慢升溫，觀察灰錐形態變化與溫度的對應關系，從而得到三個特征溫度：變型溫度t1、軟化溫度t2和熔化溫度t3,這三個溫度就用來代表灰熔點。煤的燃燒特性特征溫度：三個特征溫度與灰錐形態的對應關系為：

灰錐

t1t2t3煤的可磨性指數：煤粉鍋爐使用的燃料形態是煤粉，煤的可磨性指數是指在實驗室內的一個標準磨煤機中樣品的制粉電耗與參比煤樣的制粉電耗的比值。它是制粉系統設計的重要依據。煤的燃燒特性煤炭分類方法：按干燥無灰基揮發分多少，也即接近于按煤的煤化程度對煤進行分類，可以分為褐煤煤化程度較低，Vdaf可達37%-50%，容易著火，但吸水能力較強。其內部雜質和外部雜質都多，碳含量Car在40%-50%，發熱量不高，一般在1150-2100kJ/kg。2.煙煤碳含量高，揮發分也多，Vdaf>20%-40%，易著火和燃燒，灰分和水分較少，發熱量較高。煙煤呈黑色，質地松軟，具有一定光澤，燃燒時多煙，是自然界分布最廣和最多的品種。1.3.煤的分類煤的分類3.貧煤其煤化程度低于無煙煤，其揮發分Vdaf>10%-20%.和煙煤相比，較難著火和燃燒，發熱量介于無煙煤和一般煙煤之間。4.無煙煤俗稱白煤，煤化程度最高，揮發分含量最少，Vdaf<10%;碳含量最高，最高的干燥無灰基碳含量達95%-98%，著火困難，發熱量一般較高,可達6000-6500kJ/kg。煤的分類煤的分類：煤的分類工業鍋爐用煤的分類：我國的工業鍋爐用煤以揮發份為一級指標，將煤分為褐煤、煙煤、貧煤和無煙煤四個大類，另外加上高灰分的煤矸石（稱為石煤），組成了五個大類煤種。以發熱量和灰分為二級分類指標，再將石煤、煙煤和無煙煤各分為三個類別，總共有11個小類。煤的分類工業鍋爐煤質分類表：煤的分類鍋爐用液體燃料主要有兩類：重油（燃料代號YZ）和輕油（一般指柴油，燃料代號YQ）。液體燃料的主要性能指標有：熱值、粘度、含硫量、機械雜質含量、閃點、凝固點等。凝固點：一般指液體燃料失去流動性時對應的溫度，它對燃料的儲運有極其重要的影響。（例如重油為22-36攝氏度）1.4.液體燃料液體燃料黏度：黏度是液體燃料使用過程中涉及的最為重要的指標，它不僅影響到燃料的儲存和輸運，更重要的是影響到燃燒時的霧化性能。黏度有兩種：絕對黏度（單位為mm2/s)和條件黏度。條件黏度是在實驗室條件下采用某種方法測得的黏度，常用的條件黏度有恩氏粘度（無量綱，符號為0E）、雷氏黏度（單位為秒）、賽氏黏度（單位為秒）等，我國常用恩氏黏度。液體燃料的黏度與溫度的關系密切，一般可以通過提高溫度的方法來降低黏度。液體燃料液體燃料的牌號：

重油：一般用50℃時的恩氏粘度的數值來表示重油的牌號，常見的牌號比如20號、50號、100號、200號重油等等。

輕油：一般用凝固點來表示柴油的牌號，常用的有10號、0號、-10號等等。液體燃料鍋爐用氣體燃料主要有：天然氣（燃料代號QT）、高爐煤氣、焦爐煤氣、城市煤氣、煤層氣、液化石油氣等等。氣體燃料幾乎不含灰分，對鍋爐的工作十分有利。氣體燃料之間的熱值相差很大。高熱值的石油液化氣和天然氣是優質的氣體燃料，低熱值的高爐煤氣是劣質的氣體燃料。1.5.氣體燃料氣體燃料氣體燃料的特點：基本無公害，有利保護環境只含有少量硫分和灰分，經脫硫后硫分污染忽略不計。運輸方便，使用性能優越管道運輸，無運輸和存儲過程中有害物泄漏、粉塵污染和噪聲污染；更易于空氣混合，可提高鍋爐燃燒效率。易于燃燒調節燃燒器具有跟蹤并迅速適應和滿足鍋爐負荷變換的特點。其他燃料：生物質燃料：主要是農林產品的加工廢棄物，比如甘蔗渣（燃料代號G）、稻殼（燃料代號D）、木屑（燃料代號M）等等。人工燃料：比如水煤漿、油煤漿等等。工業廢棄物：含有可燃質的工業廢氣、廢液等，比如造紙黑液。可燃固體廢棄物：比如城市垃圾等。氣體燃料1.6.燃料的燃燒計算理論空氣量計算實際空氣量計算理論煙氣量計算實際煙氣量計算空氣與煙氣焓計算溫焓表燃燒計算理論空氣量（Vko）的計算：定義：單位質量（對于氣體燃料為單位體積）燃料完全燃燒時所需要的最小空氣體積，單位為Nm3/kg(對于氣體燃料為Nm3/Nm3）。計算：依照化學反應當量比，得：燃燒計算燃燒所需的空氣量計算實際空氣量（Vk）的計算：指實際參與燃燒得空氣量。定義：實際參與燃燒得空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數，即：則：實際空氣量可以表達為：其中（Vk-Vko）被稱為過量空氣。燃燒計算理論煙氣量（Vyo）的計算：定義：指過量空氣系數為1的條件下單位質量（或體積）的燃料完全燃燒所生成的煙氣量。根據定義和化學反應當量比，可得理論煙氣量得計算式：燃燒計算燃燒生成的煙氣量計算實際煙氣量（Vy）的計算：定義：指實際燃燒條件下（過量空氣系數大于1）的單位質量（或體積）的燃料完全燃燒所生成的煙氣量。根據定義，可得實際煙氣量的計算式：燃燒計算理論空氣焓（Iko）的計算：定義為