锅炉及锅炉房设备

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锅炉及锅炉房设备内蒙古建筑职业技术学院主讲杨二虎 燃料分析2、1煤的组成及特性2、2液体燃料的组成及特性2、3气体燃料的组成及特性 第二章燃料分析燃料是指可以燃烧并能放出热能加以利用的物质。锅炉燃烧所用的燃料有固体燃料（煤、煤矸石等）、液体燃料（轻柴油、重油、渣油等）、气体燃料（天然气、混合发生炉煤气、水煤气、液化石油气、高炉煤气、焦炉煤气等）。第一节煤的组成及特性煤是由碳（C）、氢（H）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、灰分（A）和水分（M）组成，但燃料不是这些成分的机械混合，而是一种极为复杂的化合物。一、煤的元素分析（一）煤的元素分析成分煤的元素分析成分是用各成分相应的质量占燃料总质量的百分数表示的。 1．碳（C）碳是煤中主要的可燃元素。1kg纯碳完全燃烧可放出32866kJ热量。含碳量愈多的煤，其发热量也愈高。纯碳的着火温度较高，煤中的碳含量愈高愈难着火，燃烧过程也愈缓慢，燃尽时间也愈长。2．氢（H）氢是煤中重要可燃元素，其热值较纯碳高得多，是碳的3、8倍。氢的着火温度较低，所以，煤中氢的含量愈多对燃烧愈有利。3．硫（S）硫是煤中的有害元素，它虽燃烧，但发热量不大，1kg硫完全燃烧放出9050kJ热量。煤中硫分为可燃硫和不可燃硫。可燃硫包括有机硫和硫铁矿硫，但硫的燃烧产物是SO和SO。而硫酸盐硫属于不可燃烧，成为灰分的一部分。 4、氧（O）和氮（N）氧和氮是煤中的不可燃元素。由于它们的存在，煤中的可燃碳和可燃氢的含量减少，降低了煤的发热量。在高温条件下，氮被氧化生成NOX，随烟气排入大气，造成严重的环境污染。在各种煤中，氧的含量是1%～2%，氮的含量在0.5%～2.0%之间。5、灰分（A）灰分是煤中固态不可燃物。是煤中的主要杂质。由于灰分的存在，①减少了煤中可燃成分的含量、降低了煤的发热量；②灰分增加了煤的开采、运输的工作量；③灰分在煤的加工和磨制过程中，增加了电能的消耗和设备的磨损；④灰分影响煤的着火、燃烧和燃尽，造成锅炉受热面结渣、积灰、磨损和腐蚀，使传热效果下降，降低了锅炉效率；⑤飞灰随烟气排入大气，污染环境。 煤中灰分的含量与开采、运输和储存有关。波动幅度很大，一般在5%～35%之间，劣质煤中灰分高达75%。6、水分（M）水分是煤中的不可燃成分，它占据了煤中可燃成分的含量，使煤的发热量降低。由于水分的存在：①对煤的加工和磨制造成困难，而且增加了能量的消耗；②水分对煤的预热干燥阶段非常不利，使炉膛温度下降，造成着火困难。③水分在高温下汽化成水蒸气，成为烟气的一部分，增加了排烟热损失。水分在煤中也是以两种形态存在：①外水分W：煤在开采、运输、储存和洗选过程中带进的水分。通过自然干燥而除去。②内水分W：吸附和凝聚在煤块内部毛细孔中的水分，也称固有水分。内水分不易蒸发，在105～110℃温度下可以烘干。 为便于燃料的热工计算和燃烧机理分析，对煤的各组成成分用相应的质量百分比表示，各成分质量百分比的总和为100%。即元素分析C+H+O+N+S+A+W=100%（二）煤的各种“基”的表示方法和基的换算1、煤的各种“基”的表示方法1）接收基（应用基）接收基表示实际应用的煤（炉前煤）中各组成成分的质量百分比总和。用下角标ar表示。其表达式为Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%注：在进行锅炉热工计算以及分析锅炉运行工况时，以接收基作为原始依据。 2）空气干燥基空气干燥基表示不含外水分条件下，煤中各组成成分的质量百分比总和，用下角标ad表示。其表达式为：Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%3）干基干基表示不含水分条件下，煤中各组成成分的质量分数总和。它用下角标d表示。其表达式为Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad+Md=100%4）干燥无灰基（可燃基）干燥无灰基表示不含水分和灰分条件下，煤中各组成成分的质量分数总和。用下角标daf表示。其表达式为：Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf+Adaf+Mdaf=100% 2、各种基的表示方法3、四种“基”的换算各种“基”可以相互换算，按下式进行B=KA式中A——已知“基”的相应成分；B——换算“基”的相应成分；K——换算系数，如表2—1所示。 二、煤的工业分析及燃烧特性煤的工业分析是测定煤的水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）、固定碳（Cgd）的含量。煤的工业分析成分是用质量分数表示的。即C+V+M+A=100℅煤的工业分析的内容还包括煤的发热量测定、煤灰熔融性测定。（一）挥发分（V）煤在限定条件下隔绝空气加热后，所得挥发性有机物质称为挥发分。煤中挥发分的主要成分是碳氢化合物、氢气等。煤的挥发分与煤的种类、煤的碳化程度关系密切，煤龄愈久远，挥发分含量愈少，挥发分逸出的温度和煤的着火温度相应也愈高，与此相反，煤龄愈短，挥发分含量愈高，挥发分逸出温度愈低，着火温度也愈低，则此种煤量容易燃烧。 （二）灰分（A）灰分是指煤完全燃烧后残留的固定物质。（三）水分（M）水分是指煤中的全部水分，包括外水分和内水分。（四）固定碳（Cgd）从煤的试样中减去其中的灰分、水分及挥发分，剩下的质量就是煤的固定碳含量。（五）煤灰熔融性（灰熔点）灰熔点是指灰的融化温度。灰熔点对锅炉的燃烧工况影响很大，是煤灰的重要指标之一。通常采用“角锥法”测定其熔融性。角锥法，就是将灰样制成高为20mm。底面为边长7mm的正三角形、且一个棱面垂直于底面的灰锥体，然后将灰锥体置于弱还原性气氛的高温加热炉中升温加热，观察或拍摄试样变化情况，并记录灰锥体形状发生变 化情况，并记录灰锥体形状发生变化的三个特征温度：①变形温度t1（灰锥体尖端开始变圆或弯曲时的温度）；②软化温度t2（灰锥体弯曲且锥尖触及底板，或灰锥体变成球形，或高度小于等于底边长度的半球形时的温度）；③熔融温度t3（灰锥体完全熔化或展开成高度小于等于1.5mm的薄层时的温度）。（六）煤的发热量（Q）及折算成分煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧时所放出的全部热量，单位为kJ/kg。煤的发热量分为高位发热量和低位发热量两种。 ⒈高位发热量是指1kg煤完全燃烧后所产生的全部热量，包括水蒸汽全部凝结成水所放出的凝结热（数值上等于汽化潜热），高位发热量用Qgr,表示，单位为kJ/kg。⒉低位发热量是指1kg煤完全燃烧后所产生的全部热量中，减去其中水蒸气凝结时放出的凝结热，低位发热量用Qnet,表示，单位为kJ/kg。燃煤工业锅炉的排烟温度一般在160～200℃之间，烟气中的水蒸气处于蒸汽状态，其汽化潜热随烟气带走，所以，在燃烧锅炉的热工计算中，均采用低位发热量作为计算依据。1、标准煤的概念由于各种煤的发热量差别很大，为了便于比较不同型式锅炉的燃煤消耗量，故引出标准煤的概念。标准煤：将接收基的低位发热量为29308kJ/kg的煤规定为标准煤。 对于不同的锅炉所作用的不同煤种，可以通过下式换算成统一的标准煤来进行比较。式中Bb——折算成标准煤的消耗量（kg/h）;B——实际煤的消耗量（kg/h）；Qnet,v,ar——实际煤的接收基低位发热量(kJ/kg)。2．煤的发热量的确定煤的发热量通常用实验方法测定，也可以根据燃料的元素分析及工业分析的结果进行近似计算得出。计算褐煤、烟煤、无烟煤发热量的经验公式Qgr,v,daf=335(327)Cdaf+1298(1256)Hdaf+63Sdaf-105Odaf-21(Ad-10) 三、煤的分类煤的组成比较复杂，目前国内尚无统一的划分方法。按煤的接收基水分及灰分含量，将煤分为无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、劣质煤等五类。（一）无烟煤物理性质：无烟煤呈灰黑色，表面具有金属光泽，质地坚硬。。化学性质：无烟煤的干燥无灰基挥发分Vdaf≤10%，挥发分析出温度较高，着火比较困难，不易燃尽。无烟煤的煤龄最长，炭化程度很深，含碳量高，灰分含量都不多，发热量高，Qnet,v,ar≈22000～28000kJ/kg。燃烧时无烟，火焰很短，呈浅黄色，焦渣特性呈粉状。 （二）贫煤贫煤的挥发分较低，Vdaf≈10%～20%。不易着火和燃烧，燃烧时火焰较短，焦结性差；发热量较高，介于无烟煤和烟煤之间。（三）烟煤烟煤挥发分含量很高，Vdaf>20%～40%；含碳量也高，接收基碳Car≈40%～60%或更高。烟煤的发热量较高，Qnet,v,ar≈20000～27000kJ/kg。烟煤大多为有光泽的黑色均匀体，质地松软，燃烧时火焰比较长、烟多。 （四）褐煤褐煤是煤龄较短、炭化程度较低的煤，挥发分含量高，Vdaf≈40%～50%，燃烧时挥发分析出温度也低，故很容易着火燃烧；褐煤的发热量不高，Qner,v,arVdaf≈1000～15000kJ/kg。褐煤呈棕褐色，因故而得名。褐煤质地松脆，容易风化，容易自燃，难于储存，也不宜远运，属于地方性燃料。（五）劣质煤主要指泥煤、油叶岩和煤矸石。（内蒙古少用） 第二节液体燃料的组成及特性锅炉所用液体燃料通常是指石油制品。一、燃料油的组成锅炉燃料使用的液体燃料都是石油炼制过程中的产品或副产品，主要有渣油、重油、柴油等。燃料油是由各种碳氢化合物组成的复杂的混合物。从元素分析成分看，与煤一样，也是由碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分等七种成分所组成，对各组成成分用相应的质量占总质量的质量分数表示，各成分质量分数的总和为100%。即C+H+O+N+S+A+M=100%七种组成成分同煤。燃料油的元素成分“基”的表示方法和煤一样，分为四种：接收基、空气干燥基、干基与干燥无灰基，实际应用较多的是接收基基准。 二、燃料油的特性燃料油是一种优质燃料，其影响燃烧的主要特征物理量如下：1．密度单位体积物质的质量称为密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。2．相对密度相对密度是指某一温度时油的密度和4℃时纯水密度之比值。石油工业中规定，以20℃时的相对密度作为油的标准相对密度。燃料油的标准相对密度在0.8～0.98之间。3．比热容1kg的燃料油温度升高1K所需要的热量，称为该燃料油的比热容。用符号c表示，单位为kJ/(kg·K)。燃料油的比热容c≈2.14kJ/(kg·K)。 4．热导率热导率是表示燃料油导热能力的特性指标，用符号λ表示，单位为W/(m·K)。5．凝固点与沸点（1）凝固点物质由液态变为固态的现象叫凝固。发生凝固的温度叫凝固点。（2）沸点物质由液态变为气态的现象叫气化，液体的气化分为蒸发和沸腾两种。沸腾时液体的温度叫沸点。燃料油的沸点与其凝固点一样，没有一个恒定值，而是一个温度范围。6．粘度粘度是流体流动时的内部阻力，表征流体流动性能的指标。用符号°E表示。（恩氏粘度）粘度愈大，流体的流动性能愈差。 7．闪点油温升高时油面上的油蒸气增多，其与空气的混合气和明火接触后发生一闪就灭的短暂闪光，这时的油温就称为该种燃料油的闪点。8．燃点和自燃点在常压下对燃料油加热，液体表面的油蒸气与空气的混合物遇火源点燃，并连续燃烧5s以上，这时油的最低温度称为该种燃料油的燃点。在常压下对燃料油加热，液体表面的油蒸气与空气的混合物在没有外界火源的情况下，能自行着火燃烧的最低温度称为该燃料油的自燃点。10．残炭残炭是当重油加热到很高的温度时聚合形成的坚固油垢沉淀物，这是燃烧器喷口堵塞和磨损的主要原因。燃烧器喷口堆积炭化物，使重油雾化质量降低，燃烧状况恶化。 11．稳定性重油的稳定性是指重油在贮藏和加热过程中，生成重质粘稠状物质和难溶解性物质。这些油垢油渣物会引起储油箱、油管路系统、过滤器、加热器、燃烧器等堵塞，导致燃烧恶化。12．发热量1kg燃料油完全燃烧所放出的全部热量，称为该燃料油的发热量。它也有高位发热量和低位发热量之分。燃料油的发热量很高，通常使用的燃料油，低位发热量Qnet,v,ar=37000～42000kJ/kg。燃料油的发热量一般用实验方法测定，也可以用近似公式计算。计算燃料油发热量的近似公式有二： 1）由元素组成计算发热量Qgr,v,ar=339Car+1256Har-109(Oar-Sar)Qnet,v,ar=339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25.1Mar式中Qgr,v,ar、Qnet,v,ar——燃料油的高、低位发热量（kJ/kg）；（2）由20℃时的燃料油密度ρ20计算发热量Qgr,v,ar=51916.3-8892.8(ρ20)2×10-6Qnet,v,a=46424.5+3.1864(ρ20)8892.8(ρ20)2×10-6式中Qgr,v,ar、Qnet,v,ar——燃料油的高、低位发热量（kJ/kg）；ρ20——20℃时燃料油的密度（kg/m3）。 三、锅炉常用的燃料油目前工业锅炉使用的液体燃料主要是重油、渣油和轻柴油。（一）重油密度较大的燃料油称为重油。重油的特点是：1．密度大、粘度大2．燃点和闪点较高重油的燃点和闪点较高，因此，火灾的危险性较小。（二）渣油渣油是石油炼制过程中形成的塔底残油，是国产标准重油规格以外的重油。由于生产工艺不同，渣油的质量指标也不相同。 （三）柴油从广义上讲，密度较小的燃料油称为柴油，又称轻柴油。其特点是：1．粘度小由于粘度小，则流动性能好。因此，轻柴油便于管道输送和雾化，不需要预热。2．含硫量较小柴油含硫量低，燃烧时产生的SO2和SO3也比较少，其燃烧生成的烟气对锅炉受热面的腐蚀和大气环境的污染较燃用重油的锅炉小。3．轻柴油易挥发轻柴油与重油、渣油相比，其闪点低，火灾危险性也较大。因此，在设置油库和工作油箱时，应特别注意防火。 第三节气体燃料的组成及特性气体燃料是指在常温下保持气态的燃料，简称燃气。燃气易点火、易燃烧、易操作、易实现自动调节，而燃烧产物中无废渣和废液，烟气中SO2和Nox的含量较少。因此，燃气是最理想的洁净燃料。一、燃气的组成燃气是多种气体的混合气体，由三大部分组成。（一）可燃组分燃气中的可燃组分有一氧化碳（CO）、氢（H2）和碳氢化合物（CmHn）等。（二）不可燃组分燃气中的不可燃组分有氮（N2）、氧（O2）和二氧化碳（CO2）等，它们占去了气体燃料一定的体积，使可燃组分的含量减少，热值降低。 （三）有害杂质燃气中的杂质不仅占据了一定的体积，而且给燃气的储存、输送和燃烧造成不良的影响。燃气中的主要杂质有：焦油与灰尘；萘；硫化氢；一氧化碳；氨；水分；残液。二、燃气的特性（一）燃气的体积分数在相同温度和压力条件下，燃气中各单一组分的体积和燃气总体积的比值称为体积分数，用符号γ表示。（二）燃气的平均密度单位体积的燃气所具有的质量称为燃气的平均密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。 （三）燃气的比体积单位质量的燃气所占有的体积称为燃气的比体积，用符号v表示，单位为m3/kg。（四）燃气的相对密度燃气的平均密度与相同状态下空气的平均密度的比值称为燃气的相对密度。通常用标准状态下的数值进行计算。（五）粘度气体燃料的粘度用动力粘度、运动粘度和条件粘度表示。条件粘度的定义和测定方法与燃料油同。（1）动力粘度在流体中，面积为1cm2，相距1cm的两层表面，以1cm/s的相对速度运动时，两表面之间产生的内摩擦力叫做该流体的动力粘度，用符号μ表示。单位为Pa·s。 （2）运动粘度流体的动力粘度与同温度的流体密度之比值，叫做该流体的运动粘度。用符号v表示。单位为m2/s。燃气的粘度随着压力升高而增大。六）临界参数当温度不超过某一数值，对气体进行加压可以使气体液化，而在该温度以上，无论施加多大压力都不能随之液化，这个温度就称为该气体的临界温度；在临界温度下，使气体液化所需的压力称为临界压力；此时的比体积称为临界比体积。上述参数统称为临界参数。用符号Tc、Pc、vc表示，单位为K、Mpa、m3/kg。（七）燃气的比热容燃气的比热容分比定压热容和比定容热两种。 1．比定压热容保持燃气压力不变时，1m3燃气温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量称为气体的比定压热容。用符号cP表示，单位为kJ/(m3·K)。2．比定容热容保持燃气容积不变时，1m3燃气温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量称为气体的比定容热容，用符号cV表示，单位为kJ/(m3·K)。（八）着火温度（即燃烧温度）燃气开始燃烧时的温度称为着火温度。九）爆炸极限（体积分数）当可燃气体或油气与空气混合物的含量达到某个范围时，一遇明火或温度升高到某一数值就会发生爆炸的含量范围称为爆炸极限。爆炸极限有上限和下限。 （十）燃气的发热量燃气的发热量是指标准状态下，单位数量燃气完全燃烧时所放出的全部热量。用符号Q表示，单位为kJ/m3或kJ/kg。燃气发热量分为高位发热量和低位发热量两种。三、锅炉常用的气体燃料（一）天然气天然气是从地下开采出来的可燃气体，以烃类为主要成分。天然气分为四种类型，即气田气（纯天然气）、油田伴生气、凝析气田气、矿井气（煤层气）。（二）人工燃气以煤或石油为原料，经过各种热加工过程制得的可燃气体，称为人工燃气。人工燃气分为四种类型，即干馏煤气、气化煤气、油制燃气、高炉煤气。、