《消防燃烧学》第1章绪论及固体燃料.ppt

燃烧学,任课教师：王健,2,联系方式,E-mail:电话：03913986282手机：办公室：安全学院408,3,工程燃烧学,主要内容：工程燃烧概述、燃料概论、燃烧反应计算、燃烧基本原理、燃烧方法与燃烧装置成绩评定：平时成绩30%+期末考试成绩70%,4,燃烧学概论,燃烧与人类的文明发展息息相关燃烧与人们的现实生活密切联系,5,火(燃烧)的利用，是人类文明的开始,6,航天动力,7,航空动力,8,汽车动力,9,锅炉灶具蜡烛,10,负面影响火灾,11,负面影响烟气污染,12,燃烧的应用,（1）动力工程发电厂中煤的燃烧，汽车、飞机、船舶中的液体燃料的燃烧，燃气轮机天然气等的燃烧，火箭发动机中固体和液体推进剂的燃烧等。（2）材料生产、工业供热如钢、玻璃、陶瓷、水泥、精炼燃料和炭黑中的应用。工厂中只要不是完全依靠电，就需要燃烧。（3）家庭供热,13,燃烧的定义,燃烧是一种同时伴有放热和发光效应的激烈的氧化反应。放热、发光，区别于铁生锈氧化反应有产物生成，区别于灯泡发光,14,涉及学科,综合交叉学科化学动力学热力学反应流体力学传热传质学数学等,15,涉及物理过程,质量迁移气流运动组分扩散能量传递相变压力变化,16,涉及化学过程,反应机理反应速度反应程度燃烧产物的生成与控制,17,概述,燃烧学是一门艰深的交叉科学涉及很多物理过程涉及很多化学过程我们使用的教材是相对最简单的一本主要是基于工业生产应用包含两部分内容：燃烧理论、燃烧技术,18,工业燃烧理论研究课题,各燃料的燃烧速度燃烧稳定性火焰的流场和结构火焰辐射与传热燃烧噪声燃烧污染物生成机理与控制燃烧过程的数学模型建立等,19,工业燃烧技术目标,针对不同燃料的特性提出合理的燃烧方法根据生产工艺的具体要求研究和设计特殊性能的新型燃烧装置研究和设计高效节能型燃烧装置研究低噪声、低污染的燃烧技术为计算机控制的工业燃烧过程提供数学模型,20,内容,（1）燃料概论：工业生产中最主要的燃料煤石油煤气（高炉、焦炉、发生炉、转炉）、天然气、裂解气（2）生产过程所涉及的燃烧计算燃料燃烧的空气需要量和产物生成量热量释放形成的温度实际燃烧的空气消耗系数和不完全燃烧热损失,21,内容,（3）燃烧基本原理燃料与氧气间的反应机理、反应速度气态燃料与空气混合射流燃烧的起点着火过程和条件燃烧在空间上的继续传播燃烧在时间上的维持火焰的结构与稳定固体液体燃料燃烧异相燃烧,22,内容,（4）燃烧技术工业生产中的燃烧方法与装置气体燃料的燃烧及技术燃料油的燃烧及技术煤的燃烧及技术煤的气化,23,第一章 固体燃料,24,固体燃料,天然固体燃料木质燃料矿物质燃料主要是煤煤现代工业生产主要能源一些化学工业的原材料，如煤液化等冶金工业的炼焦与气化火电厂锅炉燃料，城市供暖锅炉燃料,25,第一节 煤的种类及其化学组成,26,煤的种类,煤是由古代植物经过极长的时间、极为复杂的变化过程转变而成的。根据母体物质炭化程度的不同，可将煤分为四大类：泥煤褐煤烟煤无烟煤,27,泥煤,在地质学上泥煤是最年轻的煤，刚刚由植物转变而来在物理化学性上泥煤含氧量最多高达2838，含碳较少，挥发份高，密度小在使用性能上可燃性好，反应性强，极易氧化和自燃，含硫量低，机械性能很差，吸水性强，灰分熔点很低在工业上主要用途是烧锅炉和做气化原料；工业价值不大，更不适合长途运输,28,褐煤,地质学经泥煤进一步变化后生成，已完成了植物遗体的炭化过程。因能将热碱水染成褐色得名物理化学性与泥煤相比，密度较大，含碳量较高，氢和氧的含量较小，挥发分产率较低使用性能粘结性弱，很易于氧化和自燃，吸水性较强，新开采褐煤机械强度较大，但易在空气中风化和破碎工业用途可作为地方性燃料，不适合远地运输和长期储存,29,烟煤,物理化学性质炭化程度较高。与褐煤相比，含碳量增加，氢和氧的含量减少，挥发分较少，密度较大，吸水性较小工业用途冶金工业和动力工业不可缺少的燃料近代化学工业的重要原料炼焦的主要原料，其最大的特点是具有粘结性，这是其他固体燃料所没有的,粘结性：烟煤在受热时本体粘结或与外加惰性物质粘结的能力，它是评价工业用煤特别是炼焦煤的主要指标,30,烟煤的分类,不是所有的烟煤都具体相同的粘结性也不是所有具有粘结性的烟煤都适于炼焦为适应炼焦和造气的工艺要求合理使用烟煤，依据粘结性强弱和挥发分产率大小等物理化学性质，烟煤可进一步分类,31,无烟煤,地质学矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤物理化学性密度大，含碳量高，挥发分极少，组织致密而坚硬，吸水性小，灰分少，含硫量低使用性能受热易爆裂成碎片，可燃性较差，不易着火，但发热量大工业用途燃料，适合长途运输和长期储存；热处理后提高抗爆性，可用于气化，或在小高炉化铁炉中代替焦炭,32,问题,有的煤叫贫煤、肥煤、不粘煤是怎么回事，是如何分的？,根据烟煤的粘结性的强弱以及挥发分产率的大小进行的进一步划分,33,煤的详细分类,以反映煤化程度的干燥无灰基挥发分Vdaf为第一指标来区分无烟煤与烟煤，褐煤无烟煤Vdaf 10;褐煤Vdaf 37,Vdaf干燥无灰基挥发分，PM透光率,34,煤的详细分类,以干燥无灰基挥发分Vdaf和干燥无灰基氢含量Hdaf这两个反映煤化程度的指标来划分无烟煤中的小类使用反映煤化程度的干燥无灰基挥发分Vdaf和反映粘结性的几个指标(粘结指数GR.I.，胶质层最大厚度Y和奥阿膨胀度b)对烟煤进行细分采用透光率PM来划分褐煤中的小类并区分褐煤与烟煤，另外还使用恒湿无灰基高位发热量Q gr,maf作为区分褐煤与烟煤的辅助指标。,35,无烟煤分类,注：如用两个指标划分小类矛盾时，以按Hdaf划分小类的结果为准。,36,烟煤分类,37,烟煤与褐煤分类,38,烟煤小类的区分法,烟煤小类当粘结指数GR.I.85时，用干燥无灰基挥发分Vdaf和胶质层最大厚度Y或用干燥无灰基挥发分Vdaf和奥阿膨胀度b值来分类。如按b值和Y值划分类别有矛盾时，以Y值划分的类别为准,39,烟煤（长焰煤）与褐煤区别,凡干燥无灰基挥发分Vdaf 37%，粘结指数GR.I.3050%，再测恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf，若其值24MJ/kg则为长焰煤，其值24MJ/kg则为褐煤,40,煤的化学组成,煤由结构极其复杂的有机化合物组成。化合物的分子结构至今仍不十分清楚化学组成C、H、O、N、S元素分析值可燃质水分W不可燃矿物质灰分A,惰性质,41,碳（C）,煤的炭化程度越高，含碳量越大泥煤：70褐煤：7078烟煤：7890无烟煤：90以上,42,氢（H）,有效氢，与碳、硫结合在一起的，可以燃烧放出热量发热量约为碳的三倍半在含碳量为85时，有效氢含量达到最大化合氢，与氧结合在一起，已经不能再燃烧,43,氧（O）,氧（O）使煤中可燃元素失去燃烧可能性，从而使煤的热值降低，是煤中的有害物质,44,氮（N）,氮（N）：惰性元素，但在高温下会被氧化形成污染严重的有害气体NOx煤中含氮量为0.52%在干馏工业中，可做为氮素资源回收,45,硫（S）,硫（S）有三种存在形式有机硫，来自母体植物，均匀分布黄铁矿硫，与铁结合在一起形成FeS2硫酸盐硫，以硫酸盐的形式存在，主要是CaSO4.2H2O和FeSO4前两种硫都能参加燃烧，总称为可燃硫或挥发硫；第三种硫不能进行燃烧,46,硫（S）,硫（S）是一种极为有害的物质硫在燃烧后生成SO2和SO3能危害人体健康和造成大气污染及形成酸雨在加热炉中能造成金属的氧化和脱碳在锅炉中能引起锅炉换热面的腐蚀焦炭中的硫还影响生铁和钢的质量很多情况下都要进行脱硫洗选除掉黄铁矿硫和硫酸盐硫焦炉洗精煤含硫量应控制在0.6%以下,47,灰分（A）,灰分（A）为煤中矿物杂质在燃烧过程中经高温分解和氧化作用后生成的固体残留物是一种有害成分影响高炉冶炼的经济技术指标降低煤发热量造成不完全燃烧，及不利于设备维护和操作低熔点灰分易结渣，有碍于空气流通和气流的均匀，使燃烧过程受到破坏灰分中酸性物质含量比碱性物质高时熔点高；在还原性气氛中比在氧化性气氛中熔点高,48,水分（W）注意跟书本区别,外部水分不被燃料吸收而是机械地附在燃料表面上的水在大气中自然风干后即可去除内部水分被煤粒内部毛细孔吸附的水分，在内部均匀分布自然风干不能去除，在105110oC加热后去除通常指水分就是上两种，称为全水分化合水矿物杂质的矿物结晶水，在200500oC加热后去除热解水有机质中的氢和氧在干馏或燃烧后形成的水,49,煤的成分表达,应用基：煤的包括全部七种组分C、H、O、N、S、灰分（A）、水分（W）在内的成分也称为收到基干燥基：煤的不包括全水分在内的六种组分C、H、O、N、S、灰分（A）的成分可燃基：煤的不包括全水分、灰分的五种组分C、H、O、N、S的成分也称为干燥无灰基,50,成分表示方法,应用基成分：各组分在应用基中的质量百分数，用下角标ar，也称收到基成分Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+War%=100%干燥基成分：各组分在干燥基中的质量百分数，用下角标dCd%+Hd%+Od%+Nd%+Sd%+Ad%=100%可燃基成分：各组分在可燃基中的质量百分数，用下角标daf。也称干燥无灰基成分Cdaf%+Hdaf%+Odaf%+Ndaf%+Sdaf%=100%,51,成分间的换算,相对于应用成分，干燥成分被放大了 1/(1-War%)倍，因此干燥成分/应用成分 1/(1-War%)相对于应用成分，可燃成分被放大了 1/(1-War%-Aar%)倍，因此可燃成分/应用成分 1/(1-War%-Aar%)相对于干燥成分，可燃成分被放大了 1/(1-Ad%)倍，因此可燃成分/干燥成分 1/(1-Ad%),52,第二节 煤的使用性能,为了合理利用煤资源和正确制定煤利用的工艺技术方案和操作制度煤的工业分析值煤的发热量煤的比热、导热系数煤的粘结性、结焦性煤的耐热性反应性和可燃性,53,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方法：干馏，即把煤在隔离空气的情况下加热。把煤加热到110oC，使水分蒸发，测出水分含量在隔绝空气下加热到850oC，测出挥发分含量然后通入空气使焦块全部燃烧，测出灰分和固定碳含量,54,干馏过程,首先全水分蒸发W接着逸出的全部气体称为挥发分V矿物结晶水、挥发性成分、热分解产物具体有CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2、热解水蒸汽、矿物结晶水蒸汽然后形成的固体残留物为焦块固定碳 F%100%（W%A%V%）灰分最后通入空气燃烧剩下的是灰分A,55,问题,1、如何保证干馏过程煤与空气隔绝2、水分W、挥发分V、固定碳F、灰分A的百分含量是如何怎样测定的？,隔绝空气是为了避免氧化，最常用的方法是通入氮气,56,工业分析各成分测定,W：在110oC加热前后测量煤样质量，减少量即为水分量。除以煤初始质量即得水分百分含量V：在850oC干馏前后测量干燥煤样质量，减少量即为挥发分质量。除以煤初始质量即得挥发分百分含量F：测量燃烧前后焦块质量，减少量即为固定碳质量，除以煤初始质量即得固定碳百分含量A：燃烧后剩下的即为灰分，测量其质量，除以煤初始质量即得灰分的百分含量。,57,实际工业分析后数据单,1、各栏的意义？2、固定碳含量是多少？成分如何换算？3、初步判断各煤样的种类（烟煤？褐煤？无烟煤？,58,解答,1、水分、挥发分、灰分是各煤样的工业分析值；Vd是干燥基挥发分；Ad是干燥基灰分2、固定碳含量：F=100-W-V-A煤样种类的判断依据：主要是干燥无灰基挥发分Vdaf,59,各成分换算,固定碳含量：F=100-W-V-A=100-0.8-29.57-20.07=49.56碳的干燥成分 Fd%=F%/(1-W%)=49.56%/(1-0.8%)=49.96%干燥无灰基挥发分 Vdaf%=Vd%/(1-Ad%)=29.81%/(1-20.23%)=37.37%,60,计算其它值和初判煤种,61,工业分析作用,确定煤的具体属类有利于确定煤的用途和制定工艺制度挥发分多的煤，干馏时可以得到较多的煤气和焦油，燃烧时火焰较长固定碳多的煤，干馏时焦炭的收得率高,62,煤的发热量,1kg的煤完全燃烧后放出的燃烧热，kJ/kg高发热量、低发热量问题：1kg标准煤的低位发热量是？,7000大卡=7000kcal=29.271MJ,具体煤的发热量可用氧弹式量热计直接测定具体煤的发热量可应用工业分析值计算具体煤的发热量还可应用元素分析值计算,63,据工业分析值算发热量,我国煤炭科学院提出的公式褐煤：Ql=4.1816(10F+6500-10W-5A-Q)烟煤：Ql=4.1816(50F-9A+K-Q)无烟煤：Ql=4.1816(100F+3(V-W)-K-Q)其中K、K是常数，跟挥发分含量、粘结序数有关 Q是高发热量与低发热量的差值注意：卡焦间换算系数4.1816跟书本4.187的区别,64,据元素分析值算发热量,杜隆公式：Qh=4.18 81C+342.5(H-O/8)+22.5S(kJ/kg)门捷列夫公式：Qh=4.1881C+300H-26(O-S)(kJ/kg)高低发热量间的换算：Ql=Qh-4.18*6(9H+W)(kJ/kg)实验表明，含碳量为87时发热量最大,65,煤的比热,室温下比热约 0.841.67 kJ/(kg.oC)随炭化程度提高而变小泥煤1.38，褐煤1.21，烟煤1.001.09经验公式：Cp=4.18(0.24 Cdaf%+W%+0.165A%)Cp定压比热Cdaf%可燃基或称干燥无灰基碳含量W%全水分含量A%灰分含量,66,导热系数,煤的导热系数一般0.2320.348 W/(m.oC)随炭化程度升高而增大随温度升高而增大，经验公式：=0.121+0.543t/103+0.543t2/106 W/(m.oC),67,粘结性和结焦性,粘结性：指粉碎后的煤在隔绝空气情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质结焦性：指在工业炼焦条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦炭的性质了解粘结性和结焦性有助于知道某种煤是否适于炼焦强粘结性的煤在气化和燃烧时，容易结成大块，严重影响气流的均匀分布,68,粘结序数,在实验室中常用坩埚法测定煤的粘结性，干馏后将焦炭外形分为七个等级，称为粘结序数，来表示煤的粘结性1焦炭残留物均为粉末2残留物粘着，手轻压成粉末3残留物粘结，手轻压碎成小块4不融化粘结，手指用力压裂成小块5不膨胀融化粘结，成浅平饼状，表面有银白色金属光泽6膨胀融化粘结，表面银白色金属光泽，高度不超过15mm7膨胀融化粘结，表面银白色金属光泽，高度大于15mm,69,煤的耐热性,耐热性指煤在受热时是否易于破碎无烟煤耐热性差是因结构致密，受热时膨胀不均而破碎，通过热处理可改善耐热性褐煤耐热性差是因受热时内部水分大量蒸发耐热性差，则在气化和燃烧时易碎，妨碍气体在炉内的正常流通，并易发生烧穿现象，使气化和燃烧过程变坏,70,反应性和可燃性,反应性指煤的反应能力，用产物中CO生成量和氧化层最高温度表示CO生成量越多，氧化层温度越低，反应性越好可燃性指煤中的碳与氧发生氧化反应的快慢速度，即燃烧速度煤的炭化程度越高，反应性和可燃性越差,71,思考题,1、什么是燃烧？燃烧涉及哪些物理化学过程？,2、烟煤可以分为哪些小类，分类的依据是什么？,3、煤的成分表示方法和转换关系？,4、煤中的水分有哪些？工业分析中的水分包括哪些？,5、什么叫干馏？干馏时如何实现对空气的隔绝？,72,思考题,6、工业分析中是如何确定W、V、F、A的含量？,7、标准煤的发热量是多少？具体煤发热量如何确定？,8、用坩埚法是如何确定粘结序数的？,