燃料与燃烧

一、燃料

(一)燃料的分类

所谓燃料，是燃烧过程中能放出热能的物质。而锅炉用燃料是有选择的，凡是燃烧过程中能放出大量热量，并且此热能可被有效利用的物质，称为锅炉用燃料。燃料按其形态不同可以分为固体。液体和气体三种。锅炉用燃料见表2-4所示。

表2-4　锅炉用燃料

1.固体燃料

我国的燃料资源中以煤的储量最丰富，且分布较广，根据国家的能源政策，工业锅炉应以燃用劣质煤为主，液体和气体燃料可根据各地工业发展和环境保护情况，因地制宜地配合使用。

(1)烟煤。因其燃烧时有烟而得名，其中火焰长的又称长烟煤，呈灰黑色或黑色，表面无光泽或有油润的光泽。挥发分较多，可达40%，容易着火，燃烧时火焰长，结焦性较强。

(2)无烟煤。又称白煤或柴煤，呈黑色，有时也带灰色，质硬而脆，断面有光泽。挥发分少，在10%以下，不容易着火，初燃阶段发出短蓝色的火焰，没有煤烟，燃烧速度缓慢，燃烧过程长，结焦性差，储藏时不易自燃。

(3)贫煤。贫煤性质介于烟煤和无烟煤之间，挥发分为10%～20%，比较容易着火。

(4)褐煤。呈褐色或黑色，外表似木质，无光泽。挥发分较高，超过40%，容易着火，燃烧时火焰长，不结焦。

(5)木柴。它比起煤来说，灰分少，挥发分高，燃烧速度快，但发热量低。

(6)稻糠、甘蔗渣作为生物质燃料，发热量很低。

锅炉用煤的质量指定见表2-5。

表2-5　锅炉用煤质量指标

2.液体燃料和气体燃料

液体燃料以重油和轻柴油为主，称为燃料油。轻柴油中碳和氢含量较高，发热量高，一般约为40700kJ/kg，内部杂质很少，不超过千分之几。在正常燃烧时，燃料油的燃烧产物只是气体，而没有灰渣。燃料油含氢量较高，燃烧后产生大量水蒸气，水蒸气容易和燃料中硫的燃烧产物生成硫酸，对金属造成腐蚀，所以燃料油中的硫很有害。其化学成分组成和煤一样，也是5种元素。

根据我国标准，将重油按黏度增大次序分成20、60、100、200四个牌号规格，其各牌号规格的质量指标见表2-6，轻柴油质量指标见表2-7。

气体燃料中一般以天然气、液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气及高炉煤气为主。

表2-6　重油质量指标

表2-7　轻柴油质量指标

液化石油气是开采和炼制石油过程中，作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。其主要成分是丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)和丁烯(C4H8)，在常压下呈气态，当压力升高或温度降低，很容易转变为液态。标准状态下气态液化石油气的发热量约为92100～121400kJ/m3，属高发热量煤气。

天然气中主要成分为甲烷及其他烃类(CnHm)，另外也含有少量二氧化碳(CO2)和空气，天然气的发热量很高，标准状态下发热量高达40000kJ/m3，属于高发热量煤气。

焦炉煤气是煤炼焦时挥发出的气体，发热量较高，达15000～20000kJ/m3。

发生炉煤气是使空气和水蒸气通过红热的煤层而产生的煤气，其主要成分为一氧化碳(CO)及氢(H2＞，此外还含有少量的二氧化碳(C02)和量相当大的氮(N2)，因其中含有相当大量的惰性气体，其发热量较低，约为4000～6000kJ/m3。

高炉煤气是高炉炼铁的副产品，约含有28%的CO，其他为C02及N2。因此发热量较低，约3300～4000kJ/m3。因其中惰性气体相当多，可燃气体CO也燃烧较慢，是比较难于燃烧的气体燃料，但钢铁企业中常用其作为锅炉燃料。

二、燃料的分析

为了掌握燃料的主要特性，对燃料要进行元素分析和工业分析，目的是为了在锅炉运行中，调节控制燃料燃烧过程，以达到最佳经济指标。

(一)元素分析

燃料含有碳(C)、氢(H)、硫(S)、氧(O)、氮(N)等元素及其他杂质，包括水分(W)和灰分(A)。

碳(C)：是燃料中的主要成分，含碳量越高，发热量越高，但碳本身要在比较高的温度下才能燃烧，纯碳是很难燃烧的。所以，含碳量越高的燃料，越不容易着火和燃烧。

氢(H)：是燃料中的又一种主要成分，一般与碳成化合物存在，称碳氢化合物，这些化合物在加热时能以气体状态挥发出来，所以含氢量越多的燃料，越容易着火和燃烧。氢在燃烧时能放出大量的热量，年代越久的煤，含氢量越少。

硫（S）：燃料中硫由两部分组成；一部分为不可燃烧部分，如无机硫，它不参加燃烧，一部分为可燃烧部分，如挥发硫，它可以燃烧放出热量。但硫燃烧后生成二氧化硫(S02)和三氧化硫（S03），当烟温低于露点时，二氧化硫及三氧化硫与烟气中的水分合成亚硫酸(H2SO3)和硫酸(H2S04)，对锅炉尾部受热面起腐蚀作用。另外含硫的烟气排入大气，对人体和动植物都有害，因此，燃料中含硫量越少越好。

氧(O)：燃料中的氧不参加燃烧，是不可燃物质，它的量多，则燃料中可燃物相对减少，从而降低了燃料燃烧时放出的热量。煤生成的时间越长，氧的含量就越降低。

氦(N)：是惰性气体，不参加燃烧，是不可燃物质，煤中的含氮量很少，一般为0.5%～2.0%。

灰分(A)；是燃料中不可燃烧的固体矿物杂质，它是在燃料形成时期、开采以及运输中掺入燃料中的，各类燃料的灰分含量相差很大，气体燃料几乎无灰，燃料油中含灰量也极少，相比之下，固体燃料灰分含量较多，燃料中灰分多了，可燃成分就少，燃料燃烧时放出的热量也就少，且灰分带走热量多，使热损失增加。此外，灰分中一部分(飞灰)随烟气流经各受热面和引风机时，造成磨损，排入大气又污染环境，在炉膛内由于灰分的熔化还会引起结渣。

水分(W)：是燃料中有害成分，它吸收燃料燃烧时散出的热量而汽化，因而直接降低燃料放出的热量，使炉膛燃烧温度降低，造成燃料着火困难。它还增加烟气体积，使得排烟带走的热量损失增加。但固体燃料中，保持适当的水分，可以有利于通风，减少固体未完全燃烧热损失，在液体燃料中掺水乳化，可以改善燃烧，节约燃料。一般情况下，煤中的游离水应控制在10%左右，对链条炉可以保持高些，甚至可达12%～14%。

(二)工业分析

煤的工业分析项目有挥发分(V)、固定碳(FC)、灰分(A)、水分(W)和发热值(Q)等。

挥发分(V)：把煤加热，首先析出水分，继续加热到一定温度时，有碳氢化合物逸出，这种气体可以燃烧，称为挥发分。挥发分是煤分类的主要依据，对着火和燃烧有很大影响，挥发分越高，越容易着火，因为煤中的挥发分析出后，出现许多孔隙，增加了与空气接触的面积。

固定碳(FC)：煤中的水分和挥发分全部析出后残留下来的固体物质，包括固定碳和灰分两部分，总称为焦炭。固定碳含量越高，其发热量越高。

煤中的焦炭特征也很重要，焦炭成为坚硬块状叫强结焦煤。结焦严重会增加煤层阻力，阻碍通风，燃烧不能充分完全进行，但焦炭为粉末状时，容易被风吹走而增加了未完全燃烧热损失。

发热量(Q)：发热量泛指单位质量或体积的燃料燃烧后放出的热量。燃料的发热量有高位发热量和低位发热量两种。

高位发热量是指单位质量（1kg煤或1kg油）或单位体积（1m3天然气）燃料假定完全燃烧放出的全部热量，包括烟气中水蒸气全部凝结成水时所释放出来的汽化热。所谓低位发热量是考虑到燃料燃烧时，所有的结晶水都要汽化成蒸汽并吸收热量，而这部分热量在锅炉中随烟气排出而无法利用，因此燃料放出的热量中应扣除这部分。换句话说，燃烧产物中的水蒸气保持汽化状态时的热量称为低位发热量，用符号Qdw表示，包括这部分热量就称为高位发热量，用符号Qgw表示。锅炉一般都采用低位发热量来计算耗煤量和热效率。其计量单位原采用kCal/kg，法定计量单位用kJ/kg。1kCal/kg =4.1868kJ/kg。

燃料工业分析和元素分析关系见表2-8。

表2-8　燃料工业分析和元素分析关系

(三)气体燃料分析

所谓气体燃料是指在常温、常压下保持气态的燃料，简称燃气。燃气易点火、易燃烧、易操作、易实现自动调节，而且燃烧产物中无废渣和废液，烟气中SO2和NOx的含量较燃烧液体燃料和煤少得多。因此，燃气是最理想的洁净燃料。

1.燃气的组成

燃气是多种气体的混合气体，由三大部分组成。

(1)可燃组分。燃气中的可燃组分有一氧化碳、氢和碳氢化合物等，燃烧时能放出大量的热量。

(2)不可燃组分。燃气中的不可燃组分有氮、氧和二氧化碳等；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。

(3)有害杂质。燃气中的杂质不仅占据了一定的体积，而且给燃气的贮存、输送和燃烧造成不良的影响。气体燃料中的主要杂质有：

焦油与灰尘。人工燃气中通常含有焦油和灰尘，其危害是堵塞管道、附件及燃烧器喷嘴，影响锅炉正常燃烧。

萘。人工燃气特别是干馏煤气中含萘较多，当燃气中含萘量大于燃气温度相应的饱和含萘量时，过饱和部分的气态萘以结晶状态析出，沉积于管内而使管道流通断面减小，堵塞甚至堵死管道，造成供气中断。萘的堵塞又因焦油和灰尘的存在而加剧。

硫化氢。硫化氢是燃气中的可燃成分，但它又是有害杂质。燃气中硫化氢能腐蚀贮罐、管道、设备和燃烧器，硫化氢燃烧产生的SO2和SO3，不仅腐蚀锅炉金属受热面，而且还污染大气环境。

一氧化碳。一氧化碳是无色、无臭、无味，而有剧毒的气体。虽然一氧化碳可以燃烧，但因其具有毒性，故城市燃气质量标准中规定，燃气中一氧化碳的体积分数应小于10%。

氨。高温干馏煤气中含氨气。氨对燃气管道、设备及燃烧器起腐蚀作用。燃烧时产生NO、NO2等有害气体，影响人体健康，并污染大气环境。

水分。水和水蒸气能与液态和气态碳氢化合物作用，生成固态结晶水化物，堵塞管道，阀门、仪表（流量计、压力表、液位计等）和设备（调压器、过滤器等）、影响正常供气；水蒸气还能加剧O2、H2O和SO2对管道、阀门、燃烧器及锅炉金属受热面的腐蚀作用。

残液。液化石油气中C5及C5以上的碳氢化合物组分的沸点高，在常温、常压下不能气化，而留存在钢瓶、贮罐等压力容器内，称为残液。它增加了用户更换气瓶的次数，而且增加了交通运输量。

2.燃气的发热量

燃气的发热量是指标准状态下单位体积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。高位发热量是指标准状态下单位体积的燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而其中的水蒸气被凝结成同温度水后放出的全部热量；低位发热量是指标准状态下单位体积燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，所放出的全部热量中扣除掉水蒸气的凝结热。

目前，国产燃气锅炉及其他燃烧设备的排烟温度均在100℃以上，故烟气中的水蒸气一般以气体状态排出。因此，在燃气热工计算中，用燃气的低位发热量进行计算。

3.锅炉常用的气体燃料

⑴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。天然气主要分为3种类型。

气田气（纯天然气）：气田气是从气井直接开采出来的可燃气体，其主要组分CH4（甲烷）的体积分数＞90%，低位发热量Q≈36MJ/m³。

油田伴生气：油田伴生气是指与石油共生的天然气，它包括气顶气和溶解气两种。油田伴生气的主要组分CH4的体积分数≥80%，乙烷及其以上烃类含量一般较高，低位发热量Q≈48MJ/m³。

凝析气田气：凝析气田气是一种深层的天然气，它除了含有大量的甲烷外，戊烷与戊烷以上的烃类含量较高，还含有汽油和煤油组分，低位发热量Q≈42MJ/m³。

（2）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，人工燃气主要分为3种类型。

干馏煤气：以煤为原料，利用焦炉、连续直立式炭化炉、水平炉或立箱炉等，在隔绝空气的条件下，对煤加热制得的可燃气体称为干馏煤气，其主要组分有H2、CH4、CO，低位发热量Q≈15～17MJ/m³。

气化煤气：以固体燃料为原料，在气化炉中通入汽化剂，在高温条件下经气化反应而得到的可燃气体，称为气化煤气。

油制燃气：以石脑油或重油为原料，经热加工制得的可燃气体称为油制燃气。

（3）液化石油气。以凝析气田气、石油伴生气和炼厂气（石油炼制时的副产品）为原料气，经加工而制得的可燃物，称为液化石油气。其主要组分有丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。气态液化石油气的低位发热量Q≈93MJ/m³，液态液化石油气的低位发热量Q≈46MJ/m³。

组成液化石油气的各种碳氢化合物，其临界压力较低，而临界温度较高。所以，在常温、常压条件下呈气态，利于燃烧；而适当升高压力或降低温度，就可以使它成为液态，便于贮存、灌装和运输。

通常情况下，锅炉并不直接燃烧液化石油气，而是将液化石油气与空气（或低热值燃气）混合成非爆炸性混合气体，作为锅炉燃料气。

（4）生物气（沼气）。生物气是各种有机物在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物作用下形成的可燃气体。生物气组分中CH4的体积分数约60%，其余为CO2、N2、CO等，低位发热量Q≈22MJ/m³。

三、燃烧理论

(一)燃烧及燃烧三要素

燃料中的可燃物质与空气中的氧，在一定温度下进行剧烈的化学反应，发出光和热的现象称为燃烧。

从燃烧过程中可知，燃烧必须具备3个基本条件，即可燃物质、空气(氧)和温度，三者缺一不可，故称燃烧三要素。

(二)迅速着火与完全燃烧必须具备的条件

1.较高的燃烧温度

保持燃烧的最低温度称为着火温度。各种燃料的着火温度是不同的，煤的着火温度一般是：褐煤250～450℃，烟煤400～500℃，无煤烟约600～700℃。液体和气体燃料的着火温度比煤低。锅炉的炉膛温度越高，燃烧反应越强烈，这对提高燃烧速度，使燃料完全燃烧颇为重要。

2.适当的空气量

燃烧过程中空气的供应必须充分，才能使可燃物与氧的化学反应完全。各种燃料所含可燃质成分及数量不同，故要使燃料完全燃烧所需的空气量也不相同。当单位质量或单位体积燃料完全燃烧时，所需要的空气量称为理论空气量。在实际上，我们做不到使燃料与空气的混合达到十分理想，因此，实际供给空气量要多于理论空气量，这多余部分叫做过量空气。也就是说，实际供给空气量等于理论空气量加过量空气。单位时间内实际供给空气量与理论空气量的比值，称为过量空气系数亦称过剩空气系数。即：

过量空气系数的大小取决于燃料品种、燃烧设备、运行操作技术及司炉的责任心。一般层燃炉在炉膛出口处的过量空气系数控制在1.2～1.4，煤粉炉控制在1.15～1.25为宜。

3.燃料与空气的混合均匀性

要使燃料和空气混合得均匀，必须有足够大的炉膛和适当的通风方法以及配风适当。燃料和空气两者混合得越均匀，燃烧效果越好。

4.充分的燃烧时间与空间。

燃料从着火燃烧直至燃尽须经历较长的过程，因此一定要让燃料在炉膛内停留相当的时间，方能使燃料得以完全燃烧。对于室燃炉，特别是煤粉炉，还必须有一定的炉膛容积(主要是炉膛高度)，以使煤粉在炉内有足够的停留时间使之燃尽。

(三)燃料的燃烧过程

1.煤的燃烧过程

我们在这里讲的是煤在层燃炉中的燃烧过程。从煤进入炉膛到形成灰渣，一般要经过以下4个阶段。

(1)干燥阶段。煤进入炉膛后，得到炉墙的热辐射和燃煤的烘烤而被加热，当煤温达到100～110℃时，煤中水分蒸发，煤被烘干。

(2)挥发物析出和燃烧阶段。煤不断吸收热量后，温度继续上升，挥发物随之陆续析出，当温度达到着火点时，挥发物便开始燃烧。

(3)焦炭燃烧阶段。挥发物析出后，所剩的固体物质就是焦炭，温度继续升高时，燃烧更加激烈，释放出大量热量，焦炭从开始燃烧到燃尽所用的时间，大约占煤全部燃烧时间的9/lO，这一段是煤燃烧的主要阶段。

(4)燃尽阶段。即灰渣中剩余的少量焦炭，继续燃烧的阶段。

4个阶段在炉膛中是交错进行的，这才使煤能继续不断地燃烧下去。而且要使煤着火快、燃烧完全，除合理配风外，还必须使炉膛保持足够的温度。

2.油的燃烧过程

要使燃料油达到完全燃烧，重油必须预热加温以降低黏度，然后用油泵加压(一般在油泵加压后再度加温至该油种闪点以下4℃)，或者将轻质油直接用油泵加压，利用喷油嘴将其喷入炉膛并雾化成微小油粒，由于油的沸点低于燃点，油粒吸收炉膛内热量迅速蒸发分解而成油气并与进入炉膛的空气充分混合，形成了可燃性气体，这种气体在炉膛内达到着火温度时(达到油的燃点)，即开始着火燃烧并直至燃尽。

油在炉膛中是空间燃烧，由于炉膛的容积和高度有一定的限制，因此燃料油在炉膛内燃烧的时间也是受到限制的，这就要求油的雾化效果好。雾化效果好，油粒小就燃烧快；若雾化效果差，油粒大，油粒还来不及完全气化就会脱离火焰掉落下来，或者还未充分燃烧将随同烟气进入对流烟道，造成不完全燃烧而冒黑烟。所以对燃油锅炉来说，油的雾化质量和合理的配风是燃料油能否达到完全燃烧的关键。

3.气体的燃烧

天然气的主要成分是甲烷。甲烷和重油中的烃一样，在受热着火燃烧过程中，可能产生炭黑，也可能不产生，视氧气供应充分与否及空气与燃气的混合情况而定。为此，常将整股气流分为许多小气流，以利混合燃烧。