材料热工基础 燃烧
硅酸盐热工基础燃料及其燃烧
第一节 概述
硅酸盐产品在烧成过程中需要消耗大量的 热量。热量的来源有两种：一种是由燃料 燃烧产生，系利用化学能转变为热能的形 式；一种是以电为热源，系使电能转变为 热能的形式。前者资源丰富，价格低廉； 后者热利用率高，利于提高产品质量，操 作条件好，但资源有局限性，成本高。故 目前硅酸盐工业窑炉的热源仍以燃料为主。10来自2 固体和液体燃料的性质
C 主要的可燃元素 H 主要的可燃元素，有益，二种形态可燃氢、化合氢 O 有害元素 N 惰性元素，有害、污染 S 可燃元素，污染，三种形态有机硫、黄铁矿硫和硫
酸盐硫
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A 有害成分，①直接关系到焦碳的灰分从 而影响冶炼的技术经济指标。②降低煤 的发热量。③灰分结渣，容易造成不完 全燃烧，给设备的维护和操作带来困难。
人造固体燃料主要是煤和木材经加工后制得 的焦碳和木炭。
工业应用中主要是煤和焦碳。
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煤的种类 1、根据古代植物埋藏于地下的年代和碳化程 度划分为：泥煤，褐煤，烟煤和无烟煤四大类。 2、动力用煤根据煤的挥发分高低，并参考其 水分与灰分含量，把煤分为石煤，褐煤，烟煤 （包括贫煤和劣质烟煤）和无烟煤四大类，将 无烟煤、烟煤和石煤各再分为三类。 3、冶金工业根据煤的结焦性强弱和挥发分高 低进行分类，对烟煤进一步分类为：长焰煤、 气煤、弱还原煤、半炼焦煤、焦煤、肥煤、瘦 煤和贫煤等。
1
1 燃料的定义：是在空气中容易燃烧，并 能够比较经济地利用其燃烧热的物质的 总称。燃料的供给应该比较容易，价格 低廉，储存、运输和使用等即便利又安 全。按其状态可分为：气体燃料、液体 燃料和固体燃料。
2 燃烧的定义：是通过燃料和氧化剂在一定 条件下，所进行的具有发光和发热特点的剧 烈的氧化反应。
硅酸盐热工工业基础 燃烧2
第三节燃烧过程基本理论一、燃烧过程概述燃料的种类很多，由状态来分，有固体、液体及气体燃料三种。
它们的化学组成也各不相同，但从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成；一种是可燃气体如H2、CO及C m H n等，另一种是固态炭。
例如：气体燃料的燃烧，亦即可燃气体的燃烧；液体燃料燃烧时，由于加热后气化形成气态烃类以后在高温缺氧时，有一部分烃类裂解生成固态炭粒及较小分子量的烃类或氢，因此液体燃料的燃烧，可以看作是可燃气体及固态炭的燃烧。
固体燃料在受热时，挥发分逸出，剩下的可燃物为固态炭，因此固体燃料的燃烧实质上也是可燃气体及固态炭的燃烧，所以研究燃料的燃烧过程，可以从分别研究两种基本燃料组成的燃烧过程着手。
燃烧，是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。
燃烧有两种类型，一种是普通的燃烧，亦即正常的燃烧现象，靠燃烧层的热气体传导传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。
正常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米，燃烧时压力变化较小、一般可视为等压过程。
另一种是爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为l000～4000米／秒。
通常是在高压、高温下进行。
一般窑炉中燃料的燃烧属于普通的(正常的)燃烧。
燃烧的条件除要有燃料及空气存在外，尚需达到燃烧所需的最低温度～着火温度。
二、可燃气体反应机理连锁反应：CO 、H 2、CH 4。
三、碳的燃烧机理碳的燃烧是两相(气－固相)反应的物理—化学过程。
氧气扩散至炭粒表面与它作用，生成CO 及CO 2气体再从表面扩散出来。
一部分学者认为氧气扩散至碳表面时，并不立即产生化学反应，而是被碳吸附生成结构不确定的吸附络合物C X O Y ，当温度升高时， 或在新的氧分子的冲击下可分解放出CO 及CO 2，其过程是：y x O C yO xC =+221}yx y x O C O O C 2+ 2nCO mCO +=生成的CO 与CO 2的比例(即m 、n 的数值)与温度有关。
材料工程(燃料与燃烧)课件
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干成分xd与湿成分xυ之间有以下关系： xυ = xd （1-H2Oυ） H2Oυ为1m3 湿气体燃料中所含水蒸气的体积。 气体燃料所含水蒸汽量不高，一般等于该温度下的饱 和水蒸气量。由饱和蒸汽表可查出在不同温度下1 Nm3干 气体所能吸收的水蒸气量(单位为g／Nm3干气体)，然后 根据下式即可求出湿气体燃料中水蒸汽所占体积百分数：
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【例４-２】已知Cad、Mar、Mad，求Car。
【解】 ：Cad → Cd 100 Cad=（100- Mad） Cd （1） Car—→Cd 100 Car=（100- Mar） Cd （2） Cad 2 100 M ad （1）÷（ ）得：
Car
100 M ar
100 M ar Car Cad 100 M ad
Car % Har % Oar % N ar % Sar % Aar % War % 100%
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（b)空气干燥基 air dry(分析基，以下角标ad表示) 在实验室对煤进行分析研究时，必需对煤试样先进 行风干，去掉不稳定的外在水分，避免在分析过程中 水分不断发生变动，而影响实验结果。
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还可以采用裂化的方法使分子较大的烃类裂解为分 子较小的烃类，用以增产轻质油产品。裂化方法又可 分为热裂化和催化裂化。经过上述加工方法可获得可 燃气、汽油和润滑油等产品，残留的高沸点重质油称 裂化重油。 重柴油除作为中、低速柴油机和重型固定式燃气轮 机的燃料外，有时亦作为锅炉及工业炉窑的燃料。用 于锅炉和工业炉窑的燃料油主要是重油和渣油。须采 取较多的技术措施方能正常燃烧，但价格较低。
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c)氧和氮 煤中的氧和氮都是不可燃成分。由于氧使 可燃质中部分元素(如碳和氢)氧化，这将使燃料燃烧时 放出的热量减少，但通常仍将它们列入可燃质中。煤 中所含氧随碳化程度加深而减少。 煤中含氮量很少，约为0.5～2.5％。一般情况下氮 不会氧化，而是以自由状态转入燃烧产物。但在高温 下，或者有触媒存在时，部分氮可形成NOx，污染大 气。 d)硫 硫是燃料中最有害的可燃元素。硫燃烧后会 生成SO2和SO3气体，这些气体与燃烧产物中的水蒸气 结合，形成对燃烧装置有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫 酸蒸气。SO2与SO3排入大气还会严重污染大气。 煤中的硫常以有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫三种形 式存在。前两种可参与燃烧放出热量，故称为可燃硫， 后者则不能参与燃烧而计入燃料灰质之中。
陶瓷烧成与窑炉热工
在还原气氛下 CaSO4+CO﹥910℃ CaSO3+CO2↑ CaSO31080～ 1100℃CaO+SO2↑ Fe2O3+CO1000～ 1100℃2Fe+CO2↑ CaO和Fe0促进烧成 致密化，减少泛黄 现象
（3）形成大量液相和莫来石 ①985℃开始出现液相，温度越高，液 985℃ 相越多 液相的作用： A、促使晶体（如莫来石）长大； B、填充坯体孔隙拉紧颗粒，促进坯体致密 化，提高瓷件抗蚀性和机械强度； C、液相会阻碍气体排出，易发生冲泡和变 形。 ②1100℃以上开始形成莫来石. 1100℃以上开始形成莫来石.
（四）、完全燃烧和不完全燃烧 ）、完全燃烧和不完全燃烧
完全燃烧：燃料燃烧后完全转变为不 可再燃烧产物的一种燃烧方式 不完全燃烧：燃料燃烧后的烟气中有 可再燃烧产物的一种燃烧方式
（五）、燃料的种类 ）、燃料的种类
1、固体燃料：柴、烟煤、无烟煤、煤 粉等 2、液体燃料：重油、柴油、焦油、液 态煤等 3、气体燃料：发生炉煤气、焦炉煤气、 液化石油气、天然气
（三）结构和原理图
七、隧道窑
（一）定义
隧道窑是连续烧成陶瓷制品的热工设备， 它的主体是一条隧道，是一种按逆流原 理工作的横焰式窑。
（二）隧道窑的特点： 隧道窑的特点：
1、利用烟气余热预热坯体，废气排出温度 低，约200℃ 低，约200℃； 2、产品冷却之热加热空气，可助燃或作干 燥介质，产品出窑温度低； 3、连续窑，窑体温度不变，不蓄热，热耗 低； 4、产量大，劳动条件好； 5、较适合产品单一的生产： 6、调控不便，一次投资大
1、水分蒸发期（室温～摄氏300℃） 水分蒸发期（室温～摄氏300℃ 此阶段主要是排出干燥中未除掉的水分。 要求：①入窑坯体水分小于2%否则，坯体 要求：①入窑坯体水分小于2%否则，坯体 有可能因水分蒸发而开裂；或与窑炉SO2 有可能因水分蒸发而开裂；或与窑炉SO2 发生化学反应，造成坯体蒙上一层“白霜” 发生化学反应，造成坯体蒙上一层“白霜” 或产生气泡缺陷；②加强窑内通风，使水 汽及时排除。此阶段坯体强度缓慢提高。 一般升温速度：20～35℃ 一般升温速度：20～35℃/hr
热工基础教案第4章：燃料及燃烧计算
第二部分：热工计算(4-6章)第一次课课题： 4. 燃料及燃烧计算§4.1燃料的通性一、本课的基本要求：1.掌握燃料的化学组成及各种成分之间的相互转换。
2.燃料发热量的计算。
3.标准燃料的概念。
二、本课的重点、难点：1. 重点：燃料的化学组成。
2. 难点:：燃料成分之间的相互转换。
三、作业：第4章燃料及燃烧计算1.燃料的定义：凡是在燃烧时(剧烈地氧化)能够放出大量的热，并且此热量能有效地被利用在工业或其他方面的物质称为燃料。
. 所谓有效地利用是指利用这些热源在技术上是可能的在经济上是合理的。
2.对燃料的要求：(1)在当今技术条件下，单位质量(体积)燃料燃烧时所放出的热可以有效地利用。
(2)燃烧生成物是气体状态，燃烧后的热量绝大部分含欲其气体生成物之中，而且可以在放热地点以外利用生成物中所含的热量。
(3)燃烧产物的性质时熔炼(加热)设备不起破坏作用，无毒、无腐蚀作用。
(4)燃烧过程易于控制。
(5)有足够多的蕴藏量，便于开采。
§4.1 燃料的通性一、燃料的化学组成1.固(液)体燃料的化学组成(1)固(液)体燃料的基本组成固液体燃料的基本组成有C、H、O、N、S、W(水分)及A(灰分)，其中C、H、S 能燃烧放热构成可燃成分，但S燃烧后生成的而氧化硫为有毒气体。
所以视硫为有害成分；氧和氮的存在相对降低了可燃成分的含量，属于有害物质；水分(W)的存在不仅相对降低了可燃成分含量，而且水分在蒸发时要吸收大量的热，所以视水为有害物质；灰分的存在不仅降低了可燃成分的含量，而且影响燃烧过程的进行，在燃烧过程中易溶结成块，阻碍通讯，造成燃料浪费和增加排灰的困难。
(2)固(液)体燃料的成分分析固(液)体燃料的成分分析方法有元素分析法和工业分析法两种。
元素分析法是确定燃料中C、H、O、N、S的重量百分含量,它不能说明燃料由那些化合物组成及这些化合物的形式。
只能进行燃料的近似评价,但元素分析法的结果是燃料计算的重要原始数据。
热工基础实验报告
一、实验目的1. 理解热工基础实验原理和方法；2. 掌握热工仪表的使用方法；3. 熟悉实验数据的采集和处理；4. 提高实验操作技能和实验报告撰写能力。
二、实验原理热工基础实验主要包括流体力学、燃料燃烧、传热学、热工测量等方面的实验。
本实验选取了流体力学中的伯努利方程实验和燃料燃烧实验。
1. 伯努利方程实验：伯努利方程描述了流体在流动过程中，速度、压力和高度之间的关系。
通过实验验证伯努利方程的正确性。
2. 燃料燃烧实验：研究燃料在燃烧过程中的燃烧特性，包括燃烧速率、燃烧温度、燃烧产物等。
三、实验仪器与设备1. 伯努利方程实验：流体力学实验台、测压管、秒表、水银柱压力计等。
2. 燃料燃烧实验：燃烧器、热电偶、温度计、流量计、气体分析仪等。
四、实验步骤1. 伯努利方程实验：（1）搭建实验装置，确保实验台稳定。
（2）调整实验装置，使流体流速稳定。
（3）使用测压管测量流体在不同位置的压力，记录数据。
（4）计算流体流速，验证伯努利方程。
2. 燃料燃烧实验：（1）将燃料置于燃烧器中，点燃。
（2）使用热电偶和温度计测量燃烧温度，记录数据。
（3）使用流量计测量燃料流量，记录数据。
（4）使用气体分析仪分析燃烧产物，记录数据。
五、实验数据与处理1. 伯努利方程实验：（1）将测得的压力数据代入伯努利方程，计算理论流速。
（2）将理论流速与实验流速进行比较，分析误差。
2. 燃料燃烧实验：（1）计算燃烧速率，分析燃烧特性。
（2）分析燃烧温度、燃烧产物等数据，评估燃烧效果。
六、实验结果与分析1. 伯努利方程实验：实验结果显示，理论流速与实验流速基本一致，验证了伯努利方程的正确性。
2. 燃料燃烧实验：实验结果显示，燃烧速率与燃料流量呈正比关系。
燃烧温度和燃烧产物与燃料种类和燃烧条件有关。
七、实验总结本次实验使我们对热工基础实验原理和方法有了更深入的了解，掌握了热工仪表的使用方法，提高了实验操作技能和实验报告撰写能力。
同时，通过实验数据的采集和处理，我们学会了如何分析实验结果，为今后的学习和工作打下了基础。
硅酸盐热工基础第四章
（3）全煤气式
加
固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
特征：炉篦上燃料层厚度为直火式的3倍以上， 一 次空气量不足，二次空气量为零。
燃烧产物中可燃成分占35~48%
实质是煤的气化
二 固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
层燃燃烧室（完全或半煤气燃烧）
燃烧状态：
大部分燃料在炉篦（栅）上燃烧。 可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内 呈悬浮燃烧。
三项操作指标：填煤、拨火、除渣。
按煤与空气加入位置，分：逆流式、顺流式、
固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
交叉式三类
逆流式（上饲式） 顺流式（下饲式） 交叉式（前饲式）
按操作方式，分：人工操作层燃燃烧（室）、
机械层燃燃烧（室）
（一） 人工操作层燃燃烧室 固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
2 计算步骤
略
固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
（1）根据对热量的要求，考虑燃烧室效率， 确定燃烧室需要发出的热量或燃煤量B。
(2)根据工艺要求 选择燃烧室形式
B 200kg/ h，可采用人工操作 B 200kg/h ，尽量采用机械化操作
略
固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
加
固 体 燃 料 燃 烧 过 程 及 设 备
加热速率对挥发分析出的速率及其成分有很 大的影响； 慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热 时则得到很少，甚至无碳。 煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大： 随着热解温度的提高，挥发分产量可高达70% 以上，即挥发分并不是一个确定不变的常数。
干馏：挥发物分解。
温 度 预 热 干燥 干馏
吸热、不需空气
材料热工基础 燃烧
燃料中可燃成分按下列氧化反应进行。
C O 2 CO 2 H 2 1 2
即 1 k m o lC 需 1 k m o lO 2 1 2 k m o lO 2
O 2 H 2 O 即 1 k m o lH 需 2
S O 2 SO 2
材料工程基础 fundamentals of materials engineering
②工业分析法 主要是确定煤中的灰发分(V)、固定碳(FC)、灰分 (A)和水分(M)的含量作为控制煤的质量指标。
同样可用上述四种标准： 收到基 空气干燥基
V a r+ F C a r+ A a r+ M a r= 1 0 0 % V ad+ FC ad+ A ad+ M ad= 100% V d+FC d+Ad=100% V d a f+ F C d a f= 1 0 0 %
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3.3 燃烧计算
③ 空气过剩系数：通常实际供给的助燃空气量与按化 学反应式计算出的燃料燃烧所需的空气量之比称～。
Va Va
o
的经验值如下：
气体燃料：
1 .0 5 1 .1 5 1 .1 5 1 .2 5 1 .3 1 .7 1 .1 1 .3
电为热源
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3.1 燃料的种类和组成
1、燃料的种类(依状态、来源分)(理解) 按状态分 固体：木柴、煤和可燃页岩。最常用是煤，有泥煤、 褐煤、烟煤和无烟煤。 液体：石油及石油加工产品。常用加工产品重油。 气体：天然气及人造煤气。常用天然气、液化石 油气及发生炉煤气。 按来源分 天然燃料：自然界的原煤、石油、天然气、木柴等 人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、 发生炉煤气等。
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3.1 燃料的种类和组成
1、燃料的种类(依状态、来源分)(理解) 按状态分 固体：木柴、煤和可燃页岩。最常用是煤，有泥煤、 褐煤、烟煤和无烟煤。 液体：石油及石油加工产品。常用加工产品重油。
气体：天然气及人造煤气。常用天然气、液化石 油气及发生炉煤气。
按来源分
天然燃料：自然界的原煤、石油、天然气、木柴等 人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、 发生炉煤气等。
3.1 燃料的种类和组成
主要介绍燃料的分类及化学组成的表示方法。
燃料：指通过燃烧能获得大量热能，且这些 热能能为人们以各种方式所利用的可 燃物质。
工业上选作为燃料的仅是指燃烧过程中以氧 气(空气)作氧化剂的物质，故这些物质应当 是由那些能与氧化合的元素所组成。
热量的获得形式
燃料燃烧 电为热源
材料工程基础 fundamentals of materials engineering
或表示如下：
Mar=Mar,f+Mad 100-Mar,f 100
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3.1 燃料的种类和组成
☯干燥基：指绝对干燥的煤的组成。“d”
Cd%+Hd%+Od%+Nd%+Sd%+Ad%=100%
☯干燥无灰基：指假想的无水无灰的煤的组成。 在各组成的右下角“daf”
kg
则收到基高、低位热值之差为：
Qgr,ar
Qnet ,ar
2500
Mar 100
9Har 100
25
Mar 9Har
其它基准为： Qgr,ad Qnet,ad 225Had 25Mad
Qgr,d Qnet ,d 225Hd
Qgr ,daf Qgr ,daf 225Hdaf
区别是否包括水蒸汽。
湿 CO %+H2 %+CH4 %+CmHn %+H2S %
成 分
+CO2 %+N2 %+O2 %+H2O %=100%
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3.1 燃料的种类和组成
干 成
COd
%+H2d
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3.1 燃料的种类和组成
2、燃料的化学组成及表示方法(掌握)(固液体，气体) (1)、固体和液体(元素分析法，工业分析法)
①元素分析法
固体和液体燃料组成可由化学分析获得，它们 是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五种 元素和部分的矿物杂质 － 灰分(A)、水分(M)
根据不同的条件，固体和液体燃料的元素组 成表示方法可分为下列四种：
☯收到基：使用单位收到煤的组成，即实际使 用煤的组成，在各组成的右下角“ar”
Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+Mar%=100%
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低位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水 蒸汽仍以气态存在时所放出的热量。
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3.2 燃料的热工性质及选用原则
差别
1kg固体或液体燃料燃 烧后生成水量为：
Mar 100
Har 100
18 2
3.燃烧学
研究燃烧基本理论与燃烧技术的一门科学。
通过学习，达到最合理地、最有效的组织燃烧过程 和控制燃烧过程。
内容
3.1 燃料的种类和组成 3.2 燃料的热工特性 3.3 燃烧计算 3.4 燃烧过程的基本理论
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3.1 燃料的种类和组成
(2)、气体燃料(湿成分，干成分)
气体燃料是由可燃成分CO、H2、CH4、H2S、CmHn等 和不可燃成分CO2、H2O、N2、SO2、O2等组成的混 合气体。其中SO2和H2S是有害气体成分。
组成用体积百分含量表示，有干成分和湿成分二种：
湿成分上标用“ ”,干成分上标用“d”。
Cdaf%+Hdaf%+Odaf%+Ndaf%+Sdaf%=100%
说明
根据质量平衡原理，上述四种组成表示方 法，可以相互进行换算。表4-1
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3.1 燃料的种类和组成
②工业分析法 主要是确定煤中的灰发分(V)、固定碳(FC)、灰分 (A)和水分(M)的含量作为控制煤的质量指标。
%+CH
d 4
%+Cm
HndБайду номын сангаас
%+H2Sd
%
分
+CO2d
%+N
d 2
%+O2d
%=100%
干、湿成分的换算：
x % xd % 100 H2O 100
100m3湿气体燃料中所含水蒸汽的体积。
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3.2 燃料的热工性质及选用原则
内容
• 发热量(掌握) • 燃料的其它热工特性(理解)
• 燃料的选用原则(理解)
1、发热量(概念，种类，测定，标准燃料)
概念
单位体积或单位质量的燃料完全燃烧， 当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放 出的热量称燃料的发热量或热值。
种类
高位发热量：燃料完全燃烧，产物中的水 蒸汽全部凝结为水时所放出的热量；
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3.1 燃料的种类和组成
☯空气干燥基：指分析实验室里所用的煤样组成，在 各组成的右下角“ad”表示。
Cad%+Had%+Oad%+Nad%+Sad%+Aad%+Mad%=100%
空气干燥基准煤中的水分为两部分组成：
Mar=Mar,f+Mar,inh
空气干燥过程逸出的水分 空气干燥状态残留的水分
同样可用上述四种标准：
收到基 空气干燥基 干燥基 干燥无灰基
Var+FCar+Aar+Mar=100% Vad+FCad+Aad+Mad=100% Vd+FCd+Ad=100% Vdaf+FCdaf=100%
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