燃料及燃烧

2 燃料及燃烧2.l 冶金企业常用燃料1、概述燃料的定义:凡燃烧时能放出大量的热，该热量能经济而有效地用于现代工业生产或日常生活的所有物质，统称燃料。

冶金生产大多数需要在高温下进行，其所需热量，除电炉外，大部分仍靠燃烧燃料供给，所以燃料是冶金生产不可缺少的重要原材料之一。

冶金生产所使用的燃料，一般应具备如下条件：(l) 燃烧所放出的热量必须满足生产工艺要求；(2) 便于控制和调节燃烧过程；(3) 蕴藏量丰富，成本低，使用方便；(4) 燃烧产物必须是气体，对人、动植物、厂房、设备等无害。

燃料的种类很多，按物态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三类；按来源可分为天然产品和加工产品两种。

工业用燃料分类见表2—1。

燃料的一般分类表表2—1燃料的固态来源天然产品加工产品固体燃料木柴、煤、油页岩等木炭、焦炭、粉煤液体燃料石油焦油、重油、煤油、汽油等气体燃料天然煤气高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等冶金工业生产是燃料的巨大消耗者，冶金工作者必须熟悉各种燃料的性质，会正确选用，并能合理组织燃烧过程，以降低燃料消耗量。

2、常用燃料的特性常用燃料的特性主要包括以下两方面:第一：燃料的化学组成。

必须分清哪些组成物是发热的，哪些组成物是有害的。

第二：燃料的发热能力。

这是评价燃料质量的重要指标。

⑴燃料的化学组成及其成分换算①气体燃料的化学组成及干湿成分换算气体燃料是由几种较简单的化合物所组成的机械混合体。

其中：CO、H2、CH4、C2H4、C m H n、H2S等是可燃性气体成分，能燃烧放出热量。

CO2、N2、SO2、H2O、O2等则是不燃成分，不能燃烧放热，故其含量均不宜过多，以免降低燃料的发热能力。

C m H n总称为重碳氢化合物,，包括C3H6、C2H6、C2H2……等。

每单位体积(m2)重碳氢化合物燃烧，约放出71176 kJ热量。

气体燃料中的氧，在高温预热的情况下，能与可燃成分作用，从而降低气体燃料燃烧时的放热量。

若氧的含量超过一定数量，则有爆炸危险。

因此，氧的含量应受到限制，一般应小于0.2%。

气体燃料的成分系以各组成物的体积百分数表示。

具体表示方法有湿成分和干成分两种：湿成分包括水分在内，即：CO湿+ H2湿+CH4湿+N2湿+……+H2O 湿=100%干成分不包括水分在内，即：CO 干+ H 2干+CH 4干+N 2干+……=100% 式中：CO 湿、H 2湿……等符号分别代表湿气体燃料中各成分的体积百分含量；CO 干、H 2干……等符号则分别代表干燥气体燃料中各成分的体积百分含量。

气体燃料的湿成分只能代表某一固定温度下的气体燃料的成分。

故不具有代表性，在一般的情况下气体燃料的化学组成用干成分表示，而气体燃料在使用时所具有的实际成分为湿成分，所以湿成分是气体燃料的供用成分，在进行燃烧计算时必须以湿成分为依据。

气体燃料的干、湿成分之间可以进行换算，其换算式以CO 为例为：气体燃料中的其它各项成分均可依照类似的公式进行换算. 式中：H 2O 湿为湿气体燃料中水分的体积百分含量。

用1 m 3干气体所能吸收的水蒸汽的质量(克)来表示，即用符号干O H 2g 代表饱和水蒸汽的含量，则干O H 2g 的单位是g/m 3干气体。

进行干湿成分的换算时，必须首先把干O H 2g 变成H 2O 湿：式中：0.00124——1克水蒸汽的体积。

②液体和固体燃料的化学组成及各成分的换算a、液体和固体燃料的化学组成固体和液体燃料虽然物理状态及化学分子结构不同，但它们的化学元素成分都相同，都是由碳、氢、氧、氮、硫等五种元素所组成。

此外，固体和液体燃料中还含有水分和一些矿物杂质(通常统称灰分)。

上述七种物质就是固体和液体燃料的化学组成。

其中碳与氢燃烧并大量放热是主要组成物，硫虽能燃烧放热，但生成物SO2有害，氮、氧、灰分、水分则都不能放热。

分述如下：碳[C]：是固体和液体燃料的主要成分。

固体燃料中碳的含量变动在50~90%之间，液体燃料中碳含量一般在85%以上。

碳完全燃烧生成CO2，氧气不足时则不完全燃烧生成CO。

根据化学反应式可看出：氧充足时，碳完全燃烧，所放出的热量多。

因此不需要CO气氛(即还原性气氛)的情况下，应避免碳不完全燃烧。

氢[H]：是固体和液体燃料的第二主要成分。

在燃烧中有两种存在形式：一种叫可燃氢，燃烧时能大量放热；另一种叫化合氢，与氧结合为水，不能燃烧放热。

单位重量的氢燃烧所放出的热量，比单位重量的碳多几倍，但氢在固、液体燃料中的含量少，故起作用仍次于碳。

氢燃烧生成水，水呈蒸汽状态时。

氮[N2]：氮不参加燃烧反应，不能放热，是燃料中的惰性物质。

氮存在时相对降低了碳、氢等可燃物的含量，但因含量较少，通常只有l~2%左右，故危害不大。

燃料燃烧后氮仍以本身形态进入废气。

氧[O]：氧是固、液体燃料中的有害组成物，它不能燃烧，也不能助燃。

硫[S]：是有害组成物，在燃料中有三种存在形式：(1)有机硫；(2)黄铁矿硫；(3)硫酸盐硫。

水分[H2O]：是有害组成物。

本身不能放热，还要吸收大量热以加热其蒸汽至燃烧产物的温度。

灰分[A]：是最有害的组成物。

燃料中的灰分就是一些不能燃烧的矿物杂质，如SO2、A12O3、CaO、Fe2O3等。

b、固体和液体燃料的成分：表示方法有四种：第一：供用成分C用+ H用+ O用+ N用+S用+A用+W用=100%C用、H用、O用……为实用燃料中各成分的百分含量，简称供用成分或供用质。

固体和液体燃料中各成分的百分含量是重量百分含量，供用成分则是进行燃烧计算的依据。

第二：干燥成分C干+ H干+ O干+N干+S干+A干=100%第三：可燃成分C燃+H燃+O燃+N燃+S燃=100%第四：有机成分C机+H机+ O机+N机=100%c、换算方法上述四种成分表示方法之间可以相互换算，换算方法如下：设有100kg工作燃料，分析结果知其中含C——50kg，W——20Kg，A——10Kg，……以供用成分表示：C用——50%，W用——20%，H用——10%……今将其换算为干燥成分，根据定义知：把各量代入并将上式稍加变化，则：同理亦可将其换算成为可燃成分，即：以上各式中的用W 100100-及用用A W 100100--等称为成分换算系数。

在进行燃烧计算时，必须将已知成分换算成供用成分。

3、燃料的发热量燃料发热量的高低是衡量燃料价值的重要指标。

A 、发热量的概念发热量的定义：单位质量或单位体积的燃料在完全燃烧情况下所能放出热量的千焦数叫做燃料的发热量。

对固体、液体燃料而言，发热量的单位是kJ/kg ；对气体燃料而言则以kg/m 3表示，发热量的代表符号一般以Q 表示。

燃料中含有水和氢，氢燃烧后也生成水，燃料燃烧后该两部分水均进入废气。

由于废气中水的存在状态不同，放出的热量不一样。

如果废气中的水均冷却成0℃的液态水，则放出的热量多。

反之，如果冷却成20℃的水蒸气，则放出的热量少。

为了把二者区分开，通常把前者叫燃料的高发热量，用Q 高表示。

后者为燃料的低发热量，用Q 低表示。

固、液体燃料高低发热量可用下式进行换算：Q高—Q低=25(W用+9H用) kJ/kgB、发热量计算式计算原理是根据燃料中各可燃成分的燃烧热，乘以相应成分的百分数，加起来就等于整个燃料的发热量。

固体、液体的低发热量计算式如下:Q低=339C用+1030H用—109(O用—S用)—25W用kJ/kg式中: C用、H用……分别代表供用燃料中各组成物质量百分含量的绝对值，例如C用=75%，即以75代入。

气体燃料的低发热量计算式如下:湿湿湿湿湿湿低S1H238CmH.711H7C.5986CH.593108H7CO.127Q2n4242+++ ++=C、标准燃料所谓标准燃料是指发热量等于29308kJ的燃料。

例如，某燃料的发热量为26377kJ，则它的发热量相当于26377÷29308=0.9kg标准燃料。

因此，消耗1吨该种燃料相当于消耗了0.9吨标准燃料。

4、常用燃料的种类、性质和用途（1）冶金生产中常用煤气的种类和性质冶金生产常用煤气有高炉煤气，焦炉煤气，发生炉煤气，天然煤气。

A、高炉煤气高炉煤气是炼铁生产的副产品，冶炼每吨生铁大约得到4000标米3的煤气。

其中主要可燃成分为CO，含量随着炼铁生产波动而波动，一般不超过三分之一。

大量是不可燃的N2，含量超过50%，CO2含量超过10%，高炉煤气发热量很低，仅3560~3980kJ/m3，一般与焦炉煤气混合使用。

B、焦炉煤气焦炉煤气是炼焦生产的副产品，每炼一吨焦炭大约得到300~380标米3煤气。

其中主要成分是H2，含量超过50%，其次是CH4，含量占25%，其余是少量CO、N2、CO2、H2S等。

焦炉煤气发热量比较高，可达16750~l8840kJ/m3，一般做为民用燃料，也可与高炉煤气混合使用。

C、发生炉煤气在没有高炉煤气和焦炉煤气的地区，可以将固体燃料直接加工得到发生炉煤气，其主要成分是CO，含量不到三分之一，其次是H2，含量可达10%，不燃成分主要是N2，含量超过50%，发生炉煤气发热量比较低，仅5020~6280kJ/m3。

D、天然气天然气是一种发热量很高的优质燃料，它的主要可燃成分是甲烷CH4，含量在80%以上，发热量约为3490~37680kJ/m3，理论燃烧温度高达1090℃。

E、使用煤气安全知识使用煤气要注意安全。

输送管道要严密无缝隙。

防毒、防爆，严格遵守煤气安全制度。

煤气能和空气构成爆炸性混合物，所以煤气管道要避免混入空气，一般保持煤气管内是正压，以免在管内发生爆炸事故。

由于输送管道保持正压，煤气管道必须严防漏气，以免煤气逸出，引起中毒或厂房内形成爆炸性混合物。

一般有煤气设备的厂房内必须装抽风机以改善通风条件，严禁烟火，采取措施预防某些机器开动时火花的形成。

煤气设备及管道上应安装发声、发光或其他低压警报器或指示仪器，以提醒工作人员及时处理。

一般指示灯亮或煤气降压铃响后，应立即关闭阀门，防止回火。

为了减弱爆炸的破坏力，煤气设备上应安装安全阀。

在煤气管道的个别地方应设有放散管，直通车间房顶外，以便发现可疑情况时能将煤气放散到大气中。

煤气管道在与煤气系统接通时，应首先用蒸汽将管道内的空气经放散管吹净。

2、液体燃料液体燃料包括汽油、煤油、柴油及重油等。

冶金炉及其他工业炉用的液体燃料主要是重油。

重油较稠浓，为黑褐色或绿褐色，发热量高达39780～41870kJ/kg。

为了能够安全和有效地使用重油，必须掌握下列几点：(1)重油的粘度粘度是表示流体质点之间内摩擦力大小的一个物理指标。

重油的粘度随温度的升高而显著降低。

为了便于输送和燃烧，必须把重油加热，以便降低粘度，提高其流动性和雾化性。

重油粘度表示的方法：我国通常用恩氏粘度(°E)表示，它是用恩格拉粘度计测出的粘度，其定义是：(2) 重油的闪点将重油在规定条件下加热，重油随温度的升高有可燃蒸汽挥发出来，可燃蒸汽与周围空气混合后，当接触外界火源时，能发生闪火现象，也就是爆炸燃烧的现象。