燃料及燃料燃烧计算
燃料及燃烧2 燃烧计算及燃烧理论
Va0 VO0 2
100 8.9Car 26.7 H ar 3.3( Sar Oar )(Nm3 / kg) 21
洛阳理工学院
材料工程基础
②气体燃料
院系：材料科学与工程系
教师：罗伟
可燃组成有CO2、 CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百 分含量）
0 百分含量，VO 和 VO0分别为生成RO2和H2O的需氧量（ /m3） 2 2
0 0 (VO2 RO2 VO2 H 2 O ) O2
V
0 O2
RO2 V H 2 O
0 O2
令k
0 0 VO2 RO2 VO2 H 2O
RO2
K：单位燃料燃烧时的理论需氧量 与该烟气中RO2百分含量的比值。 组成变动不大的同种燃料的k值近 似为常数。列于表。
洛阳理工学院
材料工程基础
院系：材料科学与工程系
教师：罗伟
第三节
燃烧计算
洛阳理工学院
材料工程基础
院系：材料科学与工程系
教师：罗伟
在设计窑炉时（设计计算） 1、已知燃料的组成及燃烧条件， 2、需计算单位质量（或体积）燃料燃烧所需的空气量、烟气 生成量、烟气组成及燃烧温度 3、以确定空气管道、烟道、烟囱及燃烧室的尺寸，选择风机 型号。
CO2=
VCO2 0 V
0
×100（%）
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材料工程基础
② 气体燃料
院系：材料科学与工程系
教师：罗伟
可燃组成有CO2、CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百 分含量）
CO + 1/2O2 → CO2 CO2 H2 + 1/2O2 → H2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CmHn +(m+n/4)O2→ m CO2 + n/2 H2O 1Nm3 H2生成 1 Nm3 HO2 …… ...... 1Nm3 CO 生成 1 Nm3
燃料燃烧计算
第三章 燃料及燃烧过程3-2 燃料燃烧计算一、燃料燃烧计算的内容及目的（一）计算内容：①空气需要量 ②烟气生成量 ③烟气成分 ④燃烧温度 （二）目的：通过对以上内容的计算，以便正确地进行窑炉的设计和对运行中的窑炉进行正确的调节。
二、燃烧计算的基本概念 （一）完全燃烧与不完全燃烧。
1、完全燃烧：燃料中可燃成分与完全化合，生成不可再燃烧的产物。
2、不完全燃烧：化学不完全燃烧：产物存在气态可燃物。
物理不完全燃烧：产物中存在固态可燃物。
（二）过剩空气系数 1、过剩空气系数的概念а=V a /V 0a2、影响过剩空气系数的因素：1）燃料种类：气、液、固体燃料，а值不同； 2）燃料加工状态：煤的细度、燃油的雾化粘度。
3）燃烧设备的构造及操作方法。
3、火焰的气氛：①氧化焰：а>1，燃烧产物中有过剩氧气。
②中性焰：а=1③还原焰：а<1，燃烧产物中含还原性气体（CO 、H 2）三、空气需要量、烟气生成量及烟气成分、密度的计算（一）固体、液体燃料：基准：计算时，一般以1kg 或100kg 燃料为基准，求其燃烧时空气需要量、烟气生成量。
方法：按燃烧反映方程式，算得氧气需要量及燃烧产量，然后相加，即可得空气需要量与烟气生成量。
1、理论空气量计算： 1）理论需氧量： V 0O2=12ar C +4ar H +32ar S －32ar O(Nm 3/kgr)2）理论空气量：V 0a =1004.22（12ar C +4ar H +32ar S －32ar O ）21100=0.089C ar +0.267H ar +0.033(S ar -O ar ) (Nm 3/kgr)2、实际空气量计算： V a =а×V o a3、理论烟气生成量的计算：V 0L =V CO2+V H2O +V SO2+V N2=1004.22 (12ar C +2ar H +18ar M +32ar S +28arN )×V o a +0.79V o a =0.01865C ar +0.112H ar +0.01243M ar +0.0068S ar +0.008N ar +0.79V o a4、实际烟气生成量的计算： 1）а>1时，V L = V 0L +(а-1)×V o a2）а<1时，在工程上进上近似认为其燃烧产物中只含有CO 一种可燃气体。
燃料燃烧计算
实际需要干空气量V 当实际空气量大于理论空气量时，V =αV 当实际空气量小于理论空气量时，V =α V
考虑空气中含有水分，湿空气量V = V + V = (1 + 0.00161d)αV
N
G N × 22.4 100
V =( ×V −
)×
100
100 × 28 79
参考文献 [3]
参考文献 [38]
努力降低熟料热耗和减少余热量为前提，然后再提高吨熟料发电量。
W ω=
M
（5 − 8）
式中 ω—单位时间段（如日、月、年）熟料余热发电量，kW•h/t ；
W—同一统计时间段水泥窑余热发电量，kW•h；
M—同一统计时间段水泥窑熟料产量，t。
（4）余热发电效率
余热发电效率 η 是指单位质量熟料产量下，余热利用系统吸收的热量转化
烟气平均比热容c /[kJ/（m ∙ ℃）] 0.372 0.376 0.380 0.383 0.387 0.389 0.392 0.395 0.398
注：窑尾废气中氧含量控制在 2%~3%为宜。
（3）单位熟料发电量
吨熟料发电量指余热发电系统的发电量与对应时间段熟料产量的比值。在评
价该指标时，要从企业生产目标主题和经济角度考虑，要求首先保证窑生产正常，
项目
计算式 理论烟气生成量
V = 0.0187C + 0.112H + 0.0124M + 0.007S + 0.008N + 0.79V + 0.21（α − 1）V 按燃料元素分析
V = 0.0889C + 0.3227H + 0.0124M + 0.333S + 0.008N + 0.0263O
第二章 燃料及燃料燃烧计算
(二）各类煤质的燃烧特性
烟煤 含碳量较无烟煤低 40％～70％； 挥发分含量较多 20％～40％，易点燃，燃烧快，火焰长； 氢含量较高 发热量较高。 褐煤
碳化程度低，含碳量低 约为40～50%，
水分及灰分很高 发热量低； 挥发分含量高 约40～50%，甚至60%，挥发分的析出温度 低，着火及燃烧均较容易。
热量。
约占2％～6％。 多以碳氢化合物的形式存在。
3、氧（O）和氮（N）
不可燃元素。 氧含量变化很大，少的约占1％～2％，多的占40％ 氮的含量约占0.5％～2.5％。
5
一、煤的成分及分析基准
4、硫（S）
有害成分，约占2％，个别高达8％～10％。 存在形式：
① 有机硫（与C、H、O等结合成复杂的有机物）
第二章 燃料及燃料燃烧计算
燃料的成分及其主要特性 燃料燃烧计算 烟气分析方法 空气和烟气焓的计算
1
§2.1 燃料的成分及其主要特性
燃料:
核燃料 有机燃料 固体燃料（煤、木料、油页岩等）
有机燃料 :
液体燃料（石油及其产品） 气体燃料（天然气、高炉煤气、焦炉煤气等）
电厂锅炉以煤为主要燃料，并尽量利用水分和灰分含
Q Q 226 H d , n, et p d , gr d
干燥基 高位发热量与低位发热量之间的换算： 干燥无灰基 高位发热量与低位发热量之间的换算： Q Q 226 H daf , net , p daf , gr daf
18
（一）煤的发热量
高位发热量(Qgr) 各基准间的换算采用表2-1换算系数
为反映煤的燃烧特性，电厂煤粉锅炉用煤还以VAMST及Q法 分类
28
(二）各类煤质的燃烧特性
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。
燃料燃烧及热平衡计算参考
燃料燃烧及热平衡计算参考L n 湿=（1+0.00124×18.9）×4.35=4.452 Nm 3/Nm 3 2、天然气燃烧产物生成量 （1）燃烧产物中单一成分生成量CO)H 2C CH (CO 0.01V 6242CO 2+++⨯=’(3.4)2O V 0.21(=⨯′0n-1)L(3.5) 22n N V (N 79L )0.01=+⨯′(3.6))L 0.124g H H 3C (2CH 0.01V n 干O H 2624O H 22+++⨯=(3.7)式中CO 、CH 4 、 C 2H 6 、 H 2 ——每100Nm 3湿气体燃料中各成分的体积含量。
则0.475)5222(100.01V 2CO =+⨯++⨯= Nm 3/Nm 34.4131)(1.050.21V 2O ⨯-⨯==0.046 Nm 3/Nm 3 01.0)35.47910(V 2N ⨯⨯+==3.54 Nm 3/Nm 34.35)18.90.124465322(20.01V O H 2⨯⨯++⨯+⨯⨯==1.152 Nm 3/Nm 3（2）燃烧产物总生成量实际燃烧产物量V n = V CO2+V O2+V N2+V H2O Nm 3/Nm 3(3.8)则V n =0.47+0.046+3.54+1.152=5.208 Nm 3/Nm 3 理论燃烧产物量V 0=V n -（n -1）L O(3.9)V 0=5.208-（1.05-1）×4.143=5.0 Nm 3/Nm 3(3) 燃料燃烧产物成分[2]%100V V CO nCO 22⨯=(3.10) %100V V O nO 22⨯=(3.11)%100V V N nN 22⨯=(3.12)100%V V O H nO H 22⨯=(3.13) 则9%%1005.2080.47CO 2=⨯=0.8%%1005.2080.046O 2=⨯=68%%1005.2083.54N 2=⨯=22.2%100%5.2081.152O H 2=⨯= 3.1.3 天然气燃烧产物密度的计算[3] 已知天然气燃烧产物的成分，则：ρ烟=10022.432O 28N O 18H 44CO 2222⨯+++，kg/Nm 3(3.14)式中：CO 2、H 2O 、N 2、O 2——每100Nm 3燃烧产物中各成分的体积含量ρ烟= 217.110022.40.832682822.218944=⨯⨯+⨯+⨯+⨯ Nm 3/Nm 33.1.4 天然气发热量计算 高发热量Q 高=39842CH 4+70351C 2H 6+12745H 2+12636CO （kJ/Nm 3（3.15）低发热量Q 低= 35902CH 4+64397C 2H 6+10786H 2+12636CO (kJ/ Nm 3)（3.16）式中：CH 4、C 2H 6、 H 2、CO ——分别为天然气中可燃气体的体积分数（%）。
节能基础知识--燃料与燃烧
（四）煤的分类
煤一般可以分为无烟煤、烟煤、贫煤、褐煤、石煤与煤矸石。见表 ! * %。
表!*% 特性 煤种 石 煤 褐 矸 煤 石 煤 !类 无烟煤 "类 #类 贫 煤 !类 烟 煤 "类 #类
注：!+,-. 6 %&!787+9
工业用煤分类表 水分 灰分 （(） 1 )# 1 )# 应用基低位热值 （ +,-. / +0） !### 2 ")## !)## 2 ")## "### 2 3)## 4 )### 1 )### 1 )### 1 %)## 1 "5## 2 35## 1 35## 2 %5## 1 %5##
一、燃料知识 （一）燃料的分类
燃料按状态可分成三类：固体燃料、液体燃料和气体燃料。 固体燃料有煤炭、油页岩、木柴和植物燃料（如农作物秸秆） 。其中煤炭应用最为 普遍，在我国目前和今后相当长时间内都是最基本的能源。 液体燃料有石油（原油）及其加工产品等。石油在常压下蒸馏可分别提炼出汽油、 煤油、柴油等高质量燃料。 气体燃料有天然气及人造煤气。天然气多从油田或煤田附近地层逸出，是一种高质 量的燃料。人造煤气种类很多，有石油气、焦炉煤气、高炉煤气、水煤气、发生炉煤气 及城市煤气等。
注：+"#$% 3 *)+(/("4
（三）煤的工业分析
对煤进行工业分析的主要目的是为了判断其燃料特性，从而在锅炉运行中采取相应 的技术措施，调节和控制燃烧过程。煤的工业分析项目有挥发物、固定碳、灰分、水分 和发热量等。 ：煤加热到一定温度，首先排放出一些气体，开始着火燃烧，这些 +) 挥发物（5） 气体就是挥发物，如一氧化碳、氢气和各种碳氢化合物等。挥发物析出后就很快着火燃 烧，使煤粒周围形成一层火膜，将煤粒迅速加热到较高的温度，同时挥发物析出后煤粒 中间出现孔隙，增加煤与空气的接触面积。当煤的挥发物含量相当比例时，容易着火， 有利于燃烧；但当煤的挥发物含量过高时，相对减少了固定碳的含量，使煤发热值降 低。一般锅炉用煤的挥发物含量最好在 2,! 以上。 ：煤中的挥发物燃烧后，剩下是固定碳和灰分。固定碳在完全燃烧 2) 固定碳（ 6） 时和氧化合成二氧化碳，将放出 00.,*"4 & "’（(,-,"#$% & "’）热量。 ：煤燃烧后，残留下来不能燃烧的固体杂质便是灰分。主要是混入煤 0) 灰分（7） 中的砂石、灰土、氧化铁、氧化钙等，灰分是煤中的有害成分，它含量过大，使煤发热 —
工程燃烧学 燃烧计算
2020/4/17
河北工业大学能源与环境学院
7
理论产物 与实际产 物分别为
产物成分一般表示为各组成的体积百分数。
讨论： 1、V0只与燃料成分有关，可燃成分越高、发热 量越大，理论产物越多；
2、Vn不仅与燃料成分有关，还与空气过剩系数 n有关；
3、空气过剩系数越大，VO2越大，实际烟气量 也愈大；烟气的氧化性气氛越强。
t理
Q低
Q空 Q燃 Vnc产
Q分
t热
Q低 Vnc产
2020/4/17
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理论发热温度的计算
t热
Q低 Vnc产
c产
CO2' cCO2 H 2O' cH2O N 2' cN2
1 100
Vn c产 VCO2 cCO2 VH2O cH2O VN2 cN2
VRO2 VCO2 VSO2
固、液燃料
RO2' max
VRO2 V0 干
100 21 1
气体燃料
以上关系说明RO2’最大值仅与燃料特性有关
2020/4/17
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对于完全燃烧 对于不完全燃烧，n>1
Vn干 V0干 Ln L0
Vn 完干
Vn
干 不
100
0.5CO '
' 4
1 100
不完全燃烧程度越严重，产物体积增加越多
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当n<1时，如烟气中不再有氧气， 对于第一个反应，由于缺少0.5Nm3氧气 和1.88Nm3的氮气，而不能生成完全燃 烧产物1Nm3二氧化碳和1.88Nm3的氮气， 亦即不完全燃烧产物比完全燃烧产物少 1.88Nm3。同理烟气中每含有1Nm3氢气、 1Nm3甲烷就会使产物比完全燃烧产物少 1.88Nm3和9.52Nm3 。
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煤的成分分析基准及其换算
哈尔滨工业大学（威海）
用各个成分的质量百分数来表示; 水分和灰分所占质量较大，且随外界条件有较大的波动; 采用四种不同的“基”准的质量成分表示: 1.收到基ar； 2.空气干燥基ad； 3.干燥基d； 4.干燥无灰基daf.
热能转换装置原理
1.收到基ar；
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Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%
热能转换装置原理
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热能转换装置原理
图2-1
哈尔滨工业大学（威海）
二、煤 的主要特性 1．燃料的发热量Q：单位质量的固体、液体燃料，在完 全燃烧时所放出的热量(kJ/kg)；单位容积的气体燃料在 完全燃烧时所发出的热量（kJ/Nm3）
表示燃料中全部成分的质量百分数总和 是锅炉燃料燃烧计算的原始依据。
Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% 2.空气干燥基ad； 表示在不含外在水分的条件下，燃料各组成成分的质量 百分数总和， 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。
Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%
热能转换装置原理
水分(Water、Moisture)： 燃料中的主要杂质，约占5~60%。
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内部水分（固有水分）105~110 ℃ 外部水分（表面水分）45~50 ℃ 化合水分（结晶水）灰分的一部分
—瓷土Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２．２Ｈ２Ｏ
1） 水分进入炉内吸热汽化成水蒸气，对燃烧不利；
5．发热量的测定：采用氧弹测热仪
6．发热量的计算
热能转换装置原理
焦炭的性质——焦结性 焦炭——煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出 后固体残余物质。 焦结性——由于煤种不同，焦炭的物理性质、外观等各 不相同焦结性状
热能转换装置原理
焦炭结构特征
1） 粉状 3） 弱粘结 5） 不膨胀熔融粘结 7） 膨胀熔融粘结
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2） 粘结 4） 不熔融粘结 6） 微膨胀熔融粘结 8） 强膨胀熔融粘结
M Qdw l
2） 在烟气露点时，水蒸气与SO2、SO3生成亚硫酸和硫 酸，造成低温腐蚀；
3） M Vy Vpy q2
热能转换装置原理
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挥发份： 失去水分的煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度时， 煤分解逸出的部分可燃质和矿物质。 主要成分是CO、CO2、CmHn、H2等。 收到基挥发份含量在5%~40%之间。 挥发份的测定 挥发份对煤的着火、燃烧的影响
2． 高位发热量 Q gw ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热 量，含所生产水蒸汽汽化潜热，(kJ/kg)
3．低位发热量 Q dw ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热 量，扣除随烟气带走的水蒸汽的汽化潜热的热量，(kJ/kg)
水分来自：①H与氧的反应；②燃料中的含水量Mar 4．各成分分析的高、低位发热量间的关系
N： 氮是一种不利的元素，在高温环境下，与氧形成氮氧化 物，对环境危害极大。 煤中氮的含量~1%。
热能转换装置原理
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S: 部分S属于可燃质， 发热量仅2160 kcal/kg， 对锅炉设备及环境的危害很大， 硫的含量0.2~5%，甚至更高，超过2%，既为高硫煤。
有机硫 全硫St 无机硫 硫 硫酸 铁盐 矿中 中SS硫 硫 sp
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第二章 燃料及燃料燃烧计算
2-1 燃料的成分及其主要特性 2-2 燃料燃烧计算 2-3 烟气分析方法 2-4 空气和烟气焓的计算
热能转换装置原理
哈尔滨工业大—可控核裂变与和聚变 有机燃料—以各种形式在自然界存在的碳氢化合物 一、煤的成分及分析基准 可燃成分和不可燃成分组成的复杂组合物，结构非常复杂。 各组成元素并不单独游离存在，而是以复杂的化合物存在， 成分十分不均匀。
热能转换装置原理
哈尔滨工业大学（威海）
3. 干燥基d； 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百 分数总和 干基中各成分不受水分变化的影响
Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% 4. 干燥无灰基daf； 表示在不含水分和灰分的条件下，干燥无灰燃料各组成 成分的质量百分数总和， 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分，各成分不受水分 和灰分变化的影响， 煤炭交易。
煤的化学分析（元素分析）成分分为： C，H，O，N，S，A(ash)，M(moisture)
热能转换装置原理
哈尔滨工业大学（威海）
可燃成分—C，H，部分S 不可燃成分—N，水分，灰分 C： 最主要的可燃质，煤是富含碳的燃料 一般含量：20%~70% 碳含量取决于碳富集程度，炭化及年龄。 燃烧产物主要是CO2 碳的发热量：7800 kcal/kg，4.182×7800 kJ/kg 关于热量单位：
焦结性对层燃炉燃烧过程的影响 1）粉状焦炭——堆积紧密，妨碍空气流动 ① 烟气流速过大，易被气流携带，形成火床火口； ② 烟气流速过小，燃烧通风不畅，易从通风孔隙中漏入 灰坑 2）强焦结性煤——挥发分逸出后，焦炭呈熔融状态，粘 结成片 ① 内部固定碳难于空气接触而燃尽； ② 燃烧层通风不畅
热能转换装置原理
kcal（工程），kJ（国际）， BTU（英制）…
热能转换装置原理
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H： 发热量很高，达28600 kcal/kg，极易燃烧， 煤中含量很少，仅为2%~5%， 液体燃料中可达到14%， 天然气中最多。 O： 1.氧不可燃，且不助燃，氧不以游离状态存在于煤中，与 煤中的氢和碳组成化合物，占据部分可燃质，使煤发热 量降低。 2.氧的含量1~15%，木柴中的氧含量达到20%~25%。
热能转换装置原理
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灰分（Ash）： 煤中不可燃矿物杂质，成分十分复杂，大多数煤的灰分 含量7%~40%。 1）A 可燃物减少，Qdw ，着火困难，灰渣量增加，运行 操作繁重； 2）A且ST，炉内易结渣，使受热面传热恶化，D 3）A，烟气 wy 流 w wyy 对 对 速流 流受 受热 热面 面， 积 磨传 灰 损热 K 、 严 系 ,D 重 堵 数