1绪 论 15 (3)燃烧过程的监测、诊断与控制 随着计算机、光电和数字图像处理等技术的应用和发展，燃烧设备中燃烧过程的监测 诊断和控制技术得到了前所未有的发展。例如数字化炉座火焰监视系统将光谱分析原理、计 算机数据和图像处理技术有机地结合起来，形成数字式全炉膛火焰温度场分布监测系统。该 系统集当前最先进的计算机多媒体技术、光电技术和数字图像处理技术于一体，实现了炉膛 火焰温度场分布的实时测定和火焰状态的动态视察。它利用燃烧诊断模型，同时具有对燃烧 状态不稳定的报警和处于灭火临界状态时实施油枪喷油、点火助燃的功能，为锅炉的高效、 安全运行提供了可靠的监测手段。该系统已应用于电站锅炉，并可用于工业锅炉、炼铁高 炉、炼钢炉的温度场实时监测。可以说，采用计算机、光电等技术进行燃烧过程的监测、诊 断与控制是一个新兴的研究领域，研究和开发快速、准确、可靠的自动化、智能化监测、诊 断与控制系统是燃烧技术工作者面低的重要任务之-
普通拟道+一国学顿现电以 ◆工程械领学 2燃料概论 2.1燃料的概念与分类 21.1燃料的概念 工程燃烧过程是以获取大量的热量为目的，通过有效的人为控制而使燃料和氧化剂在某 个确定的空间（炉魔或燃烧室）进行的强烈放热反应。在组织燃烧过程之前，应该首先对燃 料及其类型和燃烧性能有一个充分的认识。 燃料是用以产生热盘或动力的可燃性物质，是常规能源的主要组成部分。因此，并非所 有可燃性物质都是燃料。人们在生产过程和日常生活中所使用的大量物品，如塑料制品、衣 物、木质家具等，一般不能称为然料。燃料是指在燃烧过程中能释放出大量热章，该热量又 能经济、有效地应用于生产和生活的物质，它们主要是含碳物质或者碳氧化合物，能在高温 下与空气中的氧发生燃烧反应，并放出热量。 此外，自然界中虽然有许多物质可发生放热反应，但能称为然料的物质必须满足以下 条件：能在然烧时释放出大量的热蓝（相对于单位数量物质而言），能方便且很好地燃 烧；在自然界中蕴藏量丰富，可大量开采且价格低廉，燃烧产物对人体、动植物和环境 无害等。 自然界中可供人类生产过程和日常生活所使用的燃料斑源主要是煤炭、石油和天然气 等天然燃料。另外，为了合理利用燃料资源并满足不同行业对燃料性质的要求，人们将 各种天然燃料进行，一定处理，获得焦炭、汽油、柴油、高护煤气、液化石油气等多种人 工燃料。随普生产的发展，燃料不仅可用于产生满足生产和生活所穑的热能和动力，而 且还能用做宝贵的石油和煤化工原料。应该认识到，石油、煤炭等燃料同时也是最重要 的碳氢化合物资源，除了用于燃烧之外，它们也是化学制剂的原料，这是石油、煤炭等 燃料更具有应用潜力的一个方面。由石油和煤炭制取煤基化学制品和高聚物，如工程薯 料、高温耐热高聚物、碳/碳复合材料、液晶高聚物、高聚薄膜和碳纤维材料等，有普广 泛的应用前景。 2.1.2物料的分举 燃料按服其状态不同可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类；按照燃料获得的方 法不同又可分为天然然料和人工燃料；按照其释放能量的方式不同还可以分为化学燃料（包 括氧等无机燃料和煤炭、石油、关然气等有机燃料)和核燃料（包括钍、铀、钚等裂变核燃 料和氢、气等豪变核燃料)。燃料的分类见表2-1。 表2-1中所列的各种料中，天然矿物质燃料煤和石袖以及由它们而生产的人工燃 料在能源和动力工程中一直占据主导地位。然而，随着国家能源生产的发展和“西气东 输”国家工程的实施，在我国，天然气也必将作为工程燃烧过程的重要燃料之一而在能 源与动力行业中得到广泛应用，例如作为燃气轮机发电机组或者燃气一蒸汽联合循环发 电机组的燃料
2燃料撒论 表2-1 燃料分类 类别 天烧燃料 人工燃料 木质燃料 木袋，植物稽杆等 木炭等 围体燃料 泥炭。烟堪、无细堪、想 矿物质燃料 煤、石煤、油页岩等 熟炭、半焦炭、泥炭砖。煤纤石等 腋体嫩料 石油 汽油、崇泊，煤油、重油、渣油、沥青、焦油、 甲醉、乙醉、植物油 气体燃料 液化石油气、人造煤气（焦炉煤气、发生驴煤 天款气气田气、沛田气) 气、高炉煤气)、代等 2.2燃料的组成和特性 2.2.1燃料的组成 燃料的特性主要是指燃料的化学组成、发热能力及其主要的物理和化学性质。为了在工 程实际中洁净、有效、合理地利用燃料，应该通过燃料的工业分析、元素分析和成分分析， 获得其化学组成和使用性质的基本数据。 一、燃料的组成和分析 能源与动力工程中常用的固体、液体和气体燃料（如煤、柴油、重油和天然气等），均 为由各种可燃物质和某些不可燃成分所组成的复杂的混合物。表2-2给出了火力发电厂锅 炉、燃气轮机、工业锅炉及工业燃气轮机所用燃料的组成概况。 表2-2 参与燃烧过程的物质及其组成 燃料类别 物质类别 气体燃料 液体榭料 固体燃料 可燃物质 Ha,CO,CH C.H C.CH. 不可燃物质 S,少量的V、a等金属化 合物，HO S,灰分，H0 氧化剂 空气(O2,,H0),燃气轮机排气(O,,C02,HO》 烟气 2,HO,N2,主要是O2 主要污染物 SO,NO. SO2NO,碳湖 SD2,N0·獭烟，飞灰 燃料化学组成通常采用工业分析组成、元素分析组成和成分分析组成三种方法表示，其 中工业分析组成和元素分析组成主要是针对固体燃料的化学组成分析而提出的。 采用工业分析方法可以得出燃料中所含水分(M)、灰分(A)、挥发分(V)和固定碳 (F℃)等四种组分的含量。其中水分代表燃料中各种水分的总含量（例如煤的外在水分和内 在水分的和，即全水分)，灰分代表燃料中所含无机矿物质的含量，这两项为燃料的不可燃 组分；挥发分和固定碳是燃料的可燃组分。显然，利用工业分析方法得出的这种燃料的组成 可以清晰地反映燃料中可燃组分和不可燃组分的含量。若上述四种组分的含量均用百分数来 表示，则有
18 工程燃烧学 M+A+V+FC=100% (2-1) 应当指出的是，燃料工业分析所给出的结果并不是燃料的原始组成，而是在一定的分析 条件下通过加热将燃料中原有的极为复杂的组成加以分解和转化而得到的组成，这些新组成 可采用普通化学分析方法来确定其含量。 在工浮燃烧计算中，仅仅知首燃料的工业分析数在往不能满足实际需要。例加在进行 锅炉、燃气轮机燃烧室等燃烧设备的设计计算时，需要使用燃料中主要化学元素（如C、 H、O、N、S等)以及不可燃组分（水分和灰分）含量数据，来计算燃烧过程的理论空气 量、过量空气系数、烟气量和燃烧效率等重要参数。上述这些组分含量数据可通过燃料的元 素分析来获得。 燃料元素分析所得组分含量数据若用百分数来表示则有 C+H+0十N+S+A+M=100% （2·2) 二、燃料的化学成分和性质 无论是固体燃料、液体燃料还是气体燃料，它们的主要组成都是多种碳氢化合物。从元 素分析的角度来看，燃料主要组分是C、H、O、N、S以及水分和灰分 (1)碳(C 碳是常用燃料中主要的可燃元素，一般占煤成分的20%~0%，占重油成分的85%~ 88%。碳完全燃烧时，其生成物为二氧化碳，1kg碳可释放出32700kJ的热量碳在不完全 燃烧时生成一氧化碳，1kg碳仅可释放出9270k!的热量。 在燃料中，碳原子互相结合或与氢、氧、硫、氮等结合，组成复杂的有机化合物。常用 的液体燃料和气体燃料（如重油、柴油、天然气等)是由各种高分子碳氢化合物组成的；而 各种煤则是由某些结构极其复杂的有机化合物组成的，有关这些化合物的分子结构至今仍不 十分清楚。碳元素包括煤受热分解时产生的辉发分（气态有机和无机化合物，如CH、 CH,和C0等)中的碳和固定碳（挥发分放出后所剩下的纯碳）。碳化程度越深的煤，固定 碳的含量也越高。由于固定碳的燃点很高，含碳量越高的煤，其着火燃尽也越困难。 (2)数(H) 氢是燃料中热值最高且最有利于燃烧的元素，1kg氢完全燃烧后可释放出120370k的 热量（指扣除水的汽化潜热后的剩余热量），约为纯碳热值的3,7倍。 石油基液体燃料和天然气中的氢主要以碳氢化合物的形式存在，且含量较高，如重油的 氢含量约为12%。一些人工气体燃料，如干馏煤气、发生炉煤气和水煤气等，其氢气含量 也很高，水煤气中氢气含量甚至可达50%左右。 氢元素在煤中的含量大大低于碳的含量，约为3%~5%，且均以化合物的状态存在。 随着煤的地质年龄的增长，氢的含量逐渐减少，煤中的氢一部分与氧结合成稳定的化合物 而大部分氢则与碳结合成为有机物。这些有机物在受热时将分解成氢气或者各种气态碳氢化 合物等挥发分，易于着火燃烧。因此，氢含量的多少，直接影响煤的热值、者火和燃尽。 (3)氧(0) 氧是燃料中的不可燃元素。常用的气体燃料和石油基液体燃料中一般均含有少量的氧 而煤中的氧则是以化合状态存在的。煤中的氧与碳、氢结合生成CO,和H,0,因此它的存 在不但对燃烧没有任何帮助，相反却使煤中的可燃碳及可燃氢的含量相应减少，从而降低煤 的热值
2燃料凝论 19 氧在各种煤中的含量差别很大。随着煤的地质年龄的增长，煤中的氧不断分解逸出，其 含氧量逐渐降低。例如无烟煤的含氧量仅为1%~2%，而碳化程度浅的泥炭中的含氧量却 可达40%左右。 (4)☒(N) 是燃料中的惰性元素，一般情况下不参与燃烧过程。燃料发生燃烧反应后，以游离 状态随着燃烧烟气排出燃烧设备。在高温下，氨可与氧发生化学反应生成氨氧化物(NO, 主要是NO),并随烟气排出燃烧设备。NO在环境空气中将进一步氧化成ND。在太阳紫 外线的照射下，NO,可与碳氢化合物发生光化学反应，生成具有强氧化能力的有害物质， 是弓引根环境李气污地的主要污沈物之 燃料中的氨含量一般都不高，如煤中的氮含量通常仅为0.5%~2.5%，液体燃料如重 油等中的氮含量为1%以下。天然气气藏中氨含量的变化较大，我国大庆、胜利、大港等油 田的天然气中氨含量在1.1%以下，而某些高藏气藏天然气中的氨含量在10%以上，有的甚 至可达约50%。人工气体燃料中，发生炉煤气的氮含量很高，一般在50%左右；水煤气中 的含量较低， -般在5%~6%。 (5)硫(S) 各种燃料中均含有一定量的硫，但不同种类的燃料中硫的含量与硫的存在状态差别 较大 液体燃料中的硫小部分为无机硫，大部分为硫与其他元素(C、H、O等)结合成的复 杂化合物。轻质成品燃油的含硫量较低，如轻柴油的含硫量不大于0.2%，汽油含疏量不大 于0.15%。重油（燃料油）含硫量相对较高，如20号重油的含硫量不大于1,0%，60号重 油的含硫量不大于1.5%，100号重袖的含硫量不大于2.0%，200号重油的含硫量不大 千3.0% 气体燃料中的疏主要以H2S的形式存在，且含量很低，一般在0.5%以下。气藏天然气 中一般不含或仅含极微量的HS,但少数气藏天然气含有一定量的H,S,某些气田天然气中 H2S含量超过10% 煤中的硫…般以三种形式存在，即有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。其中，有机硫是含于 燃料的有机体中的硫，它均匀分布在煤中，与其他元素(C、H、O)结合成复杂的有机化 合物，黄铁矿琥是含于金属硫化物中的无机硫，它以金属硫化物(FeS。、CuS、ZnS等)的 形式存在，主要形式是FeS:硫酸盐硫是以CaSO、MgSO,和FeSO等无机盐形式存在的 无机 有机硫和黄铁矿硫均可燃烧释放出热量，两者合称为可燃硫或挥发琉。燃料元素分析所 给出的含硫量指的是燃料中可燃硫的含量。硫酸盐硫已经充分氧化，不能参与燃烧反应，是 燃料燃烧后所形成灰渣的一部分。由于我国生产的煤炭中硫酸盐的含量很低（一般低于 0.1%,少数煤种超过0,3%)，往往可用全硫含量代替可燃硫含量进行燃烧计算。 硫发生燃烧时，可释放出少量热量，其热值为9050kJ/kg,约为碳热值的1/3。但是 硫的燃烧产物是S0:和S0,它们与烟气中的水兼气作用生成亚硫酸和硫酸蒸气，使烟气露 点温度大大升高，导致酸蒸气在燃烧设备低温受热面上发生凝结而引起金属的低温腐蚀和堵 灰。燃烧过程产生的硫氧化物可形成酸雨，危害环境和人体健集，是引起环境空气污染的主 要污染物之一