20 工程燃烧学 (6)灰分(A) 灰分是指燃料中所有可燃物质完全燃烧而燃料所含的矿物质在燃烧过程中经过一系列分 解、化合等复杂反应后所剩余的残渣。 液体燃料的灰分含量极低，例如重油（燃料油》的灰分不大于0.3%，而轻柴油的灰分 不大于0.01%0.02%。 煤中的矿物质是煤在其形成和开采过程中混人的各种无机矿物组分，包括由硅、铝、 铁、钙、硫、的、钾、钛、镁、弹、锰、氟、硼、绪等组成的各种形式的矿物质和复杂化合 物。由煤中这些矿物质在燃烧过程中发生反应而生成灰渣的多少，取决于煤中矿物质的含 量。煤的灰分不是燃料中原有的矿物杂质，但煤中矿物质的含量愈高，煤的灰分就愈高，燃 烧后产生的灰渣量也愈大。显然，燃烧产生的灰渣全部来自煤中的矿物质，但其组成和重量 并不完全与煤中的和矿物质相同。 各种煤的灰分含量相差很大，一般在5%一45%，而劣质燃料如石煤、袖页岩和煤矸石 的灰分常常可达60%~T0%,甚至更高。灰分是煤中的有害杂质，煤中的灰分含量高，则 可燃质相对诚少，这不仅降低了煤的热值。而且影响煤的着火和燃尽程度。此外，劣质燃料 中的高灰分可使烟气流经的受热面严重积灰，显著削弱传热效果。烟气中的飞灰颗粒将加速 对流受热面金属的磨损，甚至会引起低温受热面烟气通道的堵灰问题。 (7)水分(M) 液体燃料的水分含量较低，例如重油（燃料油）的水分不大于1.0%~一2.0%，轻柴油 和汽油基本上不含水分。气体燃料（如天然气等）在输送、储存过程中有时也混有少量 水分 固体燃料中的水分（全水分）包括外在水分和内在水分两部分。外在水分是指机械地附 着在燃料表面的水分，又称表面水分。燃料外在水分的含量高低取决于环境空气的湿度和燃 料贮存的外界条件。若将燃料磨碎并置放于环境空气中自然干燥至风干状态，外在水分自然 逸出而得以消除 内在水分是指燃料达到风干状态而失去了外在水分后的剩余水分，它包括被燃料吸收且 均匀分布于可燃质中的化学吸附水分和存在于燃料矿物质中的结晶水。因此，燃料的内在水 分只有在加热至高温下才可除去。 各种煤的水分含量差别很大，例如无烟煤的水分很低，一般在1%~5%：褐煤和泥炭 的水分含量很商， 一般分别可达20%一50%和40%一50%烟煤的水分相对不高，一般为 3%-18% 水分是燃料中不可燃的有害组分，它的存在降低了燃料中可燃质的含量。特别是对于固 体燃料的燃烧，水分可使护内燃烧温度下降，从而影响燃料的着火和燃尽。另一方面，烟气 中过多的水分还会加重锅护尾部受热面的低温腐蚀和堵灰问题。 与固体燃料相比，液体燃料的化学组成比较简单。石油基液体燃料是由多种高分子物质， 如烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃等组成的，另外还有含O和含S的化合物以及少量的V、Na 等金属化合物。液体燃料中的可燃物质在受热时容易蒸发为气态，因此在进行液体燃料的工业 分析时，仅测定其水分和灰分。不同的液体燃料中所含各种烃类物质的含量差别很大，确定这 些烃类的实际含量目前仍较困难。不过从燃料的热能利用角度来看，燃烧计算通带只需了解液 体燃料的元素分析结果，而不必对燃料中所含各种烃类的含量进行精确分析
。 2燃料概论 21 相对于液体燃料，各种气体燃料的化学组成则更为简单，主要有H2、CO、HzS和 C2、N2、O2等无机物以及CH、CH6、CHs、C,Hn等多种轻质烃类物质。气体燃料中 这些组分的含量可采用化学吸收法（奥氏气体分析仪）、气相色谱法等气体成分分析方法加 心以直接测完 2.2.2燃料元素分析的成分基准及换算 一、燃料的成分基准 通过元素分析所得到的燃料中每种组分的含量通常用该组分的质量百分比表示。由于燃 料中的主要组分除了C、H、O、N、S等化学元素之外，还有水分和灰分（主要是固体和液 体燃料)，而这两种不可燃组分的含量常随燃料的开采、输送、贮存以及气候等外界条件的 改变而发生变化，因此燃料中各组分含量的计算与燃料的实际状态密切相关，即采用不同的 成分计算基准将得到相应的燃料各种组分含量。通常采用以下四种燃料元素分析的成分基 准，以满足实际应用和理论研究的需要。 (】》收到基（以符号ar表示，即asre心€jvd)。即以收到状态下包括全部组分在内（句 括全部水分和灰分)的燃料成分总量(100%)作为计算基准，原称应用基或工作基。各组 分在应用基燃料中的质百分数称为收到基组分，它们的关系为 Cur+H+O.:+Na+S.++Mr 100 (2-3) 式中Cw,H,… 燃料中各组分的收到基质量百分数，为。 在送行燃料的燃烧计算时采用收到基成分。式(2-3)中的S是燃料中可燃硫的质量 百分数，M是燃料的全水分。由于燃料全水分中的外在水分很容易受到气候、燃料输送及 贮存等外界条件的影响，因此应用基组分往往因为燃料中水分含量的变化而无法准确反映燃 料的化学组成。 (2)空气干燥基（以符号ad表示，即air dry basis)。即以除去外在水分后的燃料成分 总量(10心%)作为计算基准，原称分析基。此时燃料已被60℃的空气干燥至风干状态， 其中的外在水分已经逸出，燃料中的剩余水分仅为内在水分。燃料的空气干燥基组分可 表示为 C:+Ha+O:十Nd十S十AM+M=IOO (2.4) 式中C,Ha,… 燃料中各组分的空气干燥基质量百分数，%。 燃料分析通常是在实验室中进行的，此时适合采用空气干燥基组分。因此，煤质分析资 料中给出的水分含量一般均为空气干燥基水分。 (3)干燥基（以符号d表示，即dry basis)?。即以除去全部水分后的燃料成分总量 (100%)作为计算基准。为了获得燃料的干燥基成分，必须将其加热至100℃以上，以除去 内在水分。燃料的干燥基组分可表示为 C4+H+04千N+S+A=100 (2-5) 式中C,Ha, 一燃料中各组分的干燥基质量百分数，%。 于干燥基成分不受燃料水分含量的影响，因此用A:来表示燃料的灰分含量更为 推确 (4)干燥无灰基（以符号daf表示，即dry ash free)。即以除去水分和灰分后的燃料成 分总量(100%)作为计算基准，原称可燃基。干燥无灰基组分表示为 CM十Hw+Ohd+N.d+S=l00 (2-6)
22 工程燃烧学 式中C,H1,一—燃料中各组分的十燥无灰基质量百分数，%。 由于燃料中的灰分含量也常常因输送和贮存条件的影响而发生波动，因此采用干燥无灰 基成分可以更加确切地反映各种燃料的实质和燃烧性能。常用干燥无灰基来表示燃料的挥发 分含量。 二、燃料成分基准的换算 在燃料和燃烧研究及工程计算中，往往需要对燃料的各种基准成分进行换算。表2-3 给出了各种基准间的换算系数。 表2-3 各种基准成分之间的换第系数 带要换算到的基准成分 已知成分 收到基(ar) 空气干操基《ad) 干燥蒸(d) 于渊无灰基〔daf) 收到基(ar) 删# 9 100-2-M 空气干燥基(ad) 0二2 1 100 w-8- 干燥基〔d 1 4 1 9 干燥无灰基(dhf) 10--4 0微丛 100A 1 注本表适用干像水分以外的各种成分、郴发分和高位热值的换算。 表2-3所示换算系数不能用于水分之间的换算。水分的换算公式为 M=M.+M100=M 100 (2-7) MM.M100 (2-8) 式中M,·Mw,M,一燃料中的全水分、外在水分和内在水分，%。 【例题1】已知某一煤种的干燥无灰基成分、干燥基灰分和收到基水分为() Oar A M 75 4 18 2 1 12.5 20 求该煤种的收到基质量百分数。 解该煤种的收到基灰分含量为 A-L10604-12.5×1096020-1oc%) 根据已知该煤种干燥无灰基成分和表2-3中干燥无灰基到收到基成分的换算系数可得 该煤种其他组分的收到基百分数 C=cu10--4=75×108-29=52.5%) H=160-0二4=4×160-8-20=23%) 100
2燃‘料服论 23 0=0w10-0丛=18×100-82四=12.6(%0 N-10-04=2×1四-02-14%) s=54100-。-M。=1×100-10-20=0.7%) 100 100 2.2.3搬料成分分析的表示基准 气体燃料的化学组成相对于固体和液体燃料比较简单，主要是一些无机化合物和轻质烃 类物质。气体燃料的组成可用其中各单个成分所占的体积百分比表示。 由于气体燃料中通常均含有少量水分，因此气体燃料成分分析组成的计算同样存在表示 基准的问题。在气体燃料组分计算中，包括燃料中水蒸气组分的表示基准称为湿成分组成， 而不包括水蒸气组分的表示基准称为干成分组成， 气体燃料中各湿成分组分的关系为 CO+H+CH++CO3+N+O+H0=100 (2-9) 式中C0,进，… 气体燃料中各湿成分组分的体积百分数，%。 气体燃料中各干成分组分的关系为 CO+H+CH+.+CO+N+0=100 (2-10) 式中CO,H, 气体燃料中各干成分组分的体积百分数，%。 在常温下，气体燃料中所含水分等于所处温度下的饱和水蒸气量。当温度变化时，燃料 中的饱和水蒸气含量也随之变化，从而导致气体燃料湿成分组成发生变化。为了排除该影响 因素，技术资料中一般均采用气体燃料的干成分组成来表示其化学组成，以准确地反映燃料 的燃烧性能。 在进行燃烧计算时，必须采用气体燃料的湿成分组成作为计算的依据。此时，应根据燃 料所处温度下的饱和水蒸气含量将气体燃料的干成分组成换算为湿成分组成。气体燃料干、 湿成分组成的换算关系为 X0=x2100 (2-11) 式中X,X一一气体燃料中各干、湿成分组分的体积百分数，%： H2O—气体燃料中饱和水蒸气含量，%。 在工程实践中，通常采用含湿量来表示气体中的水分含量。含湿量h定义为某一温度下 1m(标祝下)干气体中所吸收的水蒸气的质量(g),单位为g/m(标况下)。若已知含湿 量，则可方便地求出气体燃料中水蒸气的体积，进而确定气体燃料中水分的体积百分比 H2O和其他组分的湿成分。 在标准状态下，1kmol(即18kg)水蒸气的体积为22.4m2,因此气体燃料含湿量为h 时，1m干气体燃料所吸收的水蒸气体积V,[单位为m/m3(标况下)门为 (2-12) 因此气体燃料中所含水分的体积百分比为 0-1十7×10=1+0.182m (2-13)
24 工程燃烧学 气体燃料中其他组分的湿成分则可由式(2-14)求得，即 (2-14) 2.2.4燃料的热值 燃料的燃烧过程主要以获取大量的热量为目的，因此燃料的热值是衡量燃料特性最重要 的指标之一。在工程实践中，常常采用燃料的热值来进行热平衡、热效率和燃料消耗量计 算，并以此为依据进行燃烧方式选择或者燃烧设备的选型。因此，燃料热值是进行工程燃烧 计算和燃烧设备设叶必不可少的燃料持性梦数 C1)燃料执值的宗义 热值（又称发热量)是指单位质量或者单位体积的燃料，在完全燃烧情况下所释放出的 热量，用符号Q表示。固体、液体燃料数量的单位一般为kg,放其热值又称为质量热值， 单位为k/kg:气体燃料的数量一般采用m来表示，其热值又称为体积热值，单位为/m (标况下)。燃料热值是燃料自身的重要特性，它只取决于燃料本身的化学组成，而与燃料燃 烧过程中外部的燃烧条件无关。 根据应用场合的不同，燃料的热值分为高位热值和低位热值两种表示方法。高位热值是指 单位质量或者单位体积的燃料完全燃烧后，其燃烧烟气的温度降低至室温所放出的全部热量 包括烟气中水蒸气凝结时放出的热量，用符号Q。表示（即gross heating value)。因此，高位热 值指的是燃料在燃烧过程中放出的热的总量，故又称为总发热量。低位热值是指单位质量或者 单位体积的燃料完全燃烧时，所放出全部热量中扣除燃烧烟气中水蒸气汽化热后所得的热量， 又称净热值，用符号Q表示（即met heat of combustion)。工程燃烧设备所产生的烟气由烟肉 排出时，一般均具有相当高的湿度，烟气中的水蒸气尚未冷凝而直接排出、水蒸气的汽化热未 被利用，因而在燃烧计算中实际采用燃料的低位热值作为进人燃烧设备热量的计算依据。 对于固体和液体燃料，高位、低位热值之间的关系可表示为 Qo =Qn +Lmw (2-15) 式中Q,Q一高位、低位质量热值，kJ/kg; L 水分以质量计量的汽化热，kJ/kg: 燃烧烟气中水蒸气的质量分数。 对于气体燃料 Qgr=Qom +Lvp (2-16) 式中Q,Q高位、低位体积热值，k/m(标况下) Lw一水分以体积计量的汽化热，k/m(标况下)： 一燃烧烟气中水蒸气的体积分数」 水分以质最计量的汽化热L.与以体积计量的汽化热Lv之间的换算关系为 Lw=Lw×18/22.4≈≈0.80L (2-17) 燃料燃烧后所牛成的烟气中所含水蒸气来源于燃料中的水分以及氢的燃烧产物。由氧与 氧的化学反应式 2H2+O,→2H2O 可知，1kg的H2经燃烧可生成9kg的H2O。因此，若将L近似取为2500kJ/kg,固体和 液体燃料高位、低位热值之间的关系可表示为