7.2.1 燃料及其燃烧反应在线视频

下面 我们来探讨

锅炉热效率以及影响热效率的因素

要明确锅炉的热效率

就必须了解 燃料的成分以及燃烧反应

进而通过锅炉的热平衡方程

阐述锅炉的热效率及其影响因素

首先我们来看看 锅炉的燃料及其燃烧反应

自然界中的燃料以固 液 气三种状态存在

固体燃料有

煤 包括褐煤 烟煤 贫煤 无烟煤

还有 含可燃有机质的油页岩

以及 我们非常熟悉的柴薪等

液体燃料有

柴油 重油 渣油等

气体燃料有

天然气 石油气 人工煤气 页岩气等

以碳（C）氢（H）化合物为主的可燃气体

燃料的主要成分为

C H O N S 灰分（A）和水分（M）

其中可燃的成分为C H S

S呢 又包含有机硫和无机硫

无机硫 是硫铁矿硫和硫酸盐硫的总和

N 属于内部杂质

而灰分和水分属于外部杂质

都是不可燃的成分

其中

灰分 是矿物杂质在燃烧后的产物

包括 硫酸盐硫

而水分 又分为内水分和外水分

燃料中的H O N S与部分C

所组成的有机物加热后分解

会形成气体挥发出来

这部分称为挥发分

属于 可燃的气体

值得一提的是

在能源资源逐渐减少的背景下

油页岩和页岩气 在未来的能源产业中

将得到高度重视

油页岩 是指

高灰分的 含可燃有机质的沉积岩

它与煤的主要区别在于 其灰分超过了40%

与石油 天然气 煤都是不可再生的化石能源

而页岩气 是从页岩层中开采出来的天然气

其主体 是以吸附或游离状态存在于

泥岩 高碳泥岩 页岩等岩体夹层中的天然气

我国的页岩气资源 较为丰富

其总量 是我国常规天然气储量的2倍

具有广阔的开发前景

我国的主要能源 为煤炭

且大量的锅炉是以煤炭作为燃料的

这里以固体燃料 煤为例

说明燃料的成分

燃煤的主要成分是碳

还含有微量的氢 氧 氮

燃煤中还含有硫

包括 有机硫和无机硫

无机硫主要是以

硫铁矿硫和硫酸盐硫的形式存在

其中

有机硫和硫铁矿硫是可燃的硫

在煤燃烧过程中 也将释放出热量

燃煤中含有水分

包括吸附 凝聚在煤中的内水分

和附着在煤表面的外水分

外水分 在干燥空气中会挥发

使煤变干

重量减少

燃煤中 还有一些固体杂质

它是煤燃烧后形成煤灰的主要成分

因此 我们把它叫做“灰分”

在锅炉领域

把燃料成分分析时用于计量的称重基准 叫做“基”

下面 我们来看看燃料的几个常用“基”

以及它们之间的相互关系

第一是 收到基

以刚刚运到锅炉前的炉前煤 为计量基准的煤

它包括煤的全部成分

第二种叫 空气干燥基

是以除去外水分后的煤

即以风干状态下的煤 为计量基准的煤

第三叫 干燥基

是以除去全部水分后的煤 为计量基准

第四是 无灰干燥基

就是以除去全部水分和灰分后剩下的煤 为计量基准

从这幅图中

我们可以清晰地看到

上述四种“基”之间的相互关系

对于固体 液体燃料

在成分分析时 常采用空气干燥基（ad）

而在实际使用时

常以炉前煤 即收到基（ar）为基准

对于气体燃料而言

常以干燥基（d）为基准

例如 我们用每标准立方米干燥基天然气中

含有多少克水 来表示天然气中的水分含量

燃料燃烧的发热量 即热值

是燃料品质的重要参数

它的定义是

单位质量或者是单位体积的燃料 完全燃烧时

所释放的热量

固体和液体燃料的单位是 J/g

气体燃料的单位是 kJ/m3

这个“单位质量”或者“单位体积”

就是上面所说的 不同“基”

即不同基准下的质量或体积的

燃料的发热量 有很多表示方法

常用的有

弹筒发热量 高位发热量和低位发热量

其测量时 都是采用空气干燥基为其计量单位的

弹筒发热量（Qb）

是国标GB/T 213《煤的发热量测量方法》

中规定的实验室内的测量值

它是在常温下

将1g煤样 置于氧弹内

氧弹内 充满压力为2.6~3MPa的O2

点火燃烧

然后冷却至常温

此时

1g煤所放出的热量

测量弹筒发热量 有标准的测试仪器

这种仪器 就叫做“氧弹式量热计”

高位发热值（Qgr）

是在常压下

燃料在空气中完全燃烧时 所放出的热量

而低位发热值呢（Qnet）

是常压下

高位发热值 减去煤样中水以及燃烧时

生成的水的蒸发潜热后的这个热值

实际上 它是

燃料在锅炉运行中的有效发热量

在上述三种发热量中

由于弹筒发热量（Qb）

是在纯氧环境下燃烧的热值

故 燃烧完全

其数值最大

高位发热量 是在空气环境中燃烧时的发热量

故其数值 小于弹筒发热量

因此

高位发热量（Qgr）次之

低位发热量（Qnet）最小

由于常规锅炉 还难以利用燃料燃烧后

产生的水蒸气潜热

因此 锅炉效率常以低位发热量为基准进行计算

下面 我将介绍一个重要的概念

标准煤 简称“标煤”

在建筑和工业等领域

所采用的燃料种类繁多

不同种类 难以直接 直观地比较

它们的消耗量

因此 为统一计算和评价能源的消耗量

采用了“标煤”这个概念

在GB/T 3715中 给出了这样的规定

收到基（ar）低位发热量（net）为

7000 kcal/kg 也即29.27MJ/kg的燃料

则折合1kg标煤

那么 据此就可以将不同品质

不同类型的燃料 统一折算为标煤

进而统计燃料的消耗量

使得所有能源 都具有了统一的统计和比较基准

这里给出了一般燃料

如褐煤 烟煤 无烟煤 燃油等液体燃料

天然气等气体燃料的热值范围

大家可以发现

1标准立方米天然气的热值 略大于1kg标煤

燃料 在锅炉中通过燃烧产生热量

从而加热给水

因此

了解锅炉中的燃烧反应 至关重要

下面我们来看看 燃料的燃烧反应

煤中可燃元素的燃烧反应 应是燃烧计算的基础

这里给出了 煤中3种可燃元素

完全燃烧的化学反应方程式

可见

C S H的燃烧反应 都是放热反应

即在燃烧过程中 都将释放出大量的热量

这些热量正是我们需要利用的热量

在燃烧反应的计算过程中

需要给定燃料的成分和燃烧时的环境条件

如 大气压力和进口空气的温度等

此外

还进行了如下假设

（第一） 所有气体都被认为是理想气体

第二 假定各种可燃物都能完全燃烧

（第三） 忽略空气中的稀有气体成分

认为空气只是由氮气和氧气组成

对燃烧反应的计算

是锅炉热力计算的基础

其主要用途在于

第一 计算燃料燃烧的发热量

第二 计算供氧量

并折算成空气供应量

在供氧量计算时 还需要注意

煤中还含有一定的氧

这部分氧气称为燃烧的 “自供氧”

第三 是传热计算

为受热面的结构和面积设计 提供基础数据

燃料燃烧需要氧气

其氧气的主要来源是空气

因此

计算燃烧反应时

需要确定使燃料充分燃烧的空气需要量

我们把每1kg收到基燃料完全燃烧时

所需外界供应的理论空气量（Nm3）

叫做 理论空气量V0

这里给出了 它的计算公式

其中

1.866 表示在标准工况下

1kg碳完全燃烧所需的氧气量

即22.4/12=1.866Nm3

同理 可以得到H S完全燃烧所需的氧气量

公式中最后一项中的0.7 是自供氧系数

表示1kg收到基的燃料中（已）含有的氧气量

前面的负号表示

需从前面各项需氧量的计算结果中

减去这部分已经拥有的氧气量

为使燃料完全燃烧

实际送入的空气量Vk 总是大于理论空气量V0的

超过的部分 为“过量空气量”

常用“过量空气系数α”来描述

过量空气系数 定义为 实际空气量

和理论空气量的比值

它是一个≥1的数据

在实际工程中

我们可以 通过烟气中的氧含量大小

来估算 过量空气系数的大小

它等于21与（21-O2）的比值

式中

21% 表示空气中的氧气含量

O2 读作 排烟含氧量

它表示 烟气中的过量氧气含量的百分比

对于不同的燃料种类 燃烧方式和燃烧设备而言

过量空气系数 都存在有最佳值

例如

燃煤链条炉的最佳过量空气系数 α=1.3~1.5

燃油 燃气锅炉的最佳过量空气系数 α=1.1

煤炭 是我国的主要能源

煤炭燃烧 产生的CO2排放量巨大

众所周知

CO2是温室气体

降低CO2的排放 已经是全球人类的使命

目前

截止到2015年 我国的碳排放总量

已经超过100亿吨

2015年时

中国政府签署了《巴黎协定》

并积极应对气候变化

其主要任务是

在本世纪内

实现较工业化前的地球温升不超过2K

并争取控制在1.5K以内

按照《巴黎协定》的总体要求

需要在2050年时 全球的CO2排放总量

少于150亿吨

按照人口平均分摊的话

我国的CO2排放总量 应控制在35亿吨以下/年

那么

我国在2050年 还能使用多少亿吨标准煤呢

标煤和CO2的排放量之间

存在有一定的换算关系

按照化学分子式来看

C的分子量为 12

CO2的分子量为 44

说明 1tce煤折合3.67tce二氧化碳

但 标煤中并不是完全都是C

通常 采用碳排放系数将标煤折算为纯C

例如 碳排放系数为α

那就是说

1tce煤 相当于α吨C

不同国家 都给出了碳排放系数的推荐值

（我国）国家发改委给出的推荐值为0.67

日本为 0.68

美国为 0.69

在计算碳排放量时

我国目前采用的碳排放系数为 0.68

按照这样的方法

将碳排放量 折算成可使用的标煤

那么

截止到2050年

我国 仅有每年14亿吨标煤的用能限额

在建筑用能中 将小于4亿吨标煤

因此 我国的减排任务 十分艰巨

我们必须（通过）能源革命

彻底改变能源结构

大力发展和使用可再生能源 核能等清洁能源

科学 高效地应用能源

这正是 我们这一代人的艰巨使命