第二章　燃料

第二章　燃料 本章要求：熟悉固态燃料（煤）、液体燃料（石油产品）、气态燃料（天然气、人工煤气）等碳氢燃料的物理化学性质及使用性质。

§2－1　煤 • 煤的种类及化学组成 • 煤的分析 • 煤的使用性质 • 煤水桨 • 煤的气化

煤的种类及化学组成 • 煤的形成与种类　　煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。植物质的堆积阶段菌解作用阶段碳化作用阶段　　在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。

煤的种类及化学组成 • 煤的化学组成　　煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主要的化学成分有： C、H、O、N、S、 A（灰分）及W（水分）惰性质可燃质

C：可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此时每千克纯碳可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为9270kJ H：可燃元素。发热量最高，每千克氢燃烧后的低热值为120370kJ（约为纯碳发热量的4倍），含量较少，在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约5%。在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一起的，叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算发热量和理论空气量时，以有效氢为准。 O　和　N：　　不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。 S：三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫可燃烧放热，但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ。硫燃烧后生成SO2、SO3，它危害人体，污染大气并可形成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。

煤的种类及化学组成

煤的分析 • 组成元素分析 • 工业分析煤的分类和表述取决于由化学分析得出的结果。煤的化学分析分两类：

煤的分析 • 煤的组成元素分析把煤用C、H、O、N、S、W、A中全部或部分组分的质量百分数表示，构成煤的成分：应用基成分、分析基成分干燥基成分、可燃基成分

煤的组成元素分析

煤的分析 • 煤的工业分析(实用分析、技术分析) 测定水分、挥发分、灰分、固定碳、硫分的百分比及发热量。只测前四项称为半工业分析。

煤的分析 • 煤的工业分析水分　挥发分　灰分　固定碳将煤样加热到110°时所失去的重量隔绝空气继续加热到850°时所失去的重量通入空气燃烧后剩下的为灰分，失去的为固定碳

煤的使用性质 • 煤的发热量 • 煤的粘结性与结焦性 • 煤的反应性与可燃性

煤的使用性质 • 　煤的发热量（热值）： 1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热即发热量，单位kJ/kg。低热值:即不包括水蒸气凝结成水时的冷凝热　　发热量可以用氧弹式量热计直接测定，也可以根据元素分析值近似计算：

煤的使用性质 • 　煤的发热量（热值）：一般煤中含碳量为85%时，发热量最大。

煤的使用性质 • 　煤的粘结性与结焦性：煤的粘结性：结焦性好的自然粘结性好，但粘结性好不一定结焦性好。如有的煤粘结性好，能结焦，但焦炭裂缝多、强度差，其结焦性并不好。粘结性好坏主要取决于煤中所含沥青质的多少。　　粉碎后的煤在隔绝空气情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结成焦块的性质。煤的结焦性：　　粉碎后的煤在隔绝空气受热后生成优质焦炭的性质。

煤的使用性质 • 　煤的反应性与可燃性：煤的反应性：煤的可燃性：

煤水桨 　　煤水桨是高浓度的煤粉颗粒悬浮在水中的混合物，是以煤代油的技术手段。一般煤的含量为50~70%。

煤的气化 　　煤与空气、氢气、氧气、蒸汽及二氧化碳中的一种或几种的混合物的化学反应得出的气态产物，即煤气，这一过程称为煤的气化过程。

§2－2　液态燃料 • 液态燃料的化学组成 • 液态燃料的理化性质 • 各种液态燃油　　这里讨论的液态燃料为天然石油产品生产的液态燃料及其有关特性。

液态燃料的化学组成 • 烷烃 • 烯烃 • 环烷烃 • 芳香烃　　石油产品主要由以下四类碳氢化合物组成：

液态燃料的化学组成 • 烷烃分子通式：C n H 2n+2　（饱和烃）液体燃油中的烷烃：C 3~ C 15 分子结构（庚烷）：

液态燃料的化学组成 • 烯烃分子通式：C n H 2n　（不饱和烃）分子结构（丙烯）：

液态燃料的化学组成 • 环烷烃分子通式：C n H 2n　（饱和烃）分子结构（环丙烷）：

液态燃料的化学组成 • 芳香烃单环芳香烃分子式：C n H 2n-6　（不饱和烃）分子结构（苯）：

烷烃： 具有较高的氢/碳比，密度较低，重量热值高，热安定性好。燃烧时没有冒烟及积炭。烯烃：其化学稳定性和热安定性比烷烃差。在高温和催化作用下，容易转化成芳香族碳氢化合物。一般原油中含烯烃并不多，烯烃通常是由裂解过程产生的。直接分馏法得出的石油产品中含烯烃不多，在裂解法得出的油中，烯烃可以多到25%。环烷烃：是饱和的，分子结构中碳原子形成环状结构（而不是链状结构）。在分馏油中环烷烃的量和烷烃差不多。在化学稳定性、重量热值和冒烟积碳的倾向性几方面和烷烃很相似。芳香烃：环状结构，含有一个或多个碳原子的环状结构，虽然在结构上与环烷烃有点类似，但它含氢量少，因而其重量热值比环烷烃低得多。芳香烃的主要缺点是冒烟积碳的倾向很高，吸湿性高，所以当燃油处于低温时容易导致冰结晶的沉积。芳香烃对橡胶制品有很强的溶解能力。

液态燃料的理化性质 • 　相对密度 • 　粘度 • 　热值 • 　馏程与沸点 • 　闪点与自燃着火温度 • 　贫、富油熄火极限 • 　凝固点 • 　生炭性

液态燃料的理化性质 • 　相对密度　　在t℃时的油与4℃时的水的密度之比，称为该油的相对密度，在数值上等于该油在t℃的密度。相对密度是烃类燃料的一个很重要的物性参数，其大小可以大致地说明燃料碳/氢比、热值以及生成烟的倾向。为标准相对密度温度修正系数

液态燃料的理化性质 • 　相对密度

液态燃料的理化性质 • 　粘度燃油的粘度是衡量燃油流动阻力的一项指标，粘度愈低，流动性愈好。粘度大小直接影响对燃油的输送与雾化，与组分有关。　　在流体中，两个面积为1cm2相距1cm的两层液面，以1cm/s的相对速度运动时，液面间产生的内摩擦力即为动力粘度。单位：Pa•s 动力粘度：恩氏粘度是一种条件粘度。即用某种粘度计在规定的条件下测量的粘度。美国使用赛氏粘度，英国使用雷氏粘度。运动粘度：　在实验温度条件下，200ml试验油从粘度计里流出的时间与20℃的200ml蒸馏水流出的时间之比。恩氏粘度°E：

液态燃料的理化性质 • 　有关粘度的一些结论 • 　相同温度下运动粘度υ与恩氏粘度E之间的换算关系为 • 粘度主要取决于燃料中所含碳氢化合物的组成（粘度依如下次序降低：多环环烷烃、环烷烃、芳香烃、烷烃）　 • 　粘度随温度升高而降低 • 　粘度随压力升高而变大（压力较低时可以不计影响）

液态燃料的理化性质 • 　热值

液态燃料的理化性质 • 　馏程与沸点　　馏程是指馏分的温度范围。燃油的馏程决定了燃料物理性质与燃烧性质，决定了每吨原油可产该种燃油的产出率。加宽馏程可以增大产出率，但燃料的性质发生了变化。馏程：　　燃油是混合物，所以没有单一的沸点，常用50%馏点温度来表征燃油的沸点，常压下的中馏点又称正常沸点。沸点：

石油气 冷凝器直馏汽油蒸馏塔煤油加热炉（常压）轻柴油油泵原油重柴油常压重油直馏法：常压下直接对石油加热（300～325℃）分馏，石油中各馏分按其沸点高低先后馏出，最先馏出是汽油（沸点40～180℃），然后依次为重汽油（沸点120～230℃）、煤油（150～300℃）、柴油（200～350℃），剩下沸点高的重质油则从分馏塔塔底排出，称为常压重油。直馏流程图

减压蒸馏法：高沸点的常压重油加热到400°C以上可以继续分馏出各种重油来。根据气压下降、沸点下降的原理，一般采用减压蒸馏的办法，在0.01MPa以下时，重油中烃的沸点可降低200 °C，这样原来沸点约700 ℃以下的各种烃都可分馏出来。重柴油减压蒸馏塔各种蜡油常压重油加热炉（减压）油泵重油减压蒸馏流程图

液态燃料的理化性质 • 　闪点与自燃着火温度闪点：　　油加热到一定温度会挥发出油蒸气。在大气压力下，用火焰在油面上掠过，油面出现短促的兰色闪光的最低温度，称为闪点。闪点与饱和蒸气压有关，饱和蒸气压高的油，闪点低，发生火灾的可能也就越大。

液态燃料的理化性质 • 　闪点与自燃着火温度自燃着火温度：　　自燃着火温度是在没有外界点火源时完全由加热使燃油温度升高而使燃油自动着火的温度。自燃着火温度比闪点高得多。燃点：当燃油加热到此温度后，已汽化的油汽遇到明火能着火持续燃烧（不少于五秒钟）的最低温度。燃点高于闪点10~30°C

液态燃料的理化性质 • 　贫、富油熄火极限　　可燃物（如燃油蒸气）与空气混合，只能在一定浓度范围内才能进行燃烧，超过这个浓度范围（太稀或太浓）就燃不起来。在这个浓度范围内，火焰一旦引发，就可以从点火源扩展出去，只要浓度合适，可以无限地传播下去。通常定义一个富燃极限一个贫燃极限（亦叫富油、贫油极限）。

液态燃料的理化性质 • 　凝固点　　凝固点是指当温度降低到某一值时，燃油变得很稠，以致使盛有燃油的器皿倾斜45°时，其中燃油油面在一分钟内可保持不动。油的凝固点与它的组成有关，一般重质油较高，轻质油较低，如重油凝固点为15～36°C，而柴油在－35～20°C之间。

液态燃料的理化性质 • 　生炭性　燃料的生碳性表明在燃烧室中燃烧时生成烟粒子的倾向。　　生碳性高则排气冒烟多，燃烧区烟粒子浓度高，引起火焰辐射黑度高，辐射传热高，室壁温高，引起火焰筒变形和裂纹，缩短火焰筒寿命；生碳性高还容易引起室壁积碳和喷嘴积碳，后者会影响到燃油的雾化质量，造成燃烧效率下降，出口温度分布不好，甚至燃烧不稳定。生碳性与燃料的性质密切相关，如比重、馏程、粘度、芳香烃含量、碳氢比等。燃料的生碳性是燃料性质与组成影响燃烧性能与燃烧室寿命的最明显的例子。

各种液态燃油 馏分油基本上是不含灰，没有杂质，可直接使用。

§2－3　气态燃料

§2－3　气态燃料 • 天然气组成：碳氢化合物、硫化氢、氮气及二氧化碳等。种类：气田煤气、油田煤气（伴生气）热值：

§2－3　气态燃料 • 天然气

§2－3　气态燃料 • 人造煤气高炉煤气：　　炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其体积百分含量约为20%~30%。气体中含有大量惰性气体N2，其体积百分含量占60%左右，含尘也很高，使用前要净化，发热量较低

§2－3　气态燃料 • 人造煤气发生炉煤气：　　在煤气发生炉中人工造气，煤在空气不足的条件下燃烧，气化生成CO，CO和N2的体积百分含量与高炉煤气接近，H2约占10%，其发热量比高炉煤气高些　　在煤气发生炉中若用水蒸汽与炽热的煤反应，则可产生水煤气。

§2－3　气态燃料 • 人造煤气炼焦煤气：　　炼焦炉的副产品，炼焦过程用少量空气使煤受热析出挥发分，主要气体成分为（50%~60%）和CH4(20%)，含N2很少。其发热量较高（　　　　　），称为中热值煤气。

第二章 燃料