回转窑燃料的燃烧分析

一、燃烧

所谓燃烧，是指可燃物质与氧化合，并同时放出光和热的现象。亦可称之为燃烧反应。

燃烧是一个化学变化的过程。在这个变化过程中，能够使物质产生燃烧的基本条件是：可燃物（燃料），助燃物（氧气），着火点（着火温度，火种）。       

燃料燃烧的前提条件是着火。而着火是指，促使可燃混合物达到某一温度时，混合物能够自动着火并达到燃烧状态。亦可称为“自然着火”。

当可燃混合物的化学反应可以自动加速而到达自然着火时，从燃烧开始的瞬间进入到燃烧发展过程时的温度。通常被称之为燃料的着火温度。

当燃料与氧化剂均匀混合后，从开始产生化学反应到温度升高，达到激烈的燃烧反应之前的过程被称之为燃料的着火过程。这个着火的过程，是由缓慢的氧化反应转变到猛烈的氧化反应的发展过程。

将燃料在空气存在的条件下进行加热，在不使用点火源点火而开始燃烧时的最低温度。被称为该燃料的自燃点，而在使用点火源点火，开始燃烧时的最低温度则被称为该燃料的燃点。

焦炉煤气是一种大型冶炼工业生产中常见的，使用广泛的气体燃料。它与其它气体燃料一样，是由若干种成份单位所组成的混合气体。如：CO （一氧化碳），H₂（氢），CH₄（甲垸），O₂（氧气）， N₂（氮气）， CO₂（二氧化碳）， CmHn （碳氢化合物）等。

CH₄：属于无色气体。微有臭味，难容于水，火焰呈微弱亮光。

分子量：   16.04

比重：   0.175

热值：   8530大卡/m³

着火温度：650～750℃

爆炸范围：4.4～15%，

H₂：无色无臭气体，难容于水。

分子量：   2.016

比重：   0.899

热值：   2570大卡/m³

着火温度：580～590℃

爆炸范围：4.2～7.4%

其中，可燃成份主要是H₂和CmHn。它们的燃烧方程式为：

2H₂ + O₂ = 2H₂O  

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O  

CHm + （N+m/4）O₂ = NCO₂+ m/2H₂O。

在此之中，煤气中不可燃的成份有：O₂、N₂、CO₂。而对燃烧不利的成份则为：N₂、CO₂.。

凡是气体燃料在使用过程中往往都具有：燃烧爆炸性，扩散性，压缩和膨胀性，带电性，毒害性和腐蚀性等特性。

燃料发生燃烧的过程一般可分为：混合，着火，燃烧三个基本阶段。其中，以气体燃料的燃烧最具有这一过程的代表性。

所谓完全燃烧：是指燃料中的可燃元素成份与氧结合后，因燃烧变化而生成了CO₂（二氧化碳）， SO₂（二氧化硫）和H₂O（水蒸气）等新的物质并不再有可燃物质存在时。若燃烧产物中还存在有可燃物质，即燃料中的可燃物质未能与氧结合并完成燃烧反应的状态则被称之为不完全燃烧。

造成燃料燃烧过程不完全燃烧的因素一般有，机械不完全燃烧：由机械带出和漏损等原因造成燃料损失。化学不完全燃烧：由于空气不足或燃料与空气混合不好，使燃烧反应未完全进行，在燃烧产物中存有少量的可燃成分两种状态。

当燃料的可燃分子与氧化剂分子相接触，在一定的温度环境和浓度条件下，发生燃烧反应并放出一定的热量的现象被称之为燃烧现象。

O₂为无色无臭气体。

分子量：32

比重：1.429

CO₂又称碳酸气。常温状态下为无色、无臭（略有气味）气体，易容于水，空气中的CO₂含量达到25 mg/l时对人体有害，含量达到162 mg/l时即可致人死亡。   

分子量：44.01

比重：1.977

SO₂又称无水亚硫酸或亚硫酸酐。为无色、有刺激气味，不燃烧，常温下4个大气压即可液化的气体。

分子量： 64.07

气体比重：2.3

液体比重：1.5。

       通常决定气体燃料燃烧速度和燃烧程度的主要因素是与空气的混合速度和混合程度。

    气体燃料燃烧过程热平衡的基本内容包括：

   ——燃料的化学热，即燃料的发热量

   ——空气带入的物理热

   ——燃料带入的物理热

   ——燃烧产物得到的物理热

   ——燃烧产物传给周围介质的热量

   ——由于不完全燃烧损失的热量

   ——由于燃烧产物中某些气体在高温下热分解反应消耗的热量

       影响燃烧速度的主要矛盾不是燃料本身的反应，而是煤气与空气的混合以及混合以后，可燃气体被加热的升温速度。将空气与煤气的预热，对提高燃烧速度和煤气的充分燃烧都是很有益的。

气体燃料的燃烧状态，一般可分为动力燃烧状态和扩散燃烧状态。

动力燃烧状态，亦可称为无焰燃烧或预混合燃烧状态。它是指：燃料（煤气），空气在进入燃烧室（窑内）或烧嘴以前，预先进行了混合。当通过烧嘴喷出时便直接开始产生燃烧。这一燃烧状态的速度极快，喷出烧嘴后，便会很快完成燃烧。这一燃烧状态的火焰很短，常常会看不到火焰。

由于动力燃烧状态对煤气与空气的混合存在着压力、预热温度、纯度等方面的要求，在燃烧时，它具有易回火、不易控制、易烧坏烧嘴和易产生爆炸的缺点。因此，常常不被采用。

扩散燃烧状态，亦可称为有焰燃烧状态。它是指：燃料（煤气）、空气在通过烧嘴时，不经过混合。而是以各自的通道，分别通过烧嘴喷出后，边混合边燃烧并形成火焰。这一燃烧状态因受混合因素的影响，火焰长度会相对地较长。

由于扩散燃烧状态在使用时，具有火焰辐射能力强，温度分布均匀，火焰状态可以调整。煤气压力可低值使用，纯度质量要求不高，不易发生回火等特点。在回转窑和其它窑炉上得到了普遍地采用。

与此同时，燃料（特别是煤气）在燃烧时，存在着需要大于燃料本身数倍的助燃空气进行混合帮助燃烧时，因燃料或空气的质量因素，需要较大的燃烧空间。因空气系统（风机）不足或异常时，易产生燃烧不完全，回火燃烧和爆炸的缺点。

总之，扩散燃烧的特点及缺点的关键表现是：燃料（煤气）与空气的混合质量，即混合程度和混合速度。混合程度决定燃烧的完全程度，混合速度决定燃烧速度。

由于燃烧反应比混合过程快，燃料与空气的混合程度和混合速度（助燃空气的配比量、被加热的温度），决定了燃烧的速度和燃烧的完全程度。

对气体燃料（主要指焦炉煤气）的燃烧过程而言，获得迅速、完全、热利用率高的基本方法是：

a、与空气形成分子状完全混合。这是保证燃烧开始的首要条件。

b、在高温环境中进行燃烧。高温环境能够加速燃烧反应，着火容易，能够保证燃烧过程的稳定。

c、形成较大的火焰传播效果。扩大火焰前焰面，着火前，混合体的预热是发生在离开火焰前焰面极近的距离内。扩大前焰面能够加快预热速度，产生迅速着火。

d、   保证实现燃料燃烧过程的持续和稳定。获得高温状态下燃料与空气可持续混合的环境。

二、空气与燃烧

促成燃料产生燃烧和完成燃烧的因素很多。但是，能够影响燃料产生和完成燃烧及产生燃烧温度的重要因素之一，是空气的存在和使用。

空气是指：由占78 ％的N₂（氮气）和21 ％的O₂（氧气）为主要成份，以及少量的CO₂（二氧化碳），SO₂（二氧化硫）等分子组成的，密度（比重）为1.29 kg/m³的混合气体。在它们当中，N₂（氮气）是一种惰性气体，是不具备助燃条件的。而真正具有助燃效率的成份是O₂（氧气）。

这也就是说，所谓的助燃空气，在实际意义上指的是空气中的O₂（氧气）成份。但是，在日常使用过程中，对这一助燃气体的谓称，仍称之为空气。

燃料与空气混合，产生燃烧是一个氧化反应过程，燃料必须借助空气才能燃烧。而空气对燃烧的效率，又存在着燃烧的实际温度对被煅烧物质所达到的温度的影响。其中，主要的影响有：

1、燃料的发热值

2、空气和燃料的预热温度

3、富氧空气和氧气的燃烧

4、过剩空气系数。

燃料热值的高低，对燃料燃烧过程所产生的热量的影响是非常大的。而助燃空气对燃料燃烧产生的热量的影响也同样是非常大的。空气参于助燃时必然要带走一定的热量，这时，对助然空气的被加热的程度和在助燃过程中的投入量就必须具有一个明确的要求。因为它将影响着燃料的燃烧质量和热量的有效释放率。

燃料在燃烧过程中，当空气不足时，燃料将产生不完全燃烧。在燃料投入量不缺乏，但空气量缺乏时，一定数量的可燃物质由于缺少了空气的帮助而没有产生燃烧，造成了产出热量的缺乏。这时，燃烧的温度会被降低。反之，当空气过剩时，多余的空气因未能参于助然反而会带走燃烧时所产生的热量，这也同样会降低燃烧温度。因为，在空气成份中78 ％的N₂是不参加燃烧的，但它会被加热而带走热量。因此，过多的空气会消耗或带走有价值的热量。

所以说，在回转窑的操作过程中，如何使用空气，对燃料燃烧效率的影响是很大的。在助燃空气中，我们经常提到的富余空气，就是有关燃烧概念中的过剩空气系数。它是燃料燃烧时所必须的。它是指实际空气用量与理论空气用量之比。是指在燃料燃烧过程中，应供给出比理论空气量较多些的实际空气用量，目的是保征燃料能够的完全燃烧。

但是，不同的燃料在燃烧过程中，由于燃烧方法，燃烧装置的特性和性质的不同以及操作方式的影响，对过剩空气使用的系数要求也是不同的。

例如；气体燃料燃烧时的空气过剩系数为：1.05 ~ 1.2 ％。因为，它与其它种类的燃料相比较，非常容易和空气混合。所以，使用系数较低。

液体燃料燃烧时的空气过剩系数为：1.1 ~ 1.3 ％。

固体燃料燃烧时的空气过剩系数为：1.3 ~ 1.7 ％。

总之，不同的燃料在燃烧时，所需要的过剩空气系数是不同的。这主要是因为，它们在燃烧时与空气混合的难易程度不同所决定的。

燃料的燃烧过程，应该有足能的空气参与燃烧。其目的是，保证燃料能够完全燃烧，释放出有效的热量。同时，也是为了起到控制因空气量不足而产生燃烧不完全时，在废气中产生不应有的CO（一氧化碳）气体（可燃物质）的作用。

       对于煅烧活性石灰的回转窑而言，燃料的燃烧效果，是整个煅烧过程中的重要环节。在燃料燃烧过程中，由于存在着影响实际燃烧温度的主要因素之一，是空气的使用因素，如何供给助燃空气，就显得非常重要了。

那么，如何才能提高燃料燃烧的速度和温度的传播速度呢？这就需要具备以下的燃烧基本条件：

1、有足够的氧气

2、可燃成分与空气中的氧气混合程度高

3、燃料与空气被预热温度高

4、燃料质量好

5、有助燃的催化剂。

        根据回转窑的工作原理，燃烧器的性能，燃料的理化性质，以及燃料燃烧特性的需要。通常将参与助燃的空气，用一次空气和二次空气的分配方式进行输送使用。它们在完成助燃的过程中，又根据燃烧的需要而具有各自的用途和特征。

      一次空气：在回转窑的操作术语中，通常被称之为一次风，它是由特定的机械动力设备，一次空气风机强制产生流动空气。一次风经过烧嘴装置上设置的通道，送出常温空气。在烧嘴的出口处，与燃料发生混合。它的目的是帮助形成火焰形状，并使燃料与空气进行混合，产生燃烧，从而促进氧化反应强烈地进行。

在此之中，应该明确的是，一次空气在回转窑上的主要作用是：帮助燃料在燃烧过程中，形成理想的火焰形状，这是能对燃烧效果产生影响，尤为重要的因素之一。

       二次空气：在回转窑的操作术语中，通常被称之为二次风。在石灰回转窑上，它是由机械力，二次空气风机强制产生的流动空气。它的作用是：对煅烧后的熟料进行强制穿透，快速冷却。同时，通过热量转换，完成对自身的加热后，进入窑内，为燃料充分燃烧，提供足够的燃烧空气。

       回转窑煅烧活性石灰的热量来源，在以气体燃料（焦炉煤气或混合煤气）为能源介质时。空气的使用原则是：为了利于燃烧，一般以温度较高的二次空气为主体，一次空气则较少。

理论概念上的总空气量中，决定一次空气分配关系的重要因素是燃烧器（烧嘴）的性能。随着设备性能的改进，对一次空气的使用已从占总空气量的15—20%下降到6 %左右。二次空气则占有较大比例。

但是，在实际操作理念上，这不应是绝对的。例如，对一次空气的使用原则，应根据烧嘴装置的设计特点、使用效果、燃料特性、火焰形状、煅烧状态等综合性因素，进行调配供给。

总之，对一次空气的使用，在以气体燃料为能源时，在以帮助形成火焰形状的基础上，应该以最少的用量，形成有效的火焰形状为原则。

三、热量换算

任何一个种类燃料在燃烧过程中，都会产生和释放出不同的热量。在对这些热量的使用或认识中，往往会取其使用某一单位量，来反应或表示热量的指数。如：卡、大卡、千卡、焦耳、千焦等。

但是，在对热量的认识上，特别是在使用过程中，为了形成一个统一规范的热量使用单位，通常都要将各种单位的热量经过换算后，用一个统一的单位表现出来。这个单位就是：吉焦单位。

热量单位换算式：根据理论计算结果得知：

1（kcal）卡、大卡、千卡的热量 = 4.18（MJ）焦耳

1吉焦 = 10⁹（MJ）焦耳 = 10⁶（kM）千焦

1 kcal = 1×4.18 = 1×4.18÷10⁶= 0.0000041吉焦

例如：当某一燃料的低发热值为4000 kcal / m³时，

则：4000×4.18 = 4000×4.18÷10⁶ = 0.01627吉焦 / m³

由此而产生的热量换算关系：吉焦÷ 0.01627 = x m³

m³ × 0.01627 = x吉焦