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。 　　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 特点 泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤 质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分熔点很低 　　质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分熔点很低 褐煤 　　密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少，挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强，在空气中易风化和破碎 烟煤 　　挥发分少，密度较大，吸水性小，含碳量增加，氢和氧的含量较低。烟煤是工业上的主要燃料，也是化学工业的重要原料。烟煤的最大特点是具有粘结性，因此是炼焦的主要原料 无烟煤 　　密度大，含碳量高，挥发分极少，组织密实、坚硬、吸水性小。缺点是可燃性差，不易着火，但发热量大，灰分少，含硫低

煤的种类及化学组成 煤的化学组成 惰性质 可燃质 煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主要的化学成分有： 　　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） 可燃质 惰性质

元素 描述 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 　　氧和氮都是不可燃成分。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%。 N 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。 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。

元素 描述 A 　　灰分是指煤中所含矿物质在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物。来源有两个，一是煤化过程中由土壤等外界带入的矿物质，称为外来灰分；另一种灰分是原来成煤植物中固有的，称为内在灰分。灰分的存在不仅使燃料发热量减少，而且影响燃料的着火与燃烧。 　　在工业上解决灰分的方法大体是： 　（1）在入炉前减少煤中灰分，采用洗煤。 　（2）在燃烧过程中排渣（液体排渣）或在燃烧之后的排气中除尘（固体除尘）。 W 　　水分是燃烧中无用的成分。煤中水分包括两部分： 　（1）外部水分或湿水分，附在煤表面的水分，与大气温度有关。把煤磨碎后在大气中自然干燥到风干状态，这部分水分就可除去； 　（2）内在水分，煤达到风干状态后所残留的水分，包括被煤吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物质中的结晶水。内在水分只有在高温分解时才能除掉。通常作分析计算和燃烧评价时所说的水分就是指这部分水。

煤的种类及化学组成

煤的分析 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： 组成元素分析 工业分析

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 应用基成分 y 分析基成分f 干燥基成分g 可燃基成分r C H O N S A WNZ WWZ W

煤的组成元素分析 煤的成分 表示法 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 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。 　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）： 煤 低热值( ) 泥煤 8380~10500 褐煤 10500~16700 烟煤 20900~25100 　煤的发热量（热值）： 煤 低热值( ) 泥煤 8380~10500 褐煤 10500~16700 烟煤 长焰煤 20900~25100 贫煤 25100~29300 无烟煤 一般煤中含碳量为85%时，发热量最大。 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： 煤的结焦性： 　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。 结焦性好的自然粘结性如，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。 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 　　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 液态燃料的理化性质 各种液态燃油

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

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）：

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。 种类 特性 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 是环状结构，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。 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

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。 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 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。 4℃时的纯水的密度为1t/m3 温度修正系数

液态燃料的理化性质 相对密度 油种 相对密度 车用汽油 0.712~0.731 航空汽油 0.730~0.750 宽馏分组分 0.755 　相对密度 油种 相对密度 车用汽油 0.712~0.731 航空汽油 0.730~0.750 宽馏分组分 0.755 航空煤油 0.780~0.820 柴油 0.831~0.862 重油 0.94~0.98

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。 　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： 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。 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。 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 　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 油品 低热值（ ） 航空汽油 ＞43100 航空煤油 ＞42900 柴油 ~42500 重油 　热值 油品 低热值（　　　　） 航空汽油 ＞43100 航空煤油 ＞42900 柴油 ~42500 重油 39800~41900

液态燃料的理化性质 馏程与沸点 馏程： 沸点： 　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：

直馏流程图 石油气 冷 凝 器 直馏汽油 蒸 煤油 馏 塔 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。 蒸 馏 塔 冷 凝 器 石油气 直馏汽油 加热炉 （常压） 油泵 原油 煤油 轻柴油 重柴油 常压重油 直馏法：常压下直接对石油加热（300~325°C）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。 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 °C以下的各种烃都可分馏出来。 直馏流程图

减压蒸馏流程图 重柴油 减 压 蒸 馏 塔 各种蜡油 常压重油 加热炉 油泵 （减压） 重油 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 直馏法：常压下直接对石油加热（300~325°C）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。 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 °C以下的各种烃都可分馏出来。 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： 　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。 油品 闪点(°C) 汽油 ＜－20~30 煤油 >20~30 柴油 >50~90 重油 >80~130 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： 　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。

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。 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 名称 气体组分  气田煤气 油田煤气 Kg/Nm3 Q kJ/Nm3 90 6.5 - 0.5 3.0 §2－3　气态燃料 天然气 名称 气体组分  Kg/Nm3 Q kJ/Nm3 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 H2 H2S CO2 N2 气田煤气 90 6.5 - 0.5 3.0 0.6~ 0.64 37700 97.2 0.7 0.2 0.1 1.0 油田煤气 88.59 6.06 2.02 1.54 0.06 0.07 1.46 0.8166 39300

§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。

§2－3　气态燃料 气态燃料的成分 　　气态燃料一般由气体混合组成，其中主要成分为一氧化碳、氢、甲烷等。除此之外，气态燃料中经常还含有其他气体成分，如二氧化碳、氮气、水蒸气、氧气等 气态燃料中所含的水蒸气在常温下都等于该温度下饱和蒸气量，这样当温度变化时，气体中饱和蒸气量也随之变化，因而气态燃料的湿成分（百分组成）也出现变化。用气态燃料的干成分来表示其化学组成则可排除这种影响。进行燃烧计算时要用气态燃料的湿成分来算（这是真正投入燃烧的），这时应依据当时的温度，根据该温度下饱和水蒸气含量由干成分换算成湿成分。 湿成分： 气态燃料中包括水蒸气在内的成分 指气态燃料中已经不包括水蒸气的成分 干成分：

§2－3　气态燃料 气态燃料的热值 　气态燃料的发热量可以由量热计测量，也可以根据化学成分计算。计算公式如下：

§2－3 气态燃料 Wobbe指数 Wobbe = Q/ρ §2－3　气态燃料 Wobbe指数 Wobbe = Q/ρ 　　相应于一定尺寸的气体燃料喷嘴所能通过的能量。对于一个给定的气体燃料系统，这个值只能在相对于设计值偏差5%范围内正常工作，否则要重新设计气体燃料系统。