3.5　燃料的發(fā)熱量

作為燃料，單位質(zhì)量（1kg）或單位體積（1m³）燃料燃燒后能放出的熱量是一個非常重要的特征，因?yàn)檫@將直接涉及燃料消耗量的高低和存儲燃料所需要空間，對運(yùn)輸式動力裝置（如船舶和飛機(jī)動力裝置）這還涉及續(xù)航力。為此提出了燃料發(fā)熱量的概念。

燃料的發(fā)熱量（又稱熱值），是指在某一溫度下（通常燃料的發(fā)熱量是在15～25℃下測定的），1kg液體（或固體）燃料或1m³氣體燃料，在與外界無機(jī)械功交換條件下，完全燃燒后，再冷卻至原溫度時所釋放的熱量，其單位相應(yīng)為kJ/kg或kJ/m³。由于燃燒產(chǎn)物的焓與溫度有關(guān)，故燃燒發(fā)熱量與測定時的溫度有關(guān)，但在工程計算中常忽略了這一影響。燃料的組成可表示成各種基，顯然對應(yīng)不同基燃料的發(fā)熱量是不同的，在計算中應(yīng)加區(qū)別。

燃料發(fā)熱量的高低決定于燃料中含有可燃物質(zhì)的多少。但是，固體燃料和液體燃料的發(fā)熱量并不等于各可燃物質(zhì)組成（碳、氫、硫等）發(fā)熱量的代數(shù)和，因它們不是這些元素的機(jī)械混合物，而是具有極其復(fù)雜的化合關(guān)系，所以難于導(dǎo)出理論公式來進(jìn)行計算。目前，可靠地確定燃料發(fā)熱量的辦法是依靠實(shí)驗(yàn)測定。

氣體燃料因?yàn)槭怯梢恍┚哂歇?dú)立化學(xué)特性的單一可燃?xì)怏w所組成，而每種單一可燃?xì)怏w的發(fā)熱量可以精確地測定，因此氣體燃料的發(fā)熱量可以按每種單一可燃?xì)怏w組成的發(fā)熱量計算后相加起來。

各種液體燃料的發(fā)熱量相差不多，都在41900kJ/kg左右，而氣體燃料和固體燃料的發(fā)熱量則隨燃料品種的不同而不同。一般來說，天然氣的發(fā)熱量較高，而人造氣體燃料中由于不可燃組分較多，發(fā)熱量較低，且其組成隨制氣工藝過程的不同而不同，因而發(fā)熱量數(shù)值亦有很大的差別。固體燃料的發(fā)熱量隨著碳化程度的加深而增加，當(dāng)含碳量為87%左右時，發(fā)熱量達(dá)到最大值，以后則開始下降。無煙煤的發(fā)熱量較煙煤為低，這是因?yàn)闊o煙煤中含碳量高、含氫量低，而氫的發(fā)熱量約為碳的4.5倍。

在實(shí)驗(yàn)條件下測定發(fā)熱量時，燃燒產(chǎn)物最終被冷卻至實(shí)驗(yàn)溫度，這時燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣將凝結(jié)為水，而將汽化潛熱釋放出來，由此而測定的發(fā)熱量稱為燃料高位發(fā)熱量Q_gw。燃料的高位發(fā)熱量是燃料實(shí)際最大可能發(fā)熱量，但在實(shí)際燃燒裝置中，燃燒后所產(chǎn)生的煙氣排出裝置的溫度仍相當(dāng)高，一般都超過100℃，而水蒸氣在燃燒產(chǎn)物中的分壓力又遠(yuǎn)低于大氣壓力，這時燃燒反應(yīng)生成的水蒸氣不能凝結(jié)為水，仍處于氣體狀態(tài)，因此就不能放出水的汽化潛熱，燃料的實(shí)際放熱量就將減少。考慮到上述情況，從燃料高位發(fā)熱量中扣除汽化潛熱后所凈得的發(fā)熱量，就是所謂的燃料低位發(fā)熱量Q_dw。在實(shí)際應(yīng)用中都使用Q_dw。

在已知燃料燃燒產(chǎn)物的水蒸氣含量時，即可由Q_gw求出Q_dw。以煤為例，對于各種基的固體燃料的Q_gw與Q_dw之間的換算分別如下。

（1）按應(yīng)用基

　　        （3-94）

式中　——燃料應(yīng)用基低位發(fā)熱量，kJ/kg；

——燃料應(yīng)用基高位發(fā)熱量，kJ/kg；

        2512——水的汽化潛熱，kJ/kg；

——1kg應(yīng)用基燃料燃燒產(chǎn)物中所含水蒸氣量，kg。

（2）按分析基

　　        （3-95）

（3）按干燥基和可燃基

由于不含水分，但含有燃燒后可生成水的氫，故有：

　　        （3-96）

　　        （3-97）

式中　226H^g——對應(yīng)干燥基1kg燃料中所含氫燃燒后生成水蒸氣的凝結(jié)放熱；

        226H^r——對應(yīng)可燃基1kg燃料中所含氫燃燒后生成水蒸氣的凝結(jié)放熱。

對液體和氣體燃料亦可根據(jù)低位發(fā)熱量的定義導(dǎo)出高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量之間的關(guān)系。

由于各種燃料的發(fā)熱量差別很大，即使同一煤種也會因水分和灰分的變動而變動，為了便于比較燃用不同燃料的燃燒裝置的燃料消耗量，也為了統(tǒng)計部門便于計量，故提出了一種能源標(biāo)準(zhǔn)計量單位——標(biāo)準(zhǔn)煤。其定義為：以進(jìn)入燃燒裝置的燃料為準(zhǔn)（例如對煤即應(yīng)用基），每放出29300kJ（即7000kcal）熱量（按低位發(fā)熱量計算）折算為1kg標(biāo)準(zhǔn)煤。如燃料的消耗量為B，可把各種實(shí)際燃料消耗量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量。

　　        （3-98）

式中　B_BI——標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，kg；

        B——實(shí)際燃燒消耗量；

        ——該燃料的發(fā)熱當(dāng)量，相當(dāng)于一折合系數(shù)。

固體燃料的發(fā)熱量用氧彈式量熱計測定。其原理是：使煤樣在充滿壓力為2.6～3.3MPa的高壓氧氣密封彈筒內(nèi)完全燃燒，放出的熱量由彈筒外的水吸收，測定水溫的升高，即可計算出煤的發(fā)熱量。由于煤樣為去除外在水分的分析基煤，由此而測定的發(fā)熱量稱為分析基彈筒發(fā)熱量，以表示。由于煤在高壓氧中燃燒時，燃料中的硫和氮都被氧化，并溶于彈筒內(nèi)的水（預(yù)先放入筒內(nèi)的蒸餾水），生成了硫酸和硝酸，且對外放出生成熱和溶解熱，故大于，而：

　　        （3-99）

式中　——燃料分析基高位發(fā)熱量，kJ/kg；

——燃料分析基彈筒發(fā)熱量，kJ/kg；

——由彈筒洗液測出的煤含硫量，含硫量不太高且煤發(fā)熱量不太低時，一般等于分析基全硫S^f；

α——考慮由氮生成硝酸并溶于水時的發(fā)熱系數(shù)，對貧煤、無煙煤α=0.0010，對其他煤種α=0.0015；

94.2——考慮從SO₂生成硫酸溶液時的放熱量系數(shù)。

在作燃料燃燒計算時，常需要應(yīng)用基低位發(fā)熱量或可燃基低位發(fā)熱量等，這就需要進(jìn)行不同基間的換算。

對高位發(fā)熱量，不同基間的換算系數(shù)與燃料成分換算系數(shù)相同。對低位發(fā)熱量不同基間的換算，尚需考慮在不同基時，由于成分中所含水分不同而引起的氣化潛熱差異。例如由換算為時，就需先將它們均折算為相應(yīng)的高位發(fā)熱量，即：

　　        （3-100）

　　        （3-101）

式中　25.12——在常溫、常壓下的水加熱至100℃并汽化所需熱量系數(shù)。

由表2-6查出與之間的換算系數(shù)，便可得出Q_dw。

　　        （3-102）

代入與后可導(dǎo)出：

　　        （3-103）

從以上的討論可知，煤中的水分、灰分對燃燒裝置的燃燒和運(yùn)行工況有很大影響，但直接用燃料中所含水分、灰分的高低來評價燃料有時并不十分合理，因?yàn)橛械娜剂媳M管水分、灰分含量較高，但如果其發(fā)熱量較高，則當(dāng)其放出一定的熱量時，它所帶入的水分、灰分量可能反而比發(fā)熱量較低而水分、灰分含量也低的燃料少。故提出以折算到每放出1MJ熱量所帶入的水分和灰分來評價燃料，而：

　　        （3-104）

同理：

　　        （3-105）