3.5　燃料的發熱量

作為燃料，單位質量（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，因為這將直接涉及燃料消耗量的高低和存儲燃料所需要空間，對運輸式動力裝置（如船舶和飛機動力裝置）這還涉及續航力。為此提出了燃料發熱量的概念。

燃料的發熱量（又稱熱值），是指在某一溫度下（通常燃料的發熱量是在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，其單位相應為kJ/kg或kJ/m³。由于燃燒產物的焓與溫度有關，故燃燒發熱量與測定時的溫度有關，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，顯然對應不同基燃料的發熱量是不同的，在計算中應加區別。

燃料發熱量的高低決定于燃料中含有可燃物質的多少。但是，固體燃料和液體燃料的發熱量并不等于各可燃物質組成（碳、氫、硫等）發熱量的代數和，因它們不是這些元素的機械混合物，而是具有極其復雜的化合關系，所以難于導出理論公式來進行計算。目前，可靠地確定燃料發熱量的辦法是依靠實驗測定。

氣體燃料因為是由一些具有獨立化學特性的單一可燃氣體所組成，而每種單一可燃氣體的發熱量可以精確地測定，因此氣體燃料的發熱量可以按每種單一可燃氣體組成的發熱量計算后相加起來。

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

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

在已知燃料燃燒產物的水蒸氣含量時，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）按應用基

　　        （3-94）

式中　——燃料應用基低位發熱量，kJ/kg；

——燃料應用基高位發熱量，kJ/kg；

        2512——水的汽化潛熱，kJ/kg；

——1kg應用基燃料燃燒產物中所含水蒸氣量，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——對應干燥基1kg燃料中所含氫燃燒后生成水蒸氣的凝結放熱；

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

對液體和氣體燃料亦可根據低位發熱量的定義導出高位發熱量與低位發熱量之間的關系。

由于各種燃料的發熱量差別很大，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，也為了統計部門便于計量，故提出了一種能源標準計量單位——標準煤。其定義為：以進入燃燒裝置的燃料為準（例如對煤即應用基），每放出29300kJ（即7000kcal）熱量（按低位發熱量計算）折算為1kg標準煤。如燃料的消耗量為B，可把各種實際燃料消耗量折算為標準煤的消耗量。

　　        （3-98）

式中　B_BI——標準煤消耗量，kg；

        B——實際燃燒消耗量；

        ——該燃料的發熱當量，相當于一折合系數。

固體燃料的發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，由此而測定的發熱量稱為分析基彈筒發熱量，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，并溶于彈筒內的水（預先放入筒內的蒸餾水），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　——燃料分析基高位發熱量，kJ/kg；

——燃料分析基彈筒發熱量，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熱系數，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。

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

對高位發熱量，不同基間的換算系數與燃料成分換算系數相同。對低位發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的高位發熱量，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。

由表2-6查出與之間的換算系數，便可得出Q_dw。

　　        （3-102）

代入與后可導出：

　　        （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，因為有的燃料盡管水分、灰分含量較高，但如果其發熱量較高，則當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）