3.5　燃料的发热量

作为燃料，单位质量（1kg）或单位体积（1m³）燃料燃烧后能放出的热量是一个非常重要的特征，因为这将直接涉及燃料消耗量的高低和存储燃料所需要空间，对运输式动力装置（如船舶和飞机动力装置）这还涉及续航力。为此提出了燃料发热量的概念。

燃料的发热量（又称热值），是指在某一温度下（通常燃料的发热量是在15～25℃下测定的），1kg液体（或固体）燃料或1m³气体燃料，在与外界无机械功交换条件下，完全燃烧后，再冷却至原温度时所释放的热量，其单位相应为kJ/kg或kJ/m³。由于燃烧产物的焓与温度有关，故燃烧发热量与测定时的温度有关，但在工程计算中常忽略了这一影响。燃料的组成可表示成各种基，显然对应不同基燃料的发热量是不同的，在计算中应加区别。

燃料发热量的高低决定于燃料中含有可燃物质的多少。但是，固体燃料和液体燃料的发热量并不等于各可燃物质组成（碳、氢、硫等）发热量的代数和，因它们不是这些元素的机械混合物，而是具有极其复杂的化合关系，所以难于导出理论公式来进行计算。目前，可靠地确定燃料发热量的办法是依靠实验测定。

气体燃料因为是由一些具有独立化学特性的单一可燃气体所组成，而每种单一可燃气体的发热量可以精确地测定，因此气体燃料的发热量可以按每种单一可燃气体组成的发热量计算后相加起来。

各种液体燃料的发热量相差不多，都在41900kJ/kg左右，而气体燃料和固体燃料的发热量则随燃料品种的不同而不同。一般来说，天然气的发热量较高，而人造气体燃料中由于不可燃组分较多，发热量较低，且其组成随制气工艺过程的不同而不同，因而发热量数值亦有很大的差别。固体燃料的发热量随着碳化程度的加深而增加，当含碳量为87%左右时，发热量达到最大值，以后则开始下降。无烟煤的发热量较烟煤为低，这是因为无烟煤中含碳量高、含氢量低，而氢的发热量约为碳的4.5倍。

在实验条件下测定发热量时，燃烧产物最终被冷却至实验温度，这时燃烧产物中的水蒸气将凝结为水，而将汽化潜热释放出来，由此而测定的发热量称为燃料高位发热量Q_gw。燃料的高位发热量是燃料实际最大可能发热量，但在实际燃烧装置中，燃烧后所产生的烟气排出装置的温度仍相当高，一般都超过100℃，而水蒸气在燃烧产物中的分压力又远低于大气压力，这时燃烧反应生成的水蒸气不能凝结为水，仍处于气体状态，因此就不能放出水的汽化潜热，燃料的实际放热量就将减少。考虑到上述情况，从燃料高位发热量中扣除汽化潜热后所净得的发热量，就是所谓的燃料低位发热量Q_dw。在实际应用中都使用Q_dw。

在已知燃料燃烧产物的水蒸气含量时，即可由Q_gw求出Q_dw。以煤为例，对于各种基的固体燃料的Q_gw与Q_dw之间的换算分别如下。

（1）按应用基

　　        （3-94）

式中　——燃料应用基低位发热量，kJ/kg；

——燃料应用基高位发热量，kJ/kg；

        2512——水的汽化潜热，kJ/kg；

——1kg应用基燃料燃烧产物中所含水蒸气量，kg。

（2）按分析基

　　        （3-95）

（3）按干燥基和可燃基

由于不含水分，但含有燃烧后可生成水的氢，故有：

　　        （3-96）

　　        （3-97）

式中　226H^g——对应干燥基1kg燃料中所含氢燃烧后生成水蒸气的凝结放热；

        226H^r——对应可燃基1kg燃料中所含氢燃烧后生成水蒸气的凝结放热。

对液体和气体燃料亦可根据低位发热量的定义导出高位发热量与低位发热量之间的关系。

由于各种燃料的发热量差别很大，即使同一煤种也会因水分和灰分的变动而变动，为了便于比较燃用不同燃料的燃烧装置的燃料消耗量，也为了统计部门便于计量，故提出了一种能源标准计量单位——标准煤。其定义为：以进入燃烧装置的燃料为准（例如对煤即应用基），每放出29300kJ（即7000kcal）热量（按低位发热量计算）折算为1kg标准煤。如燃料的消耗量为B，可把各种实际燃料消耗量折算为标准煤的消耗量。

　　        （3-98）

式中　B_BI——标准煤消耗量，kg；

        B——实际燃烧消耗量；

        ——该燃料的发热当量，相当于一折合系数。

固体燃料的发热量用氧弹式量热计测定。其原理是：使煤样在充满压力为2.6～3.3MPa的高压氧气密封弹筒内完全燃烧，放出的热量由弹筒外的水吸收，测定水温的升高，即可计算出煤的发热量。由于煤样为去除外在水分的分析基煤，由此而测定的发热量称为分析基弹筒发热量，以表示。由于煤在高压氧中燃烧时，燃料中的硫和氮都被氧化，并溶于弹筒内的水（预先放入筒内的蒸馏水），生成了硫酸和硝酸，且对外放出生成热和溶解热，故大于，而：

　　        （3-99）

式中　——燃料分析基高位发热量，kJ/kg；

——燃料分析基弹筒发热量，kJ/kg；

——由弹筒洗液测出的煤含硫量，含硫量不太高且煤发热量不太低时，一般等于分析基全硫S^f；

α——考虑由氮生成硝酸并溶于水时的发热系数，对贫煤、无烟煤α=0.0010，对其他煤种α=0.0015；

94.2——考虑从SO₂生成硫酸溶液时的放热量系数。

在作燃料燃烧计算时，常需要应用基低位发热量或可燃基低位发热量等，这就需要进行不同基间的换算。

对高位发热量，不同基间的换算系数与燃料成分换算系数相同。对低位发热量不同基间的换算，尚需考虑在不同基时，由于成分中所含水分不同而引起的气化潜热差异。例如由换算为时，就需先将它们均折算为相应的高位发热量，即：

　　        （3-100）

　　        （3-101）

式中　25.12——在常温、常压下的水加热至100℃并汽化所需热量系数。

由表2-6查出与之间的换算系数，便可得出Q_dw。

　　        （3-102）

代入与后可导出：

　　        （3-103）

从以上的讨论可知，煤中的水分、灰分对燃烧装置的燃烧和运行工况有很大影响，但直接用燃料中所含水分、灰分的高低来评价燃料有时并不十分合理，因为有的燃料尽管水分、灰分含量较高，但如果其发热量较高，则当其放出一定的热量时，它所带入的水分、灰分量可能反而比发热量较低而水分、灰分含量也低的燃料少。故提出以折算到每放出1MJ热量所带入的水分和灰分来评价燃料，而：

　　        （3-104）

同理：

　　        （3-105）