第三章 燃料燃烧计算及锅炉机组热平衡2

1、第三章第三章 燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡 n内容n研究对象：nI 燃料 空气 烟气之间的数量关系n燃烧需要的空气量n燃烧生成的烟气量n燃烧方程式（烟气成分和燃料成分之间的关系）n运行中的确定第三章第三章 燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡 n内容n研究对象：nII 空气和烟气的焓nIII 热平衡第三章第三章 燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡 n第一节燃烧过程的化学反应燃烧过程的化学反应n第二节燃烧所需的空气量燃烧所需的空气量n第三节燃烧产生的烟气量燃烧产生的烟气量n第四节烟气分析烟气分析n第五节燃烧方程式燃烧方程式n第

2、六节运行中过量空气系数的确定运行中过量空气系数的确定n第七节空气和烟气的焓空气和烟气的焓n第八节锅炉机组的热平衡锅炉机组的热平衡n第九节锅炉机组的热平衡试验锅炉机组的热平衡试验锅炉燃烧计算的前提（基本假锅炉燃烧计算的前提（基本假设）设）1空气量与烟气量的计算均以1kg的收到基燃料为基础；2空气和烟气的所有组成成分（包括水蒸汽，分压很小），均可作理想气体，每千 摩 尔 气 体 在 标 准 状 态 的 容 积 是22.41Nm3；3. 气体容积计算的单位均为Nm3/kg。第一节第一节 燃烧过程的化学反应燃烧过程的化学反应n碳燃烧消耗的氧气量（完全燃烧） C+O2CO2+407000kJ/k mol

3、可得：12.01kgC+22.41Nm3O222.41Nm3CO2 即 1kgC+1.866Nm3O21.866Nm3CO2 上式说明，每1kgC完全燃烧需要1.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO2。 n碳燃烧消耗的氧气量（不完全燃烧） 2C+O22CO+123100kJ/k mol 可得： 212.1kgC+22.41Nm3O2 222.41Nm3CO 即 1kgC+0.51.866Nm3O21.866Nm3CO 也即每1kgC不完全燃烧需要0.51.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO。 氢的燃烧n2H2+O22H2O+241200kJ/k mol n可得：22.01

4、6kgH2+22.41Nm3O2222.41Nm3H2O n即 1kgH2+5.56Nm3O211.1Nm3H2O n即每1kgH燃烧需要5.56Nm3的O2并产生11.1Nm3的H2O。 n硫的燃烧 S+O2SO2+334900kJ/k mol 可得：32kgS+22.41Nm3O222.41Nm3SO2 n即 1kgS+0.7Nm3O20.7Nm3SO2 n即每1kgS燃烧需要0.7Nm3的O2并产生0.7Nm3的SO2。 第二节 燃烧所需的空气量 n一理论空气量 n1kg（或1Nm3）燃料完全燃烧完全燃烧时所需的最低限度的空气量（空气中的氧无剩余）称为理论空气量。以容积表示时其代表符号为

5、V0 。 n理论空气量也就是从燃烧反应方程式出发导出的1kg（或1Nm3）燃料完全燃烧所需的空气量。 n1kg燃料完全燃烧需要的氧气总量为：301007 . 010055. 5100866. 12NmSHCVarararO31007 . 0100324 .22NmOOararn料本身的氧量1kg燃料完全燃烧真正需由空气提供的氧量为：301007 . 01007 . 010055. 5100866. 12NmOSHCVararararO1kg燃料燃烧所需的理论空气量V0为 300)(0333. 0265. 00889. 021. 012NmOSHCVVararararO说明：1、理论空气量V0只

6、与燃料的成分有关 2、理论空气量V0是干空气量 二实际空气量和过量空气系数n在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量。实际空气量Vk与理论空V0之比称为过量空气系数（用于烟气量计算，用于空气量计算）。 0VVkn实际空气量：Vk=V0n锅炉燃烧在炉膛出口结束。该处过量空气系数对燃烧影响较大。一般设计时取：n燃用无烟煤及劣质烟煤，1.21.25；n燃用烟煤及褐煤：1.151.20。三漏风系数和空气平衡 n对于负压运行的锅炉，外界冷空气会通过锅炉的不严密处漏入炉膛以及其后的烟道中，致使烟气中的过量空气增加。相对于1kg燃料而言，漏入的空气量V

7、与理论空气量V0之比称为漏风系数，以表示，即： 0VVkn空气预热器中，空气侧压力比烟气侧高，所以会有部分空气漏入烟气侧，该级的漏风系数ky要高些。kykykykyky n在空气预热器中，有： kykykykykyky kykykykyky 第三节 燃烧产生的烟气量n一、理论烟气量1、理论烟气的组成成分 如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量等于理论空气量，且使1kg的燃料完全燃烧时产生的烟气量称之为理论烟气量。理论烟气的组成成分为：CO2、SO2、N2、H2O。 2理论烟气量的计算n因为理论烟气中的各成分均为理想气体，所以：n也可以写成干烟气与水蒸气的和： kgNmVVVVVOHNSOCOy/

8、30002222kgNmVVVOHgyy/300022理论烟气量的计算0yV2SOV2COV02NV0O2HV2ROV0gyV0yV1二氧化碳和二氧化硫的体积 4 .22321007 . 0100324 .224 .2212100866. 1100124 .222222ararararSSSOOSCCCOOC1007 . 0100866. 12ararROSCV2理论氮气体积 0079. 0100284 .222VNVarN0079. 01008 . 02VNVarN由两部分组成：燃料中的氮所占体积和理论空气量中的氮所占的体积，即 3理论水蒸气体积 （1）由煤中的水分（2）煤中氢元素转换的水分

9、（3）由理论空气量V0带入的水分，即相对于每kg燃煤带入的水蒸汽容积 1.293/18*22.4*dkV0=1.61dkV0 Nm3/kg ( dk=0.01kg/kg)ararMM0124. 0100184 .22ararHH111. 0100224 .222n采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积：n可得理论水蒸气量 whararHWVHMV24. 10161. 0111. 00124. 00002whwhWW24. 1184 .22kgNmVVVVVOHNSOCOy/30002222二完全燃烧时的实际烟气量 n1、完全燃烧时实际烟气量的组成成分 如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量Vk大于理

10、论空气量V0（即1），且使1kg的燃料完全燃烧时产生的烟气量称之为完全燃烧时的实际烟气量，完全燃烧时实际烟气的组成成分为：CO2、SO2、N2、O2、H2O， 2、完全燃烧时实际烟气量的计算n完全燃烧时烟气中的各成分均假设为理想气体，所以 ：n三原子气体烟气量n表示成干烟气：OHONSOCOyVVVVVV22222222SOCOROVVVkgNmVVVOHgyy/321二氧化碳和二氧化硫的体积4 .2232100866. 1100324 .224 .2212100866. 1100124 .222222ararararSSSOOSCCCOOC1007 . 0100866. 12ararROSC

11、V 2氮气体积 n两部分组成：理论氮气量和过量空气中包含的氮气量，即：00) 1(79. 022VVVNN3氧的体积n氧的体积也就是过量空气中包含的氧，即：0) 1(21. 02VVO4水蒸气体积n两部分组成：理论水蒸气量和随过量空气带入的水蒸气量，即：000) 1(61. 122VdVVkOHH00000) 1(0161. 1) 1(0161. 0) 1(VVVVVVyyy00) 1(VVVgygy三、不完全燃烧时的烟气量 n当发生不完全燃烧时，烟气的成分除了CO2、SO2、N2、O2、H2O外，还有不完全燃烧产物CO以及H2和CmHn等。其中H和CmHn数量很少，一般工程计算中可忽略不计。

12、因此，当燃料不完全燃烧时，可以认为烟气中不完全燃烧产物只有CO。这使得烟气量为： OHONSOCOCOyVVVVVVV222221二氧化碳与一氧化碳的体积 100866. 1100866. 1100866. 1222,arCOCOCOarCOCOarCOCVVCVCV2不完全燃烧时烟气中氧的体积 COOCOarOVVVCVV5 . 0) 1(21. 0100866. 15 . 0) 1(21. 00.022得到: (用于燃烧方程式的推导)5 . 0(21. 079. 022220COONOCOROgyVVVVVVV四烟气中三原子气体的容积份额和飞灰浓度 prpVVrprpVVrOHOHyOHO

13、HROROyRORO22222222,容积份额飞灰浓度kgkgmaAyfhar/100第四节 烟气分析n烟气分析的目的烟气分析的目的n对于一台正在运行中的锅炉，如何知道实际送入锅炉的空气量？如何知道空气量是否合适？锅炉燃烧调整？n答案：通过实时、在线监测锅炉过量空气系数。n炉膛出口及烟道各处的过量空气系数？炉膛出口及烟道各处的过量空气系数？烟气分烟气分析析测出某处的烟气成分，再由过量空气系数的过量空气系数的计算式计算式算出。n一、干烟气的容积成分一、干烟气的容积成分n如果燃烧不完全，则干烟气的成分为：nCO2+SO2+O2+N2+CO=100n通过烟气分析，可测得CO2、SO2、O2、CO的含

14、量。n二、奥氏烟气分析仪二、奥氏烟气分析仪n图3-1n原理：化学吸收n注意：测量得到的数据为烟气成分的容积百分数烟气成分分析仪烟气分析手段：吸收剂吸收燃烧吸收色谱分析化学方法导热性导磁性导电性光学性物理方法n三、根据烟气分析结果对干烟气体积的三、根据烟气分析结果对干烟气体积的计算计算n奥氏分析仪的分析结果为烟气体积百分含量，则可得书式3-50n烟气成分分析仪得到浓度数据，ppm（百万分之一）n现用mg/m3，换算关系：1ppm=分子量/22.4mg/m3。kgmCORO0.375SC1.86632arar,gyVn各种分析设备均已经商业化。电厂均要求上烟气在线监测系统，EMS。n在燃烧正常的情

15、况下，煤粉炉炉膛出口烟气中的主要成分含量范围：RO2=1416%；O2=25%第五节 燃烧方程式n原理n在燃料与空气完全燃烧的条件下，燃烧烟气产物中的RO2和O2与燃料的元素分析成分之间必然存在一定的关系。n完全燃烧方程反映其间内在关系。n推导（完全燃烧，无CO）n由烟气分析的结果（均为干烟气成分）%10022gyROVVRO%10022gyOVVO%10022gyNVVN100222NOROn完全燃烧方程式：n燃料特性系数22)1 (21ROOarararararROarSCNOHVVN375. 0038. 0126. 035. 279. 079. 01008 . 021. 020讨论n烟气

16、中三原子气体的最大百分比含量:由完全燃烧方程得：当送入理论空气量，且完全燃烧时，12122ORO121)(max2RO基本知识n在燃煤的条件下，通常，%19142RO%422ORO2O2不完全燃烧方程不完全燃烧方程n在不完全燃烧的条件下，且认为仅存在CO，将满足如下方程，n由不完全燃烧方程，可以计算干烟气中CO的含量)(605. 021222COROCOORO605. 0)()21(222OROROCO第六节第六节 运行中过量空气系数的确定运行中过量空气系数的确定n通过烟气分析得到。推导（完全燃烧）KggkkkVVVVVVV1107979. 079. 01008 . 079. 02222NVV

17、NVVVgyNarNairNk2121. 022OVVVgyOg)(100792121222OROOn利用完全燃烧方程式，可用O2代替RO2，结果为：2max2)(RORO22121O测定烟气中的O2，即可计算得到过量空气系数n广泛采用：22121O测定烟气中的RO2，也可计算得到过量空气系数n较少采用：2max2)(RORO烟气成分随过量空气系数的变化21CO2%，O2%O2CO21-无烟煤2-褐煤3-重油4-天然气1-无烟煤4-天然气第七节第七节 空气和烟气的焓空气和烟气的焓 焓的概念与计算焓的概念与计算n定义：指定条件下，将1kg燃料所需的空气量或产生的烟气量从0加热到时所需要的热量，单

18、位kJ/kg。一、空气焓一、空气焓n理论空气焓计算：n Ik0=V0（c）k，kJ/kgn实际空气焓n Ik=Ik0， kJ/kgn式中： （c）k为1m3空气连同携带的水蒸气在温度为时的焓。表3-1n每公斤空气含有10克水。二、烟气焓n烟气的组成VyVy0VRO2V0N2V0H2O(-1)V0标米干空气的湿空气/公斤飞灰烟气焓组成n热力学上，混合气体的焓等于各组成气体焓的和，外加灰分的焓。hfharkyycaAcVII)(100)() 1(00IyIy0IRO2= VRO2I0N2= V0N2I0H2O= V0H2O(-1)I0=(-1)V0Ifh1、理论烟气焓 1m3的成分在温度时的焓值，

19、可查表。OHOHNNROROycVcVcVI22)()()(0202220ic )(2、实际烟气的焓n理论烟气焓加飞灰焓、过量空气焓n飞灰热焓值Ifh（只有含量高时才考虑）hfharcaA)(100kJ/kg 温焓表n通过燃烧产物的焓值的计算，列出焓值与温度对应的表格（编程计算），是锅炉热力计算的基础：即：),(fIy温焓表第八节第八节 锅炉机组的热平衡锅炉机组的热平衡n燃料的化学能转变为蒸汽的热能，一定存在有效利用热和损失的热量。n研究热量平衡的目的：定量计算与分析各项能量的大小，找出引起热量损失的原因，提出减少损失的措施，提高锅炉效率，降低成本。一、热平衡方程n热平衡的定义热平衡的定义n输

20、入锅炉机组的热量与锅炉机组输出热量之间的平衡n送入锅炉的燃料拥有热量等于锅炉的有效输出热量加上各项热损失。n方法：通过锅炉机组的热平衡试验。n现代电站锅炉的效率为90%左右，容量越大、效率越高。热平衡方程式热平衡方程式n相应于每公斤固体及液体燃料：kJ/kg（美国ASME以每磅燃料的发热量，德国以单位时间内所用燃料的发热量，kJ/s）654321QQQQQQQrkJ/kg式中各项的意义：热平衡的另一种表示式n通常用送入热量的百分比来表示：654321%100qqqqqq.%,10011rQQq锅炉的热效率锅炉的热效率n正平衡表达式：n反平衡表达式：rrglBQQQQq%10011%)(1006

21、5432qqqqqgln以下将分别介绍热平衡方程中各项的计算方法、锅炉效率及锅炉的燃料消耗量B：654321QQQQQQQr二、锅炉输入热量Qrn对应1kg燃料输入锅炉的热量为：n只有高水分煤、用外界热量加热油及空气时，才考虑公式后三项。zqwrrnetarrQQiQQ,kJ/kg外来热源加热空气雾化燃油所用蒸汽三、固体不完全燃烧热损失Q4n定义：指部分固体燃料颗粒在炉内未能燃尽就被排出炉外而造成的热损失。（灰、渣中存在未燃尽的碳）n计算方法：n原则：灰渣及飞灰中的含碳量与碳的发热量的乘积的总和n定义：灰渣中含碳的重量百分比为： ，灰渣量：飞灰中含碳的重量百分比为： ，飞灰量：沉降灰中含碳的重

22、量百分比为： Ccjh % ，沉降灰量：Gcjh，kg/h。%lzChkgGfh/%fhChkgGlz/n表达式：n 灰渣中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失；n 飞灰中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失n 沉降灰中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失cjhfhlzQQQQ4444lzQ4fhQ4cjhQ4n每小时所损失的可燃物重量n每小时损失的热量n折算到每公斤燃料所损失的热量：hkgCGCGCGcjhcjhfhfhlzlz/100100100hkJCGCGCGcjhcjhfhfhlzlz/)(10010010032700kgkJCGCGCGBQcjhcjhfhfhlzlz/)(1001001003270

23、04lzG可知，fhlzCC ,可以取样测得，fhG最不易测得灰平衡n进入锅炉的总灰量等于排出锅炉的灰渣、飞灰中的灰分的总和n定义100100100100100100100cjhcjhfhfhlzlzarCGCGCGABarcjhcjharfhfharlzlzBACGBACGBACG)()()(1001001001%cjhfhlzaaa1arlzlzlzBACGa)(100arfhfhfhBACGa)(100n结果为：BQBCCaCCaCCaAQsznetarszcjhcjhcjhfhfhfhlzlzlzar,)(1001001003274%10044rQQq讨论q4n在锅炉运行中在锅炉运行中

24、， 可以取样测得，n 可以查表，或做灰平衡实验得到n在锅炉的设计中在锅炉的设计中，根据燃料的种类及燃烧方式直接选用：0.55%n一般情况下，无烟煤4%6%，贫煤2%3%，烟煤1%2%，褐煤0.5%1%fhlzCC ,fhlzaa ,讨论q4n影响因素：燃料的种类（挥发份与灰分等），煤粉的细度，过量空气系数，炉膛的结构（决定了停留时间），锅炉的运行方式，炉膛的温度（负荷）等。为第二大损失。q4对空气量和烟气量的影响n假定送入锅炉的燃煤量B中，有 的燃料根本没有燃烧，即没有产生烟气量，也不需要空气量，n实际上参加燃烧的不是实际送入的燃料量B，而是计算燃料量Bjn热平衡计算用实际燃料量B，计算空气量

25、和烟气量时用Bj)100(4Bq10010010044qBqBBBj四、排烟热损失Q2n由于排出锅炉的烟气焓高于进入锅炉时的冷空气焓而造成的热损失。100100)(42qIIQlkpyfhkpyypyIIII00) 1(lpy%10022rQQq影响排烟损失的主要因素：n为锅炉最大项损失（约为4%8%）n1、排烟温度 温度高，则损失大，提高1520，损失增加约1%；温度低，则金属的消耗大，流动的阻力大，还可能造成受热面金属的低温腐蚀。 运行中影响排烟温度的主要因素是受热面吸热量的变化。 现代锅炉排烟温度一般为110160。2、排烟容积 主要决定于过量空气系数的选取： 过量空气系数大，风机的消耗

26、大，排烟损失增大；不完全燃烧损失小； 过量空气系数小，则可能不完全燃烧损失增大。 另外，燃料性质、漏风等，也使容积增加。五、气体未完全燃烧损失Q3n定义：由于锅炉排烟中CO，H2，CH4等可燃气体的存在，未放出其燃烧热而造成的热损失。n每公斤燃料所损失的热量为各可燃气体的容积与各自的容积发热量乘积的总和。100100)(444223qQVQVQVQCHCHHHCOCO一般仅计入CO，其它忽略，发热量， 12600 kJ/Nm3 （ 3020kcal/Nm3）.100gyCOVCOV100100.).6 .12(43qCOVQgyCOROSCVarargy2375. 0866. 1).%.100

27、(235.56375. 043qCOROCOQSCqrarar讨论q3n电站锅炉可燃气体很小；n对煤粉炉： q3 =0；n气体或液体燃料炉： q3 =0.5；n层燃炉： q3 =0.51.0影响因素n1燃料特性nVdaf:供氧及时（）,q3供氧不及时，q3n2炉内温度Tl，q3n3：正常，q3；，q3不变，q2n4. 炉内空气动力场，燃烧器布置型式，（煤粉在炉内停留时间）排烟温度与过量空气系数是一个经济技术综合考虑的参数n存在一个最佳过量空气系数过量空气系数q，%qq3+q4q2最佳六、散热损失n锅炉的外表面温度高于环境的温度而向外界通过大空间自然对流和辐射换热。n散热损失与锅炉的容量成反比n

28、散热损失与锅炉的负荷成反比DDqqeded, 55q5，%De38. 0, 582. 5ededDq影响Q5的因素n1外表面面积F；F,q5n2tb,q5n3t0,q5n4保温层厚度n5保温层性能。当t0=35时，炉墙tb70，烟道、风道 tb50n6. 蒸发量n过、再热，温度更高，千万不可用手摸！保热系数n工质吸收的热量占烟气放出热量的百分数。51551551111qqqQQQQQQQQQQQQQrkyrrrkyky七、灰渣物理热损失n排出的灰渣因其高温具有的热量。仅在高灰煤时考虑。%100)(6rlzlzarlzQcaAq影响Q6因素 n1th（tfh飞灰,tcjh沉积灰）,tlz（炉渣），q6n2lz（0.10.15