锅炉原理第2章

第二章燃料及其燃烧特性定义：通过燃烧释放热能的可燃物质为燃料。重要性：燃料的种类和特性对锅炉的安全经济运行、锅炉设计和燃烧器形式、制粉系统选择等有重要影响。一、燃料的定义与重要性第一节煤的成分及其主要特性有机燃料固体燃料（以煤炭为主）液体燃料（以原油、重油和渣油为主）气体燃料（以煤气和天然气为主）二、燃料分类核燃料裂变燃料：铀钍资源聚变燃料：氘、氚1、煤的成分煤是由多种有机物质和无机物质混合组成的复杂的固体碳氢燃料。由于埋入地下的深度和时间不同，就会形成不同的煤种。

三、煤的成分及分析基准2、煤的成分分析

元素分析和工业分析碳:

是煤中主要发热成分纯碳发热量32866KJ/Kg

由两部分组成挥发分碳、固定碳。

特点：含碳量高的煤，发热量较高，但不易着火。3、元素分析定义：分析煤中各元素（C、H、O、N、S、A、M)的质量百分组成。氢：是煤中最有利元素发热量120520KJ/Kg，发热量大约是碳的4倍，

特点：燃点低，易着火，无污染。氧和氮：不可燃物质，为有害元素。一部分N会与氧化合而生成NOx，造成大气污染。硫：可燃的有害物质；

三种存在形式：有机硫、黄铁矿（FeS2)和硫酸盐硫。其中有机硫、黄铁矿（FeS2)可燃，硫酸盐硫不可燃并入到灰分。

危害：

燃烧产物SO2、SO3污染大气；腐蚀设备；磨损磨煤部件。灰分—有害元素危害：降低发热量，着火推迟；熔融灰吸热，燃烧温度降低，排渣热损失和机械未完全燃烧热损失增加；

积灰、结渣，磨损的根源；

增加制粉系统能耗；污染环境。水分—有害元素危害：降低发热量，着火推迟；燃烧温度降低，排烟温度和排烟体积增加，锅炉效率降低；

加剧受热面腐蚀和堵灰；各元素成分百分数表示：

C+H+O+N+S+A+M=100%4、工业分析煤水分挥发分固定碳灰分焦碳（一）、成分分析挥发分是煤有机分解后的气体物质，由可燃物质：（碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等组成。）不可燃物质：（少量的氧、二氧化碳、氮）组成。挥发分含量是煤的分类的重要依据。外部水分和内部水分之和称为全水分。煤在失去水分和挥发分后剩余部分即为焦碳，它包括固定碳和灰分。（二）、工业分析过程1、水分（外部水分和内部水分）全水分测定：将原煤样置于105℃～110℃（褐煤温度应为145℃）的烘箱内2h，使之干燥至恒重，所失去的重量。2、挥发分将失去水分的煤样，在（900±10℃）的温度下，隔绝空气加热7min，失去的重量。3、固定碳和灰分原煤失去水分和挥发分之后，剩余为焦炭。将焦炭放在箱形电炉中，在（815±10℃）的温度下灼烧2h，失去重量为固定碳，剩余部分为灰分。四煤的成分分析基准及其换算●定义：根据煤存在的条件和根据需要而规定的“成分组合”称为分析基准。收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基1、收到基以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合称为收到基，其中包括全部水分.收到基以下角标ar表示。Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%

FCar+Var+Aar+Mar=100%

固定碳挥发分

☆收到基一般用于锅炉热力计算2、空气干燥基煤样在实验室规定的温度下自然干燥失去外部水分后，其余的成分组合便是空气干燥基。并以下角称ad表示。Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%

FCad+Vad+Aad+Mad=100%☆空气干燥基一般用于煤实验分析

3、干燥基以假想无水状态煤为基准。以下角称d表示。

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%

FCd+Vd+Ad=100%

☆由于已不受水分的影响，灰分含量百分数相比较稳定，可用于比较两种煤的含灰量。4、干燥无灰基以假想无水、无灰状态的煤为基准。以下角称daf表示。Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%

FCdaf+Vdaf=100%☆由于不受水分、灰分影响，常用于比较两种煤中的固有成分碳、氢、氧、氮、硫成分含量的多少。

☆

一般作为煤分类的依据。

VdafACHONSMinMf收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基灰分固定碳挥发分水分工业分析

煤的成分及各种分析基准之间的关系元素分析煤成分基准间的换算不同基准之间的换算公式表2-1

未知成分X=换算系数K×已知成分X0例:

所求

X

已知X0收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基收到基1空气干燥基1干燥基1干燥无灰基1煤的成分基准换算系数水分换算基准换算的方法：方法一任意两种不同基准下的同类成分的比值都相等；分比定理方法二可利用某种基准含量不变为依据，进行换算1、煤的发热量高位发热量低位发热量当发热量中包括煤燃烧后所产生的水蒸汽凝结放出的汽化潜热时，称为高位发热量，用Qgr表示。

当发热量中不包括水蒸汽凝结放出的汽化潜热时，称为低位发热量，用Qnet表示。我国锅炉设计一般采用低位发热量？二、煤的主要特性（一）煤的发热量：煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时放出的全部热量。不同基准高位发热量之间的换算可以利用表2-1低位发热量如何进行换算呢？可以利用高位发热量与低位发热量之间的关系：若煤中不含水分，发热量就没有高位低位之分？2、发热量的测量：测量原理：取1g左右的煤样放在氧弹5中，氧弹中充满氧气后点火燃烧，测得的单位质量的煤放出的热量即弹筒发热量。测量设备：氧弹式量热仪弹筒发热量高于煤的高位发热量？由于S和N在过剩氧的作用下生成的SO3和NOX与氧弹中的水形成硫酸和硝酸，而生成酸的反应会放出热量。计算公式：其中：折算水分(%)折算灰分(%)

折算硫分(%)3、煤的折算成分：定义：对应于每4190KJ/kg收到基低位发热量的…问题？假如两种同型号机组用煤，其中一种燃料的Aar=27.4%，另一种Aar=25.8%，相同负荷时哪种燃料带入炉内的灰分大？根据折算成分，煤的分类：当煤中的Mar,zs＞8%时称为高水分煤；当Aar,zs＞4%时称为高灰分煤；当Sar,zs＞0.2%时，称为高硫分煤。4、标准煤目的：为了对燃用不同煤种的锅炉机组或电厂进行燃料消耗分析。定义：收到基发热量为29310KJ/kg（7000Kcal/kg）的煤为标准煤问题？假如两种同型号机组，其中一台机组的实际煤耗率为：330g/KW·h，另一台实际煤耗率为：338g/KW·h，哪台机组的经济性好？实际燃料消耗量折合成标准煤问题？假如两种同型号机组，其中一台机组的标准煤耗率为：330g/KW·h，另一台标准煤耗率为：338g/KW·h，哪台机组的经济性好？（二）煤灰的熔融性1、定义：煤灰的熔融性也称灰熔点，是煤灰由固态向液态转化的特性。2、特点：煤灰不是单晶体，是由各种矿物质成分组成的混合物，它没有固定的由固相转为液相的熔融温度，煤灰组分决定了煤灰的熔融性。一般采用三个特征温度来表示煤灰的熔融性。3、测量灰熔融性的意义：判别锅炉运行中是否会结渣。4、灰分熔融温度的测定方法：角锥法和柱体法。国内采用角锥法。选择排渣方式；●特性温度：变形温度DT软化温度ST流动温度FT角锥法测量原理：将煤灰制作成底边长为7mm的等边三角形，高为20mm的角锥。将锥体放入半还原性气体的灰熔点测定仪中，以规定的速度升温，观测灰锥在熔融过程中的三个特征温度，来标示煤灰的熔融特性。熔融性的三个特性温度：DT（t1）ST（t2）FT（t3）ST—软化温度，灰锥尖端弯曲到托板上或整个灰锥变成半球形时对应的温度；DT—变形温度，灰锥顶端开始变圆或弯曲时的温度；FT—流动温度，锥体熔化成液体并在托板上流动（厚度在1.5mm以下）时对应的温度；ST<1200℃煤灰称为易熔灰。ST>1400℃煤灰称为难熔灰。宜采用固态排渣。ST-DT>200℃时，说明灰渣的液态与固态共存的时间长。称为长渣。ST-DT<100℃时，说明灰渣的液态与固态共存的时间短。称为短渣。对固态排渣，为减轻炉内结渣，应燃用具有短渣性质的煤。为避免炉膛出口受热面结渣，应使炉膛出口烟温比DT低50～100℃影响灰熔性的因素：（1）煤的化学组成：酸性氧化物：SiO2、Al2O3和TiO2等，碱性氧化物：Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O等煤灰中熔点高的酸性氧化物增加会使灰熔点提高；而熔点较低的碱性氧化物增多则会使灰熔点降低。（2）周围介质的性质

当炉内处于氧化性气氛时，灰中铁呈氧化状态（Fe2O3），熔点较高。在还原性和半还原性气氛中，Fe2O3会还原成FeO，并可能与其它氧化物形成共熔体，灰熔点随含铁量的增加将迅速下降。

因此，介质气氛不同，会使灰熔点变化200~300℃。锅炉运行中应尽量保证火焰充满度，避免出现还原性燃烧气氛。（三）煤的可磨性系数和磨损指数

1、煤的可磨性系数概念：由于煤的机械性质不同，有的煤较难破碎，有的却容易破碎，煤被磨成一定细度煤粉的难易程度称为煤的可磨性。用可磨性系数来表示煤的可磨性。测定公式：目前国内采用哈德格罗夫（Hardgrove）法测定的哈氏可磨性系数，即：式中：——为通过孔径为74μm的筛子的煤粉量。哈氏可磨性系数的测定方法为：将空气干燥后，粒度为0.63~1.25mm的50g煤样放入哈氏可磨性试验机中。在钢球上施加284N的总作用力，驱动电机进行研磨，旋转60转后，将磨制好的煤粉放入孔径74μm的筛子上进行筛分。

测定公式：全苏热工研究所（BTH）

在风干状态下将质量相等的标准煤和试验煤由相同的粒度磨制成相同的细度时，消耗的能量之比2、煤的磨损指数概念：煤在碾磨的过程中，煤对碾磨设备的研磨部件磨损的强烈程度，称为煤的磨损性。煤的磨损性用磨损性指数表示。我国目前采用的是冲刷磨损指数。（冲刷实验条件下的）磨损指数定义：某种煤每分钟对纯铁的磨损量与相同条件下标准煤每分钟对纯铁的磨损量之比。这里的标准煤指的是每分钟能使纯铁磨损10mg的煤。若在τ（min）时间内，某种煤对纯铁的磨损量为m（kg），则：计算公式：煤的冲刷磨损指数Ke

<1.0=1.0~2.0=2.0~3.5=3.5~5.0≥5.0磨损性轻微不强较强很强极强表2-3煤的磨损性和冲刷磨损指数的关系1、我国煤的分类我国煤的分类方法是采用煤的干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标进行划分的：

无烟煤：Vdaf不大于10%

贫煤：Vdaf为10～20%

烟煤：Vdaf为20～40%

褐煤：Vdaf大于40%三、发电厂煤的分类更为详细的分类方法：VAMST及Q，见表2-5无烟煤：但由于挥发分含量较低，难以点燃，燃烧特性差。无烟煤是煤化程度最深的煤，它有明亮的黑色光泽，硬度高不易研磨。无烟煤含碳量很高，杂质少，发热量较高，大致为21000-25000KJ/kg。无烟煤不宜结焦烟煤：烟煤具有中等的煤化程度，挥发分含量较高。

烟煤水分和灰分含量较少，烟煤含氢较高，发热量也较高。有些烟煤发热量甚至超过无烟煤。烟煤具有弱结焦性。烟煤燃点低，容易着火和燃尽。褐煤：褐煤在空气中存放极易风化，容易发生自燃。外观呈褐色，少数为黑褐色甚至黑色，挥发分含量较高，有利于着火。但其灰分和水分较高，发热量较低，一般小于16750KJ/kg。含水分较高的年轻褐煤则燃烧性能较差，而且灰熔点也较低，属于易结焦煤。贫煤：它的挥发量含量稍高于无烟煤，其着火、燃尽特性优于无烟煤，但仍属于燃烧特性较差的煤种。四、液体燃料和气体燃料轻柴油则作为锅炉点火用油。（一）液体燃料锅炉的液体燃料主要是指常压重油、减压重油和轻柴油。在我国，燃料油基本是减压重油，且一般作为锅炉启动及低负荷运行时的辅助性燃料。其中Car=81％-87％，Har=11％-14％，Oar＋Nar＜1％，Sar＜3％，Mar＜4％，Aar＜3％，机械杂质含量＜2.5％，Qar，net＝37.7×103－44.0×103KJ/Kg。重油的成分组成几乎和煤一样：C、H、O、N、S、A、M和杂质。为保证重油输送和油喷嘴的雾化质量，重油必须加热，油温应在100℃以上。重油的主要特性指标：黏度、闪点、燃点、凝固点、硫分、水分、灰分和机械杂质。1、黏度黏度是表征液体流动性能的指标。黏度越小，流动性能越好。燃点：是油气和空气的混合物遇明火能着火燃烧并持续5s以上的最低油温。2、闪点及燃点燃油的闪点：油温升高时产生的油气和空气的混合物与明火接触而发生短促闪光时的油温。闪点及燃点是锅炉燃油防火的重要指标。凝固点：表征燃油丧失流动性能的温度。燃油含硫量高，会对锅炉低温受热面产生腐蚀。一般当Sar＞0.3％时，就应注意低温腐蚀问题。3、凝固点凝固点高低与燃油中石蜡的含量有关，石蜡含量高，凝固点就高。4、硫分及其它有害成分对锅炉的安全工作有一定的危害。水分－燃烧不稳。灰分－碱性物质熔点低导致受热面的高温积灰和腐蚀。天然气体燃料（CH4、CnHm等)，人工气体燃料（CO、CH4、H2等。5、水分、灰分和机械杂质：（二）气体燃料第二节燃料燃烧计算

燃烧概念燃料的燃烧是指燃料中的可燃元素与氧气在高温条件下进行的强烈化学反应过程。当燃烧产物中不含可燃物质时称为完全燃烧，否则称为不完全燃烧。目的燃料燃烧计算主要是计算燃料燃烧所需空气量、燃烧生成的烟气量和烟气的热焓等。燃烧计算几点假定1）空气和烟气的所有组成成分，包括水蒸气都是理想气体。即：每一千摩尔气体在标准状态下的容积是22.41Nm3；2）所有气体容积的计算单位都是标准状态下的体积单位。即以0℃一标准大气压（0.1013Mpa）状态下的立方米为单位Nm3。一、燃烧所需空气量及过量空气系数（一）燃烧过程的化学反应煤的可燃成分包括：碳（C）、氢（H）、硫（S）1.碳的燃烧：C+O2→CO2+407000kJ/kmol12.1kgC+22.41Nm3O2→22.41Nm3CO2

完全燃烧（反应方程式）：1kgC+1.866Nm3O2→1.866Nm3CO21Kg收到基燃料中含有Car/100Kg。因而1Kg燃料中C完全燃烧时需要1.866Car/100Nm32C+O2→2CO+123100kJ/kmol（C）即：1kgC+0.5×1.866Nm3O2→1.866Nm3CO也即：每1kg的C不完全燃烧需要0.5×1.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO。不完全燃烧：（反应方程式）1Kg收到基燃料中含有Car/100Kg。1Kg燃料中C不完全燃烧时需要0.5×1.866Car/100Nm32H2+O2→2H2O+241200kJ/kmol（H2）即：1kgH2+5.56Nm3O2→11.1Nm3H2O也即：每1kg的H燃烧需要5.56Nm3的O2并产生11.1Nm3的H2O。2.氢的燃烧:（反应方程式）

1Kg收到基燃料中含有Har/100Kg。1Kg燃料中H完全燃烧时需要5.56Har/100Nm33、硫的燃烧：

（反应方程式）S+O2→SO2+334900kJ/kmol（S） 即：1kgS+0.7Nm3O2→0.7Nm3SO2也即：每1kg的S燃烧需要0.7Nm3的O2并产生0.7Nm3的SO2。1Kg收到基燃料中含有Sar/100Kg。1Kg燃料中S完全燃烧时需要0.7Sar/100Nm31．理论空气量概念：1kg（或1Nm3）燃料完全燃烧时而又无过剩氧存在时所需的空气量称为理论空气量，其代表符号为V0。二、燃烧所需的空气量也可以说成:1kg（或1Nm3）燃料完全燃烧所需的最低空气量。求理论空气量的一般过程：1kg收到基燃料中C、H、S的量C、H、S完全燃烧所需的O2量1kg燃料完全燃烧真正需由空气提供的O2量1kg燃料燃烧所需的理论空气量V0理论空气量：考虑空气中氧的容积成分为21%计算层燃炉烧煤块，流化床炉烧煤粒，而煤粉炉烧煤粉，假如同一种燃料选择不同燃烧方式，哪一个所需理论空气量大呢？※上式有三点说明：1）V0是不含水蒸汽的干空气；2）V0只决定于燃料的成分，当燃料一定时V0即为一常数；3）V0与燃烧方式无关2．实际空气量和过量空气系数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。称为过量空气系数（用于烟气量计算，用于空气量计算）。实际空气量Vk与理论空气量V0之比，即太小，燃烧不完全；太大，增加排烟热损失炉内过量空气系数α，一般是指炉膛出口处的过量空气系数

对于固态排渣煤粉炉：当燃用无烟煤、贫煤和劣质烟煤时约为1.20～1.25，当燃用烟煤和褐煤时约为1.15～1.20。显然，1kg燃料完全燃烧时需要的实际空气量Vk为：过量空气量ΔVg等于：对于电站煤粉锅炉，在各烟道所监测的过量空气系数是否相同？3．漏风系数和空气平衡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ΔV与理论空气量V0之比称为漏风系数，以Δ表示，即：烟道内的过量空气系数：式中ΣΔα—炉膛出口与计算烟道截面间，各段烟道漏风系数的总和。漏风使烟道内的过量空气系数沿烟气流程是逐渐增大的。从炉膛出口开始，烟道内任意截面处的过量空气系数为：空气预热器中的过量空气系数：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。式中：β′Ky、β″Ky分别为空气预热器进口和出口的过量空气系数。在空气预热器中：考虑到炉膛及制粉系统的漏风，β″Ky与α″1之间关系为：式中:Δαl——炉膛漏风系数Δαzf——制粉系统漏风系统例：某锅炉尾部受热面采用双级布置如图示，负压制粉系统。假定Ⅰ、Ⅱ级空气预热器、炉膛和制粉系统的漏风系数以及炉膛出口过量空气系数均已知。试写出第Ⅰ级空气预热器入口处的过量空气系数

。高温空气预热器低温空气预热器制粉系统送风机高温省煤器低温省煤器炉膛出口1、理论烟气容积当α=1且完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积。用符号Vy0表示，三、燃烧产生的烟气容积计算理论烟气的组成成分为：CO2、SO2、N2、H2O1）、理论烟气的组成成分其相应的体积分别记为：各组成成分体积均可根据燃烧反应求出2．理论烟气量的计算理论烟气量：理论干烟气量VVVVVOHNSOCOy0002222+++=（1）二氧化碳和二氧化硫的体积VCO2、VSO2根据C、S的燃烧反应可求出：（2）理论氮气体积（V0N2）燃料中的氮所占体积理论空气量中的氮所占的体积则理论氮气容积：由两部分组成：（3）理论水蒸气体积（V0H2O）

四部分组成：燃料中的氢完全燃烧生成的水蒸气体积：燃料中的水汽化生成的水蒸气体积：理论空气量带入的水蒸气体积：采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积：理论水蒸汽量：理论烟气量：●实际烟气的组成成分为：从成分上看比理论烟气量多了一项自由氧O2。从烟气的总量上看，多了过量空气，以及随其带入的水蒸气。其中：四、完全燃烧时的实际烟气量其相应的体积分别记为：CO2、SO2、N2、O2、H2O2、

完全燃烧时实际烟气量的计算完全燃烧时烟气体积：根据前面所讲述的内容总结出实际烟气中各组成部分的体积表达式：问题？实际烟气量：五、不完全燃烧时的烟气量1、不完全燃烧烟气的成分：CO2、SO2、N2、O2、H2、CO、CmHn其中H2、CmHn数量很少一般在工程计算可以忽略。因此燃料不完全燃烧时的烟气量：其中：与完全燃烧时完全相同，需要重新计算的量。2、二氧化碳与一氧化碳的体积完全燃烧和不完全燃烧生成的CO和CO2的体积VCO、VCO2为:可见，如果不完全燃烧产物只有CO，那么不论燃烧是否完全，烟气中碳的燃烧产物的总容积是不变的。3．不完全燃烧时烟气中氧的体积

不完全燃烧时，烟气中氧的体积等于过量空气中氧的体积与不完全燃烧少消耗的氧的体积之和，即：六、烟气中三原子气体的容积份额和飞灰浓度在锅炉辐射换热计算中，要用到三原子气体及水蒸气的容积份额和分压力、：1、三原子气体的容积份额和分压力，

αfh—烟气携带出炉膛的飞灰占总灰分的质量份额；

my—1kg燃料的烟气质量；

P—烟气的总压力。2、飞灰浓度每千克烟气中的飞灰质量。Kg/kg第三节

烟气分析方法1、烟气分析目的：1、监测炉内的燃烧状况。2、了解燃烧的完全程度（即q3大小）。3、燃烧的条件（即炉膛出口的过量空气系数大小）。4、了解烟道的漏风情况。方法：化学吸收法、电气测量法、红外吸收法及色谱分析法一、烟气分析

化学吸收法，它是将一定容积的烟气试样顺序和某些化学吸收剂相接触，对烟气的各组成气体逐一进行选择性吸收，每次减少的容积即是被测成分在烟气中所占的容积。2、奥氏烟气分析仪●测量原理：●吸收剂：第一个吸收瓶放氢氧化钾（KOH）溶液，吸收RO2；第二个吸收瓶放焦性没食子酸C6H3(OH)3的碱性溶液，吸收O2（同时也吸收RO2）；第三个吸收瓶放氯化亚铜氨溶液Cu(NH3)2Cl，吸收CO（同时也吸收O2）。※注意：由于后两瓶的吸收剂有双重吸收功能，故操作时必须按1、2、3瓶的次序依次进行，不可颠倒。●测量步骤：烟气U形管过滤器除去灰和杂质取出100ml烟气吸收瓶1吸收瓶2吸收瓶3测量出RO2测量出O2测量出CO1、奥氏气体分析仪测得的是干烟气的组成成分：测定时饱和烟气中水蒸汽比例是一定的，某种气体成分析出时，水蒸汽也成比例析出。2、烟气分析顺序不能颠倒：主要由于后两个吸收瓶都具有双重吸收功能，即：焦性没食子酸的碱性溶液，即吸收O2同时也吸收RO2；氯化亚铜氨溶液，即吸收CO同时也吸收O2，所以顺序不能颠倒。3、由于CO的含量太少，一般采用计算方法。4、不适用在线监测因为奥氏分析仪测量气体成分需要时间较长。※几点说明：2、不完全燃烧干烟气的容积成分●

不完全燃烧时

CO2、SO2、N2、O2、CO则：CO2+SO2+N2+O2+CO=100