第3章 燃烧计算和热平衡计算

第三章燃烧计算和锅炉机组热平衡

第一节燃烧过程的化学反应第二节燃烧所需的空气量计算第三节燃烧产物计算第四节烟气成分和烟气分析第五节燃烧方程式第六节运行中过量空气系数的确定第七节空气和烟气的焓第八节锅炉机组的热平衡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。在计算时假定：

1）空气和烟气的所有组成成分，包括水蒸气都是理想气体，因此，每一千摩尔气体在标准状态下的容积是22.41Nm3；

2）所有空气和其它气体容积的计算单位都是Nm3，即以0℃一标准大气压（0.1013Mpa）状态下的立方米为单位。锅炉机组的热平衡反映了输入锅炉热量的利用与损失状况，通过热平衡的研究可以找出提高锅炉热效率的途径。第一节燃烧过程的化学反应煤的可燃燃烧成分：碳（C）、氢（H）、硫（S）。1.碳的燃烧：C+O2→CO2+407000kJ/kmol（C）（3－1）即：1kgC+1.866Nm3O2→1.866Nm3CO2上式说明，每1kg的C完全燃烧需要1.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO2。完全燃烧：（反应方程式）2C+O2→2CO+123100kJ/kmol（C）（3－2）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）2H2+O2→2H2O+241200kJ/kmol（H2）（3－3）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）3、硫的燃烧：（反应方程式）S+O2→SO2+334900kJ/kmol（S） （3－4）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。第二节燃烧所需的空气量本节主要介绍三部分内容：理论空气量实际空气量和空气过量系数漏风系数和空气平衡一．理论空气量概念：1kg（或1Nm3）燃料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，其代表符号为V0。求理论空气量的一般过程：1kg收到基燃料中C、H、S的量（前已讲述）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：※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）碳和硫的完全燃烧反应可写成通式R+O2→RO2，其中 Rar=Car+0.375Sar。考虑空气中氧的容积成分为21%计算二．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。实际空气量Vk与理论空V0之比，即称为过量空气系数（

用于烟气量计算，

用于空气量计算）。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。三．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：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：式中α—炉膛出口与计算烟道截面间，各段烟道漏风系数的总和。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。在空气预热器中：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。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α′1

——炉膛漏风系数

α″1——制粉系统漏风系统第三节

燃烧产生的烟气量1、理论烟气的组成成分理论烟气的组成成分为：其相应的体积分别记为：CO2、SO2、N2、H2O各组成成分体积均可根据燃烧反应求出一、理论烟气量2．理论烟气量的计算理论烟气量：理论干烟气量（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

）由两部分组成：燃料中的氮所占体积理论空气量中的氮所占的体积（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：二．完全燃烧时的实际烟气量１、完全燃烧时实际烟气量的组成成分形成实际烟气量的基本物质燃料干空气量Vk随Vk进入炉膛的水分

CO2、SO2、N2、O2、H2O其相应的体积分别记为：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：过量空气：0.21的氧0.79的氮水蒸汽2、

完全燃烧时实际烟气量的计算完全燃烧时烟气体积：完全燃烧时烟气中的各成分均假设为理想气体，三、不完全燃烧时的烟气量烟气的成分：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。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：1．二氧化碳与一氧化碳的体积1kg燃料中含碳

燃烧生成CO2

燃烧生成CO这两部分碳燃烧生成的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。2．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：求出推导上式的目的并不在于计算不完全燃烧时的干烟气体积，而在于推导后面的不完全燃烧方程式。第四节

烟气成分和烟气分析1．干烟气的容积成分不完全燃烧时其中H和CmHn数量很少，工程计算中可忽略不计一般认为不完全燃烧时：即：其中：在锅炉运行中，烟气的成分及含量直接反映出炉内的燃烧工况。因而，测定烟气的成分和含量，对于判断炉内燃烧工况、进行燃烧调整以改进燃烧热备都是非常必要的。如果测出了烟气的成分和含量，不但可以了解燃烧的完全程度（即q3大小）、燃烧的条件（即大小）也可以了解烟道的漏风情况等。2．奥氏烟气分析仪测量原理：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。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）。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CO每次用量筒测得的数值就是干烟气成分的容积百分数。计算公式：或前面已经求出三者的含量：第五节 燃烧方程式

不完全燃烧方程式根据前面所求出的各反应方程可推倒出来其中：燃烧特性系数β系数β称为燃料特性系数，它只取决于燃料中C、H、O、N、S，而与M和A无关。由β的计算式可知，β是一个无因次的比例系数，因此它与燃料分析成分的表示基准也无关。完全燃烧方程式：CO=0？完全燃烧α=1(O2=0)？只决定于燃料的特性系数β，所以也只决定于燃料的元素组成，也是一个表征燃料特性的特征值。第六节运行中过量空气系数的确定

过量空气系数对锅炉的燃烧和经济运行有很大影响，在锅炉运行中，通过烟气分析准确迅速的测量过量空气系数，是保证锅炉安全经济运行的基础。据过量空气系数的定义，有：不完全燃烧时的过量空气系数：？CO=0完全燃烧时的过量空气系数：根据前面所讲推导求出根据β的数值相对较小可忽略不记过量空气系数与烟气中氧的容积成分O2基本上一一对应，所以在运行中只要知道了烟气中的含氧量O2，就可以知道运行中的过量空气系数。目前，锅炉采用磁性氧量计或氧化锆氧量计来测量烟气中的含氧量O2。第七节空气和烟气的焓要进行锅炉受热面的传热计算，必须知道如何计算空气和烟气的焓。在这里空气和烟气的焓是指在定压条件下，将1kg燃料所需的空气量或所产生的烟气量从0℃加热到t℃（空气）或

℃（烟气）时所需的热量，单位为kJ/kg。一、空气焓理论空气量的焓实际空气量的焓(ct)k——1Nm3干空气连同其携带的水蒸气在温度t℃时的焓（见表4-4）。二、烟气焓1．理论烟气的焓2．实际烟气的焓式中(c

)h—1kg灰在

℃时的焓实际烟气焓Iy等于理论烟气焓Ik0

、过量空气焓（α－1）Ik0和烟气中飞灰焓Ifh之和，即：第八节锅炉机组的热平衡研究锅炉机组的热平衡目的就在于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，降低发电成本。一．热平衡方程输入输出锅炉的能量见图3－2，根据能量平衡原理，可以很容易的写出锅炉的热平衡方程。在讨论各种能量时，均以1kg燃料为基础，所以其单位都为kJ／kg。Qr—输入锅炉热量Q1—有效利用热各项热损失Q2—排烟热损失Q3—气体未完全燃烧热损失Q4—固体未完全燃烧热损失Q5—散热损失Q6—灰渣物理热损失锅炉锅炉能量示意图：锅炉机组的热平衡方程：Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6kJ/kgq1+q2+q3+q4+q5+q6=100两边同除Qr锅炉效率二、锅炉输入热量Qr锅炉输入热量Qr四部分组成Qar,net—燃料的收到基低位发热量，kJ/kg；ir——燃料物理显热，kJ/kg；Qwr—外来热源加热空气时带入的热量，kJ/kg；Qzq—雾化燃油所用蒸汽带入的热量，kJ/kg。对于煤粉炉，ir数值相对较小，可以忽略。2．

外来热源加热空气时带入的热量Qwr其中：

β′——空气预热器入口处的过量空气系数；

Ik0——按加热后空气温度计算的理论空气的 焓，kJ/kg；

Ilk0——基准温度下的理论空气焓，kJ/kg。3．

雾化燃油所用蒸汽带入的热量Qzq式中

Gzq——雾化1kg燃油所用的蒸汽量，kg/kg；

izq——雾化蒸汽在入口参数下的焓，kJ/kg；

izq.o——基准温度下饱和汽的焓，kJ/kg。可近似 取为2510kJ/kg。对于燃煤锅炉，如果燃料和空气都没有利用外界热量进行预热，输入热量Qr=Qar,net。三.固体不完全燃烧热损失Q4损失因素：概念：固体不完全燃烧热损失是灰中未燃烧或未燃尽的碳造成的热损失和使用中速磨煤机时排出石子煤的热量损失，也称为机械未完全燃烧损失。燃料性质燃烧方式、炉膛型式和结构、燃烧器设计和布置炉膛温度、锅炉负荷运行有水平、燃料在炉内的停留时间和空气的混合情况固体未完全燃烧热损失是燃煤锅炉的主要热损失之一，一般仅次于排烟热损失。燃料性质煤中灰分和水分越少、挥发分含量越多、煤粉越细，则q4越小；燃烧方式、炉膛型式和结构、燃烧器设计和布置在燃料性质相同的条件，炉膛结构合理（有适当的高度和容积），喷燃器的结构性能好，布置位置适当，使气粉有较好的混合条件和较长的炉内停留时间，则q4较小；炉膛温度、锅炉负荷炉内过量空气系数适当，炉膛温度较高时，q4也较小。锅炉负荷过高将使煤粉来不及在炉内烧透，负荷过低则炉温降低，都将使q4增大。四．排烟热损失Q2概念：排烟热损失是由于排烟所拥有的热量随烟气排入大气而未被利用造成的。排烟热损失是锅炉热损失中最大的一项，大中型锅炉正常运行时的q2约为（4~8）%组成干烟气带走的热量烟气所含水蒸气的显热影响锅炉排烟温度和排烟容积的因素：燃料的性质受热面的积灰、结渣或结垢炉膛出口的过量空气系数以及烟道各处的漏风当煤中的水分和硫分较高时，为了避免或减轻尾部受热面的低温腐蚀，必须采用较高的排烟温度。水分增大，使排烟容积增大受热面发生积灰、结渣或结垢时，烟气与受热面的换热量减少，排烟温度就会升高。炉膛出口的过量空气系数以及烟道各处的漏风增加将增大排烟的容积。五．可燃气体未完全燃烧热损失Q3概念：可燃气体未完全燃烧热损失亦称化学未完全燃烧热损失.。是锅炉排烟中残留的可燃气（CO、H2、CH4等）未燃烧放热而造成的热损失，等于烟气中各种可燃气体