燃料燃燒計算和鍋爐機組熱平衡1

1、第三章第三章 燃料燃燒計算和鍋爐機組熱平衡燃料燃燒計算和鍋爐機組熱平衡 第一節(jié)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng) 第二節(jié)燃燒所需的空氣量燃燒所需的空氣量 第三節(jié)燃燒產(chǎn)生的煙氣量燃燒產(chǎn)生的煙氣量 第四節(jié)煙氣分析煙氣分析 第五節(jié)燃燒方程式燃燒方程式 第六節(jié)運行中過量空氣系數(shù)的確定運行中過量空氣系數(shù)的確定 第七節(jié)空氣和煙氣的焓空氣和煙氣的焓 第八節(jié)鍋爐機組的熱平衡鍋爐機組的熱平衡 第九節(jié)鍋爐機組的熱平衡試驗鍋爐機組的熱平衡試驗 鍋爐燃燒計算的前提鍋爐燃燒計算的前提 1空氣量與煙氣量的計算均以1kg的收到 基燃料為基礎(chǔ)； 2空氣和煙氣的所有組成成分（包括水蒸 汽，分壓很?。?，均可作理想氣體，每 摩爾

2、氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的容積是22.41Nm3； 3. 氣體容積計算的單位均為Nm3/kg。 第一節(jié)第一節(jié) 燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng) 1. 化學(xué)反應(yīng)式化學(xué)反應(yīng)式 C+O2 CO2 + 407000kJ/k mol 2C+O2 2CO + 123100kJ/k mol 2H2+O2 2H2O + 241200kJ/k mol S+O2 SO2 + 334900kJ/k mol 第一節(jié)第一節(jié) 燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng) 碳燃燒消耗的氧氣量（完全燃燒） C+O2CO2+407000kJ/k mol 可得：12.1kgC+22.41Nm3O222.41Nm3CO2 即 1kgC+1.86

3、6Nm3O21.866Nm3CO2 上式說明，每1kgC完全燃燒需要1.866Nm3的O2 并產(chǎn)生1.866Nm3的CO2。 碳的燃燒 碳燃燒消耗的氧氣量（不完全燃燒） 2C+O22CO+123100kJ/k mol 可得： 212.1kgC+22.41Nm3O2 222.41Nm3CO 即 1kgC+0.51.866Nm3O21.866Nm3CO 也即每1kgC不完全燃燒需要0.51.866Nm3的O2 并產(chǎn)生1.866Nm3的CO。 碳的燃燒 氫的燃燒 2H2+O22H2O+241200kJ/k mol 可得： 22.016kgH2+22.41Nm3O2222.41Nm3H2O 即 1kg

4、H2+5.56Nm3O211.1Nm3H2O 即: 每1kgH燃燒需要5.56Nm3的O2并產(chǎn)生11.1Nm3 的H2O。 硫的燃燒 S+O2SO2+334900kJ/k mol 可得：32kgS+22.41Nm3O222.41Nm3SO2 即 1kgS+0.7Nm3O20.7Nm3SO2 即每1kgS燃燒需要0.7Nm3的O2并產(chǎn)生 0.7Nm3的SO2。 第二節(jié) 燃燒所需的空氣量 一理論空氣量 1kg（或1Nm3）燃料完全燃燒時所需的最 低限度的空氣量（空氣中的氧無剩余） 稱為理論空氣量。 以容積表示時，其代表符號為V0 。 理論空氣量也就是從燃燒反應(yīng)方程式出 發(fā)導(dǎo)出的1kg（或1Nm3）

5、燃料完全燃燒所 需的空氣量。 1kg燃料完全燃燒需要的理論氧氣總量為： 燃料本身的氧量: 30 100 7 . 0 100 55. 5 100 866. 1 2 Nm SHC V ararar O 3 100 7 . 0 10032 4 .22 Nm OO arar 1kg燃料完全燃燒真正需由空氣提供的理論 氧量為： 3 Nm 100 7 . 0 100 7 . 0 100 55. 5 100 866. 1 0 2 arararar O OSHC V 1kg燃料燃燒所需的理論空氣量V0為： 3 Nm)(0333. 0265. 00889. 0 21. 0 1 00 2 ararararO OS

6、HCVV 二實際空氣量和過量空氣系數(shù) 在鍋爐的實際運行中，為使燃料燃盡， 實際供給的空氣量總是要大于理論空氣 量，超過的部分稱為過量空氣量。 實際空氣量Vk與理論空V0之比稱為過量 空氣系數(shù)（用于煙氣量計算，用于空 氣量計算）。 0 V V k 實際空氣量：Vk=V0 鍋爐燃燒在爐膛出口結(jié)束。該處過量空 氣系數(shù)對燃燒影響較大。一般設(shè)計時?。?燃用無煙煤及劣質(zhì)煙煤，1.21.25； 燃用煙煤及褐煤：1.151.20。 三漏風(fēng)系數(shù)和空氣平衡 對于負(fù)壓運行的鍋爐，外界冷空氣會通過鍋爐 的不嚴(yán)密處漏入爐膛以及其后的煙道中，致使 煙氣中的過量空氣增加。 相對于1kg燃料而言，漏入的空氣量Vk與理 論空氣

7、量V0之比稱為漏風(fēng)系數(shù)。 以表示，即： 0 V V k 空氣預(yù)熱器中，空氣側(cè)壓力比煙氣側(cè)高， 所以會有部分空氣漏入煙氣側(cè)，該級的 漏風(fēng)系數(shù)ky要高些。 ky ky ky ky ky 在空氣預(yù)熱器中，有： kykyky kykyky ky ky ky ky ky 第三節(jié) 燃燒產(chǎn)生的煙氣量 一、理論煙氣量 1、理論煙氣的組成成分 如果實際參加燃燒的濕空氣中的干空氣量等于 理論空氣量，且使1kg的燃料完全燃燒時產(chǎn)生的煙氣 量稱之為理論煙氣量。 理論煙氣的組成成分為： CO2、SO2、N2、H2O。 2理論煙氣量的計算 因為理論煙氣中的各成分均為理想氣體， 所以： 也可以寫成干煙氣與水蒸氣的和： kg

8、NmVVVVV/ 3 0 O 2 H 0 2 N22 SOCO 0 y kgNmVVV OHgy y / 30 0 2 0 2理論煙氣量的計算 kgNmVVVVV/ 3 0 O 2 H 0 2 N22 SOCO 0 y kgNmVVV OHgy y / 30 0 2 0 0 y V 2 SO V 2 CO V 0 2 N V 0 O 2 H V 2 RO V 0 gy V 0 y V 1二氧化碳和二氧化硫的體積 4 .2232 100 866. 1 10032 4 .22 4 .2212 100 866. 1 10012 4 .22 22 22 arar arar SS SOOS CC COO

9、C 100 7 . 0 100 866. 1 2 ARar RO SC V 2理論氮氣體積 00 79. 0 10028 4 .22 2 V N V ar N 00 79. 0 100 8 . 0 2 V N V ar N 由兩部分組成：燃料中的氮所占體積和理論 空氣量中的氮所占的體積，即: 3理論水蒸氣體積 （1）由煤中的水分: （2）煤中氫元素轉(zhuǎn)換的水分: （3）由理論空氣量V0帶入的水分，即相對于每 kg燃煤帶入的水蒸汽容積: 1.61dkV0 Nm3/kg ( dk=0.01kg/kg) 100 24. 1 10018 4 .22 arar MM 100 1 .11 10022 4 .

10、222 arar HH 采用蒸汽霧化等設(shè)備帶入的水蒸氣體積： 可得理論煙氣量: whararH WVHMV24. 10161. 0111. 00124. 0 00 0 2 whwh WW24 . 1 18 4 . 22 二完全燃燒時的實際煙氣量 1、完全燃燒時實際煙氣量的組成成分 如果實際參加燃燒的濕空氣中的干空氣 量Vk大于理論空氣量V0（即1），且使 1kg的燃料完全燃燒時產(chǎn)生的煙氣量稱之 為完全燃燒時的實際煙氣量， 完全燃燒時實際煙氣的組成成分為： CO2、SO2、N2、O2、H2O， 2、完全燃燒時實際煙氣量的計算 完全燃燒時煙氣中的各成分均假設(shè)為理 想氣體，所以 ： 三原子氣體煙氣量

11、 表示成干煙氣： OHONSOCOy VVVVVV 22222 222 SOCORO VVV kgNmVVV OHgyy / 3 2 1二氧化碳和二氧化硫的體積 4 .2232 100 866. 1 10032 4 .22 4 .2212 100 866. 1 10012 4 .22 22 22 arar arar SS SOOS CC COOC 100 7 . 0 100 866. 1 2 arar RO SC V 2氮氣體積 兩部分組成：理論氮氣量和過量空氣中 包含的氮氣量，即： 00 ) 1(79. 0 22 VVV NN 3氧的體積 氧的體積也就是過量空氣中包含的氧， 即： 0 ) 1

12、(21. 0 2 VVO 4水蒸氣體積 兩部分組成：理論水蒸氣量和隨過量空 氣帶入的水蒸氣量，即： 00 0 ) 1(61. 1 22 VdVV kOHH 000 ) 1(0161. 0) 1(VVVV yy 0 0 ) 1(VVV gygy 三、不完全燃燒時的煙氣量 當(dāng)發(fā)生不完全燃燒時，煙氣的成分除了CO2、SO2、 N2、O2、H2O外，還有不完全燃燒產(chǎn)物CO以及H2 和CmHn等。其中H和CmHn數(shù)量很少，一般工程計算 中可忽略不計。 因此，當(dāng)燃料不完全燃燒時，可以認(rèn)為煙氣中不完 全燃燒產(chǎn)物只有CO。煙氣量為： OHONSOCOCOy VVVVVVV 22222 1二氧化碳與一氧化碳的體

13、積 100 866. 1 100 866. 1 100 866. 1 2 2 2 , , ar COCO COar CO COar CO C VV C V C V 2不完全燃燒時煙氣中氧的體積 COO COar O VVV C VV 5 . 0) 1(21. 0 100 866. 15 . 0) 1(21. 0 0 . 0 2 2 得到： )5 . 0( 21. 0 79. 0 222 2 0 COONOCOROgy VVVVVVV 四煙氣中三原子氣體的容積 份額和飛灰濃度 prp V V r prp V V r OHOH gy OH OH RORO gy RO RO 22 2 2 22 2

14、2 , , 容積份額 飛灰濃度kgkg m aA y fhar / 100 第四節(jié) 煙氣分析 煙氣分析的目的煙氣分析的目的 對于一臺正在運行中的鍋爐，如何知道實際送 入鍋爐的空氣量？如何知道空氣量是否合適？ 鍋爐燃燒調(diào)整？ 答案：通過實時、在線監(jiān)測鍋爐過量空氣系數(shù)。 爐膛出口及煙道各處的過量空氣系數(shù)？煙氣分 析測出某處的煙氣成分，再由過量空氣系數(shù)的 計算式算出。 一、干煙氣的容積成分一、干煙氣的容積成分 如果燃燒不完全，則干煙氣的成分為： CO2+SO2+O2+N2+CO=100 通過煙氣分析，可測得CO2、SO2、O2、 CO的含量。 二、奧氏煙氣分析儀二、奧氏煙氣分析儀 圖3-1 原理：化

15、學(xué)吸收 注意：測量得到的數(shù)據(jù)為煙氣成分的容 積百分?jǐn)?shù) 煙氣成分分析儀 煙氣分析手段： 吸收劑吸收 燃燒吸收 色譜分析 化學(xué)方法 導(dǎo)熱性 導(dǎo)磁性 導(dǎo)電性 光學(xué)性 物理方法 三、根據(jù)煙氣分析結(jié)果對干煙氣體積的計算三、根據(jù)煙氣分析結(jié)果對干煙氣體積的計算 奧氏分析儀的分析結(jié)果為煙氣體積百分含 量，則可得書式3-50 煙氣成分分析儀得到濃度數(shù)據(jù)，ppm（百 萬分之一） 現(xiàn)用mg/m3，換算關(guān)系： 1ppm=分子量/22.4 mg/m3。 各種分析設(shè)備均已經(jīng)商業(yè)化。電廠均要 求上煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)。 在燃燒正常的情況下，煤粉爐爐膛出口 煙氣中的主要成分含量范圍： RO2=1416%；O2=25% 第五節(jié) 燃

16、燒方程式 原理 在燃料與空氣完全燃燒的條件下， 燃燒煙氣產(chǎn)物中的RO2和O2與燃料的元素 分析成分之間必然存在一定的關(guān)系。 完全燃燒方程反映其間內(nèi)在關(guān)系。 推導(dǎo)（完全燃燒，無CO） 由煙氣分析的結(jié)果（均為干煙氣成分） %100 2 2 gy RO V V RO %100 2 2 gy O V V O %100 2 2 gy N V V N 100 222 NORO 完全燃燒方程式： 燃料特性系數(shù) 22 )1 (21ROO arar ararar RO ar SC NOH V V N 375. 0 038. 0126. 0 35. 2 79. 0 79. 0 100 8 . 0 21. 0 2

17、0 討論 煙氣中三原子氣體的最大百分比含量: 由完全燃燒方程得： 當(dāng)送入理論空氣量，且完全燃燒時， 1 21 2 2 O RO 1 21 )( max2 RO 基本知識 在燃煤的條件下，通常， %1914 2 RO %42 2 O RO2 O2 不完全燃燒方程不完全燃燒方程 在不完全燃燒的條件下，且認(rèn)為僅存在CO， 將滿足如下方程， 由不完全燃燒方程，可以干煙氣中CO的含量 )(605. 021 222 COROCOORO 605. 0 )()21( 222 ORORO CO 第六節(jié)第六節(jié) 運行中過量空氣系數(shù)的確定運行中過量空氣系數(shù)的確定 通過煙氣分析得到。推導(dǎo)（完全燃燒） K ggk kk

18、V VVV V V V 1 1 0 7979. 079. 0 100 8 . 0 79. 0 2 2 2 2 NVV N V V V gyN ar N air N k 2121. 0 2 2 OVV V gyO g )(100 7921 21 22 2 ORO O 利用完全燃燒方程式，可用O2代替RO2， 結(jié)果為： 2 max2) ( RO RO 2 21 21 O 測定煙氣中的O2，即可計算得到過量空氣系 數(shù) 廣泛采用： 2 21 21 O 測定煙氣中的RO2，也可計算得到過量空氣系 數(shù) 較少采用： 2 max2 )( RO RO 煙氣成分隨過量空氣系數(shù)的變化 21 CO2%，O2% O2

19、CO2 第七節(jié)第七節(jié) 空氣和煙氣的焓空氣和煙氣的焓 焓的概念與計算焓的概念與計算 定義：指定條件下，將1kg物質(zhì)從0加熱到 時所需要的熱量，單位kJ/kg。 描述流動介質(zhì)進(jìn)行能量交換的關(guān)系時，焓是最 有用和有效的； 單位質(zhì)量的物質(zhì)所含的全部熱能，僅與狀態(tài)有 關(guān)，而與途徑無關(guān)； 實際計算中需要知道燃燒產(chǎn)物（常壓）的溫度 與焓值間的關(guān)系； 水蒸汽則需要根據(jù)溫度和壓力來求得焓值； 前人均已經(jīng)制成表格、圖線或程序。 一、空氣焓一、空氣焓 理論空氣焓計算： Ik0=V0（c）k，kJ/kg 實際空氣焓: Ik=Ik0， kJ/kg 式中： （c）k為1m3空氣連同攜帶的水蒸 氣在溫度為時的焓。表3-1

20、每公斤空氣含有10克水。 二、煙氣焓 煙氣的組成 Vy Vy0 VRO2 V0N2 V0H2O (-1-1)V0標(biāo)米干空氣的濕空氣標(biāo)米干空氣的濕空氣/公斤公斤 飛灰飛灰 煙氣焓組成 熱力學(xué)上，混合氣體的焓等于各組成氣 體焓的和，外加灰分的焓。 hfh ar kyy ca A cVII)( 100 )() 1( 00 Iy Iy0 IRO2= VRO2 I0N2= V0N2 I0H2O= V0H2O (-1-1)I0=(-1-1)V0 Ifh 1、理論煙氣焓 1m3的成分在溫度時的焓值，可查表。 OHOHNNROROy cVcVcVI 22 )()()( 0 2 0 222 0 i c )( 2

21、、實際煙氣的焓 理論煙氣焓加飛灰焓、過量空氣焓 飛灰熱焓值Ifh（只有含量高時才考慮） hfh ar ca A )( 100 kJ/kg 溫焓表 通過燃燒產(chǎn)物的焓值的計算，列出焓值與 溫度對應(yīng)的表格（編程計算），是鍋爐熱 力計算的基礎(chǔ)：即： ),(fI y 第八節(jié)第八節(jié) 鍋爐機組的熱平衡鍋爐機組的熱平衡 燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮埽欢?存在有效利用熱和損失的熱量。 研究熱量平衡的目的：定量計算與分析 各項能量的大小，找出引起熱量損失的 原因，提出減少損失的措施，提高鍋爐 效率，降低成本。 一、熱平衡方程 熱平衡的定義熱平衡的定義 送入鍋爐的燃料擁有熱量等于鍋爐的有效輸出 熱量加上各項熱損失

22、。 目的：確定鍋爐有效利用熱，各項熱損失，鍋 爐熱效率，燃料消耗量，運行水平，原因及改 進(jìn)措施，新產(chǎn)品的鑒定等。 方法：通過鍋爐機組的熱平衡試驗。 現(xiàn)代電站鍋爐的效率為90%左右，容量越大、 效率越高。 熱平衡方程式熱平衡方程式 相應(yīng)于每公斤固體及液體燃料：kJ/kg （美國ASME以每磅燃料的發(fā)熱量，德國以單 位時間內(nèi)所用燃料的發(fā)熱量，kJ/s） 654321 QQQQQQQrkJ/kg 式中各項的意義： 熱平衡的另一種表示式 通常用送入熱量的百分比來表示： 654321 %100qqqqqq .%,100 1 1 r Q Q q 鍋爐的熱效率鍋爐的熱效率 正平衡表達(dá)式： 反平衡表達(dá)式： r

23、r gl BQ Q Q Q q%100 1 1 %)(100 65432 qqqqq gl 以下將分別介紹熱平衡方程中各項的計算方 法、鍋爐效率及鍋爐的燃料消耗量B： 654321 QQQQQQQr 二、鍋爐輸入熱量Qr 對應(yīng)1kg燃料輸入鍋爐的熱量為： 只有高水分煤、用外界熱量加熱油及空 氣時，才考慮公式后三項。 zqwrrnetarr QQiQQ , kJ/kg 三、固體不完全燃燒熱損失Q4 計算方法： 原則：灰渣及飛灰中的含碳量與碳的發(fā)熱量的乘積 的總和 定義： 灰渣中含碳的重量百分比為： ，灰渣量： 飛灰中含碳的重量百分比為： ，飛灰量： 沉降灰中含碳的重量百分比為： Ccjh % ，

24、沉降灰量： Gcjh，kg/h。 % lz C hkgGlz/ hkgG fh / % fh C 表達(dá)式： 灰渣中未燃燒或未燃盡的碳粒引起 的損失； 未燃盡碳粒隨煙氣排出爐外而引起 的熱損失 fhlz QQQ 444 lz Q4 fh Q4 每小時所損失的可燃物重量 每小時損失的熱量 折算到每公斤燃料所損失的熱量： hkg C G C G fh fh lz lz / 100100 hkcal C G C G fh fh lz lz /) 100100 (7830 kgkcal C G C G B Q fh fh lz lz /) 100100 ( 3 .78 4 lz G可知， fhlz CC

25、 ,可以取樣測得， fh G最不易測得 灰平衡 進(jìn)入鍋爐的總灰量等于排出鍋爐的灰渣、飛灰 中的灰分的總和 定義 100 100 100 100 100 fh fh lz lz ar C G C G A B ar fhfh ar lzlz BA CG BA CG )100( )100( 1 %1 fhlz aa ar lzlz lz BA CG a )100( ar fhfh fh BA CG a )100( 結(jié)果為： B QB C C a C C a C C aAQ sz netarsz cjh cjh cjh fh fh fh lz lz lzar , 4 ) 100100100 (27.3

26、37 %100 4 4 r Q Q q 討論q4 在鍋爐運行中， 可以取樣測得， 可以查表，或做灰平衡實驗得到 鍋爐的設(shè)計中，根據(jù)燃料的種類及燃燒 方式直接選用：0.55% 大小取決于：燃料的種類（揮發(fā)份與灰 分等），煤粉的細(xì)度，過量空氣系數(shù)， 爐膛的結(jié)構(gòu)（決定了停留時間），鍋爐 的運行方式，爐膛的溫度（負(fù)荷）等。 為第二大損失。 fhlz CC , fhlz aa , q4對空氣量和煙氣量的影響 假定送入鍋爐的燃煤量B中，有 的燃料 根本沒有燃燒，即沒有產(chǎn)生煙氣量，也不 需要空氣量， 實際上參加燃燒的不是實際送入的燃料量B， 而是計算燃料量Bj 熱平衡計算用實際燃料量B，計算空氣量和 煙氣量

27、時用Bj ) 100 ( 4 B q 100 100 100 44 q B q BBB j 四、排煙熱損失Q2 由于排出鍋爐的煙氣焓高于進(jìn)入鍋爐時 的冷空氣焓而造成的熱損失。 100 100 )( 4 2 q IIQ lkpy fhkpyypy IIII 00 ) 1( lpy %100 2 2 r Q Q q 影響排煙損失的主要因素： 為鍋爐最大項損失（約為4%8%） 1、排煙溫度 溫度高，則損失大，提高1015，損失增加約1%； 溫度低，則金屬的消耗大，流動的阻力大，還可能造成受熱面金 屬的低溫腐蝕。 運行中影響排煙溫度的主要因素是受熱面吸熱量的變化。 現(xiàn)代鍋爐排煙溫度一般為110160。

28、 2、排煙容積 主要決定于過量空氣系數(shù)的選?。?過量空氣系數(shù)大，風(fēng)機的消耗大，排煙損失增大；不完全燃燒損 失小； 過量空氣系數(shù)小，則可能不完全燃燒損失增大。 另外，燃料性質(zhì)、漏風(fēng)等，也使容積增加。 五、氣體未完全燃燒損失Q3 由于鍋爐排煙中CO，H2，CH4等可燃?xì)怏w的 存在，所引起的熱損失。 每公斤燃料所損失的熱量為各可燃?xì)怏w的容 積與各自的容積發(fā)熱量乘積的總和。 100 100 )( 4 44223 q QVQVQVQ CHCHHHCOCO 一般僅計入CO，其它忽略，發(fā)熱量， 12600 kJ/Nm3 （ 3020kcal/Nm3） . 100 gyCO V CO V 100 100 .).6 .12( 4 3 q COVQ gy CORO SC V arar gy 2 375. 0 866. 1 ).%.100( 2 35.56375. 0 43 q CORO CO Q SC q r arar 討論q3 電站鍋爐可燃?xì)怏w很??； 對煤粉爐： q3 =0； 氣體或液體燃料爐： q3 =0.5； 層燃爐： q3 =0.51.0 影響因素：揮發(fā)分含量、過量空氣系數(shù)、 鍋爐結(jié)構(gòu)等。 排煙溫度與過量空氣系數(shù)是一個經(jīng)濟技術(shù) 綜合考慮的參數(shù) 存在一個最佳過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù) q，% q q3+q4 q2 最佳 六、散熱損失 鍋爐的外表面溫度高于環(huán)境的溫度而向 外界通過大空間自