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，分壓很小），均可作理想氣體，每摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的容積是22.

2、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+1.866Nm3O21.866Nm3CO2

3、 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 1kgH2+5.56Nm3O211.1Nm3H2O

4、 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）燃料完全燃燒所需的空氣量。 1kg燃料完全燃燒需要的

5、理論氧氣總量為： 燃料本身的氧量:301007 . 010055. 5100866. 12NmSHCVarararO31007 . 0100324 .22NmOOarar1kg燃料完全燃燒真正需由空氣提供的理論氧量為：3Nm1007 . 01007 . 010055. 5100866. 102ararararOOSHCV1kg燃料燃燒所需的理論空氣量V0為： 3Nm)(0333. 0265. 00889. 021. 01002ararararOOSHCVV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V

6、k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）。0VVk 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?。喝加脽o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 對于負壓運行的鍋爐，外界冷空氣會通過鍋爐的不嚴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與理論空氣量V0之比稱為漏風(fēng)系數(shù)。 以表示，即： 0VVk 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。kykykykyky 在空氣預(yù)熱器中，

7、有： kykykykykyky kykykykyky 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： kgNmVVVVV/30O2H02N22SOCO0ykgNmVVVOHgyy/300202理論煙氣量的計算kgNmVVVVV/30O2H02N22SOCO0ykgNmVVVOHgyy/300200yV2SOV2COV02N

8、V0O2HV2ROV0gyV0yV1二氧化碳和二氧化硫的體積 4 .2232100866. 1100324 .224 .2212100866. 1100124 .222222ararararSSSOOSCCCOOC1007 . 0100866. 12ARarROSCV2理論氮氣體積 0079. 0100284 .222VNVarN0079. 01008 . 02VNVarN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

9、Nm3/kg ( dk=0.01kg/kg)10024. 1100184 .22ararMM1001 .11100224 .222ararHH 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: whararHWVHMV24. 10161. 0111. 00124. 00002whwhWW24. 1184 .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

10、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 表示成干煙氣：OHONSOCOyVVVVVV22222222SOCOROVVVkgNmVVVOHgyy/321二氧化碳和二氧化硫的體積4 .2232100866. 1100324 .224 .2212100866. 1100124 .222222ararararSSSOOSCCCOOC1007 . 0100866. 12ararROSCV 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. 022VVVNN3氧的體積 氧的體積也就是過量空氣中包含的氧，即：0) 1(21.

11、02VVO4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：000) 1(61. 122VdVVkOHH000) 1(0161. 0) 1(VVVVyy00) 1(VVVgygy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，可以認為煙氣中不完全燃燒產(chǎn)物只有CO。煙氣量為： OHONSOCOCOyVVVVVVV222221二氧化碳與一氧化碳的體積 100866. 1100866. 1100866. 12

12、22,arCOCOCOarCOCOarCOCVVCVCV2不完全燃燒時煙氣中氧的體積COOCOarOVVVCVV5 . 0) 1(21. 0100866. 15 . 0) 1(21. 00.022得到：)5 . 0(21. 079. 022220COONOCOROgyVVVVVVV四煙氣中三原子氣體的容積份額和飛灰濃度 prpVVrprpVVrOHOHgyOHOHROROgyRORO22222222,容積份額飛灰濃度kgkgmaAyfhar/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

13、：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數(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

14、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）%10022gyROVVRO%10022gyOVVO%10022

15、gyNVVN100222NORO 完全燃燒方程式： 燃料特性系數(shù)22)1 (21ROOarararararROarSCNOHVVN375. 0038. 0126. 035. 279. 079. 01008 . 021. 020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，12122ORO121)(max2RO基本知識 在燃煤的條件下，通常，%19142RO%422ORO2O2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. 021222COROCOORO605

16、. 0)()21(222OROROCO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）KggkkkVVVVVVV1107979. 079. 01008 . 079. 02222NVVNVVVgyNarNairNk2121. 022OVVVgyOg)(100792121222OROO 利用完全燃燒方程式，可用O2代替RO2，結(jié)果為：2max2)(RORO22121O測定煙氣中的O2，即可計算得到過量空氣系數(shù) 廣泛采用：22121O測定煙氣中的RO2，也可計算得到過量空氣系數(shù) 較少采用：2max2)(RORO煙氣成分隨過量空氣系數(shù)的變化21CO2%

17、，O2%O2CO2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每公斤空氣

18、含有10克水。二、煙氣焓 煙氣的組成VyVy0VRO2V0N2V0H2O(-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。hfharkyycaAcVII)(100)() 1(00IyIy0IRO2= VRO2I0N2= V0N2I0H2O= V0H2O(-1-1)I0=(-1-1)V0Ifh1、理論煙氣焓 1m3的成分在溫度時的焓值，可查表。OHOHNNROROycVcVcVI22)()()(0202220ic )(2、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）h

19、fharcaA)(100kJ/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：),(fIy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?，一定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。 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，原因及改進措施，新產(chǎn)品的鑒定等。 方法：通過鍋爐機

20、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）654321QQQQQQQrkJ/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.%,10011rQQq鍋爐的熱效率鍋爐的熱效率 正平衡表達式： 反平衡表達式：rrglBQQQQq%10011%)(10065432qqqqqgl 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：654321QQQQQQQr

21、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。zqwrrnetarrQQiQQ,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 % ，沉降灰量：Gcjh，kg/h。%lzChkgGlz/hkgGfh/%fhC表達式： 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fhlzQQQ444lzQ4fhQ4 每小時所損失的可燃物

22、重量 每小時損失的熱量 折算到每公斤燃料所損失的熱量：hkgCGCGfhfhlzlz/100100hkcalCGCGfhfhlzlz/)100100(7830kgkcalCGCGBQfhfhlzlz/)100100(3 .784lzG可知，fhlzCC ,可以取樣測得，fhG最不易測得灰平衡 進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100100100100100fhfhlzlzarCGCGABarfhfharlzlzBACGBACG)100()100(1%1fhlzaa arlzlzlzBACGa)100(arfhfhfhBACGa)100( 結(jié)果為：BQBCCaCCaCC

23、aAQsznetarszcjhcjhcjhfhfhfhlzlzlzar,4)100100100(27.337%10044rQQq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（負荷）等。為第二大損失。fhlzCC ,fhlzaa ,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

24、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時用Bj)100(4Bq10010010044qBqBBBj四、排煙熱損失Q2 由于排出鍋爐的煙氣焓高于進入鍋爐時的冷空氣焓而造成的熱損失。100100)(42qIIQlkpyfhkpyypyIIII00) 1(lpy%10022rQQq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。2、排煙容積 主要決定于

25、過量空氣系數(shù)的選取： 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??； 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等可燃氣體的存在，所引起的熱損失。 每公斤燃料所損失的熱量為各可燃氣體的容積與各自的容積發(fā)熱量乘積的總和。100100)(444223qQVQVQVQCHCHHHCOCO一般僅計入CO，其它忽略，發(fā)熱量， 12600 kJ/Nm3 （ 3020kcal/Nm3）.100gyCOVCOV100100.).6 .12(43qCOVQgyCOROSCVarargy2375. 0866. 1).%.100(235.56375. 043qCOROCOQSCqrarar討論q3 電站鍋爐可燃氣體很??； 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，%qq3+q4q2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然對流和輻射換熱。 散熱損失與鍋爐的容量成反比 散熱損失與鍋爐的負荷成