第四章物質平衡及熱平衡

第四章物質平衡及熱平衡第一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五§4—1燃燒所需空氣量燃燒是化學反應。可燃質碳生成二氧化碳，氫生成水蒸氣，硫生成二氧化硫，同時放出相應的反應熱。即

第二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五燃料完全燃燒時：如果碳不完全燃燒而生成一氧化碳，反應熱相應減少，即第三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五一、理論空氣量1.固體及液體燃料第五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五同樣可得出氫完全燃燒所需要的氧氣量

硫完全燃燒時所需要的氧氣量為每kg燃料中本身所包含的氧量為

第七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五每kg燃料完全燃燒時，所需要的氧氣量為：

鍋爐燃燒所需要的氧氣來源于空氣。由于空氣中氧氣的體積百分數為21％，所以，lkg燃料油完全燃燒所需要的理論空氣量為

第八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五2.氣體燃料標準狀態(tài)下1m3氣體燃料按燃燒反應計量方程完全燃燒所需要的空氣量（指干空氣）稱為氣體燃料的理論空氣量(m3／m3)。第十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五表4-1各種單一可燃氣體的燃燒化學反應式第十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五歸納出碳氫化合物的燃燒反應通式。即

已知碳氫化合物的分子式，就可由上式求得該碳氫化合物完全燃燒所需要的理論空氣量。第十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五氣體燃料的熱值越高，燃燒所需要的理論空氣量也越多。當燃氣的成分資料不全時，可采用近似式來估算理論空氣量的大小。

第十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五二、實際空氣量、過量空氣系數和漏風系數實際送入鍋爐的空氣量(m3/kg，液體燃料；m3／m3，氣體燃料)稱為實際空氣量，其值一般都大于理論空氣量。比理論空氣量多出的這一部分空氣稱為過量空氣。實際空氣量為理論空氣量與過量空氣量之和。第十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五二、過量空氣系數和漏風系數

第十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五許多鍋爐為負壓燃燒，煙氣量隨著煙氣流程而一路增大。應該指出，空氣預熱器區(qū)段煙道內的漏風，并非來自外界空氣，而是來自空氣預熱器內的空氣。

第二十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五鍋爐各煙道漏風系數的大小取決于負壓的大小及煙道的結構型式，一般為0.01～0.1。若鍋爐為微正壓燃燒，則煙道的漏風系數為零。在保證燃料充分燃盡的前提下，應盡可能降低過量空氣系數，即使趨近于1。

第二十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五§4—2燃燒產物及其計算

一、理論煙氣量和實際煙氣量第二十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五燃料燃燒后的產物就是煙氣。燃料中的可燃物質被全部燃燒干凈，即燃燒所生成的煙氣中不再含有可燃物質時的燃燒稱為完全燃燒。當只供給理論空氣量時，燃料完全燃燒后產生的煙氣量稱為理論煙氣量。理論煙氣的組成為CO2,SO2,N2和H2O。前三種組成合在一起稱為干煙氣。包括H2O在內的煙氣稱為濕煙氣。第二十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五煙氣中的CO2和SO2同屬三原子氣體，產生的化學反應式也有許多相似之處，并且在煙氣分析時常常被同時測出，將它們合并表示，稱為三原子氣體，用RO2表示。當有過量空氣時，煙氣中除上述組分外，還含過量的空氣，這時的煙氣量稱為實際煙氣量。若燃燒不完全，則除上述組分外，煙氣中還將出現(xiàn)CO,CH4

和H2等可燃成分。

第二十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五標準狀態(tài)下，lkg固體或液體燃料在理論空氣量下完全燃燒時所產生的燃燒產物的體積稱為燃料的理論煙氣量：

固體和液體燃料第二十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第二十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第二十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第二十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五理論水蒸氣的體積來源三個方面：

第三十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五3)隨理論空氣量帶入的水蒸氣的體積。

設1kg干空氣中含有的水蒸氣為d(g／kg)，則標準狀態(tài)下，lm3干空氣中含有的水蒸氣的質量為1.293d(kg)。

第三十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五實際燃燒是在過量空氣(α>1)條件下進行的，故實際煙氣體積中除理論煙氣量外，還有過量空氣及隨過量空氣帶入的水蒸氣。

第三十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五氣體燃料燃氣中各可燃組分單獨燃燒后產生的理論煙氣量可通過燃燒反應式來確定。具體可見有關教材。第三十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五由于三原子氣體、水蒸氣對爐內輻射換熱具有明顯的影響，在進行燃燒產物計算時，還需計算三原子氣體、水蒸氣的容積份額、分壓力。

第四十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五二、完全燃燒方程和不完全燃燒方程

鍋爐實際運行中，往往有不完全燃燒產物(一氧化碳、氫、碳氫化合物等)存在于煙氣中。氫及碳氫化合物通常含量極少，可不考慮，而一氧化碳含量則不能忽略。第四十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五煙氣量一般是借助于煙氣分析儀來確定的，即通過煙氣分析測定各種成分的容積份額，并據此計算出干煙氣量，同時用計算的方法求出煙氣中的實際水蒸氣容積，然后計算出煙氣的總容積。第四十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五用煙氣分析儀測定的是干煙氣中各種成分的容積份額：

第四十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五由碳的燃燒化學反應式可知，無論是生成二氧化碳還是一氧化碳、二氧化碳兼有，其總容積是相同的，即

代人上式，得

第四十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五由上式計算出的干煙氣容積與水蒸氣容積之和即為不完全燃燒時的煙氣總容積。當不考慮煙氣中含量極微的氫及碳氫化合物時，不完全燃燒時的煙氣成分可表示為

RO2+O2+CO十N2=100％其中，三原子氣體與氧所占干煙氣的份額可由煙氣分析儀測定。第四十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第四十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五

三原子氣體、一氧化碳和水蒸氣生成時所消耗的氧，可根據它們的燃燒化學反應式予以確定，即

第四十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五此式稱為不完全燃燒方程式。表示有不完全燃燒產物且只考慮一氧化碳時，煙氣中各種成分的容積份額與燃料中元素組成成分之間應滿足的關系。

第五十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五因此，當煙氣中剩余氧為零(即α=1)時，煙氣中RO2值達到最大，即第五十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五鍋爐運行時的過量空氣系數α可根據煙氣分析的結果予以確定。

由于燃料中的氮含量很少，燃燒后燃料釋放出來的氮的容積遠小于煙氣中氮的容積，即

第五十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五完全燃燒時，干煙氣的組分為R02+O2十N2=100，即N2=100—(R02+O)，于是，上式成為

當通過煙氣分析測出RO2和O2之后，便可由上式求得過量空氣系數。

第五十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第五十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第六十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五不完全燃燒時，煙氣中的氧既來自過量空氣，也來自理論空氣中由于碳不完全燃燒而未消耗的氧。若不完全燃燒產生中僅考慮CO時，未消耗的氧的體積份額為0.5CO，即過量空氣中的氧應為煙氣分析測定的氧減去0.5CO。因此

第六十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五此時，干煙氣中氮的容積份額為

第六十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五§4—3燃燒溫度和煙氣焓燃料和空氣送入爐內進行燃燒，它們帶入的熱量包括兩部分：其一是由燃料和空氣帶入的物理顯熱(燃料和空氣的熱焓)；其二是燃料的化學熱量(發(fā)熱值)。

如果燃燒過程在絕熱條件下進行，上述兩種熱量全部用于加熱煙氣本身，則煙氣所能達到的溫度稱為熱量計溫度。

第六十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五標準狀態(tài)下，燃料燃燒前后的熱平衡方程式為

第六十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第六十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五如果在熱平衡方程式中扣除化學不完全燃燒(包括CO2和H2O的分解吸熱)而損失的熱量和機械不完全燃燒而損失的熱量后（即燃燒為實際狀態(tài)），全部熱量用來加熱煙氣后所獲得的煙氣溫度稱為理論燃燒溫度或絕熱火焰溫度。第六十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五理論燃燒溫度的高低與燃料的熱值、燃燒產物的熱容量、燃燒產物的數量、燃料與空氣的溫度和過量空氣系數等因素有關。一般說來，理論燃燒溫度隨燃料的熱值的增大而增大。當燃料中含有較多的重烴時，由于熱值增高，理論燃燒溫度也增高。但是，有時熱值較低的燃料的理論燃燒溫度可能高于熱值較高的燃料的理論燃燒溫度。這主要是燃燒產物的數量和比熱等因素起了主要作用。

第六十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五若過量空氣系數太小，由于燃燒不完全，不完全燃燒熱損失增大，使得理論燃燒溫度降低。若過量空氣系數太大，則增加了燃燒產物的數量，使燃燒溫度也降低。因此，為了提高燃燒溫度，應在保證完全燃燒的前提下盡量降低過量空氣系數的數值。預熱空氣和燃料均可提高理論燃燒溫度。由于燃燒時空氣量比燃料量大，預熱空氣對提高理論燃燒溫度的影響更為明顯。由于吸熱和散熱，爐膛內的實際燃燒溫度比理論燃燒溫度要低得多。

第六十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五二、煙氣焓值的確定在鍋爐的熱力計算或熱工試驗時，常常需要根據煙氣的溫度求得煙氣的焓或者由煙氣的焓求得煙氣的溫度。煙氣焓的計算是以1kg固體及液體燃料或標準狀態(tài)下1m3氣體燃料為基礎進行計算的，并且以0℃作為起算點。

第六十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五煙氣焓值等于理論煙氣焓、過量空氣焓和飛灰焓之和。第七十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第七十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第七十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五各種成分的平均定壓比熱見表4-8.

第七十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五§4—4鍋爐的熱平衡一、鍋爐熱效率1.鍋爐熱平衡在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，鍋爐輸入熱量與輸出熱量及各項熱損失之間的熱量平衡。熱平衡是以1kg固體或液體燃料，或0℃、0.1MPa的1m3氣體燃料為基礎進行計算的。通過熱平衡可知鍋爐的有效利用熱量、各項熱損失，從而計算鍋爐效率和燃料消耗量。第七十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五一般的熱平衡方程式為

第七十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五用方程右側各項熱量占輸入熱量的比值百分數來表示，則為

第七十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五鍋爐輸入熱量是由鍋爐范圍以外輸入的熱量，不包括鍋爐范圍內循環(huán)的熱量。第七十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五各項熱量的計算公式為：

第七十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第七十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五2.鍋爐有效利用熱

第八十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十三頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十四頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五二、各項熱損失第八十五頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十六頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十七頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十八頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第八十九頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第九十頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五CO、H2、CH4等可燃氣體未燃燒放熱就隨煙氣離開鍋爐而造成的熱損失，也稱化學不完全燃燒損失。鍋爐運行中可用下式計算。

第九十一頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五第九十二頁，共一百零三頁，編輯于2023年，星期五3.排煙熱損失排煙物理顯熱造成的熱損失，等于排煙焓與入爐空氣焓之差。第九十三頁，共一百零三