1、第三章燃料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第三节燃烧产生的烟气量第四节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第九节锅炉机组的热平衡试验 锅炉燃烧计算的前提 1 空气量与烟气量的计算均以1kg的收到基燃料为基础 2 空气和烟气的所有组成成分 包括水蒸汽 分压很小 均可作理想气体 每摩尔气体在标准状态的容积是22 41Nm3 3 气体容积计算的单位均为Nm3 kg 第一节燃烧过程的化学反应 1 化学反应式C O2 CO2 407000kJ kmol2C O2 2CO 123100kJ kmol2H2
2、O2 2H2O 241200kJ kmolS O2 SO2 334900kJ kmol 第一节燃烧过程的化学反应 碳燃烧消耗的氧气量 完全燃烧 C O2 CO2 407000kJ kmol可得 12 1kgC 22 41Nm3O2 22 41Nm3CO2即1kgC 1 866Nm3O2 1 866Nm3CO2上式说明 每1kgC完全燃烧需要1 866Nm3的O2并产生1 866Nm3的CO2 碳的燃烧 碳燃烧消耗的氧气量 不完全燃烧 2C O2 2CO 123100kJ kmol可得 2 12 1kgC 22 41Nm3O2 2 22 41Nm3CO即1kgC 0 5 1 866Nm3O2 1
3、 866Nm3CO也即每1kgC不完全燃烧需要0 5 1 866Nm3的O2并产生1 866Nm3的CO 碳的燃烧 氢的燃烧 2H2 O2 2H2O 241200kJ kmol可得 2 2 016kgH2 22 41Nm3O2 2 22 41Nm3H2O即1kgH2 5 56Nm3O2 11 1Nm3H2O即 每1kgH燃烧需要5 56Nm3的O2并产生11 1Nm3的H2O 硫的燃烧 S O2 SO2 334900kJ kmol可得 32kgS 22 41Nm3O2 22 41Nm3SO2即1kgS 0 7Nm3O2 0 7Nm3SO2即每1kgS燃烧需要0 7Nm3的O2并产生0 7Nm3
4、的SO2 第二节燃烧所需的空气量 一 理论空气量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 以容积表示时 其代表符号为V0 理论空气量也就是从燃烧反应方程式出发导出的1kg 或1Nm3 燃料完全燃烧所需的空气量 1kg燃料完全燃烧需要的理论氧气总量为 燃料本身的氧量 1kg燃料完全燃烧真正需由空气提供的理论氧量为 1kg燃料燃烧所需的理论空气量V0为 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之比称为过量空气系数 用于烟气量计算 用于空
5、气量计算 实际空气量 Vk V0锅炉燃烧在炉膛出口结束 该处过量空气系数对燃烧影响较大 一般设计时取 燃用无烟煤及劣质烟煤 1 2 1 25 燃用烟煤及褐煤 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 Vk与理论空气量V0之比称为漏风系数 以 表示 即 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 有 第三节燃烧产生的烟气量 一 理论烟气量1 理论烟气的组成成分如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量
6、等于理论空气量 且使1kg的燃料完全燃烧时产生的烟气量称之为理论烟气量 理论烟气的组成成分为 CO2 SO2 N2 H2O 2 理论烟气量的计算 因为理论烟气中的各成分均为理想气体 所以 也可以写成干烟气与水蒸气的和 2 理论烟气量的计算 1 二氧化碳和二氧化硫的体积 2 理论氮气体积 由两部分组成 燃料中的氮所占体积和理论空气量中的氮所占的体积 即 3 理论水蒸气体积 1 由煤中的水分 2 煤中氢元素转换的水分 3 由理论空气量V0带入的水分 即相对于每kg燃煤带入的水蒸汽容积 1 61dkV0Nm3 kg dk 0 01kg kg 采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积 可得理论烟气量 二 完
7、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如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量Vk大于理论空气量V0 即 1 且使1kg的燃料完全燃烧时产生的烟气量称之为完全燃烧时的实际烟气量 完全燃烧时实际烟气的组成成分为 CO2 SO2 N2 O2 H2O 2 完全燃烧时实际烟气量的计算 完全燃烧时烟气中的各成分均假设为理想气体 所以 三原子气体烟气量表示成干烟气 1 二氧化碳和二氧化硫的体积 2 氮气体积 两部分组成 理论氮气量和过量空气中包含的氮气量 即 3 氧的体积 氧的体积也就是过量空气中包含的氧 即 4 水蒸气体积 两部分组成 理论水蒸气量和随过量空气带入的水蒸气量 即 三 不完全
8、燃烧时的烟气量 当发生不完全燃烧时 烟气的成分除了CO2 SO2 N2 O2 H2O外 还有不完全燃烧产物CO以及H2和CmHn等 其中H和CmHn数量很少 一般工程计算中可忽略不计 因此 当燃料不完全燃烧时 可以认为烟气中不完全燃烧产物只有CO 烟气量为 1 二氧化碳与一氧化碳的体积 2 不完全燃烧时烟气中氧的体积 得到 四 烟气中三原子气体的容积份额和飞灰浓度 容积份额 飞灰浓度 第四节烟气分析 烟气分析的目的对于一台正在运行中的锅炉 如何知道实际送入锅炉的空气量 如何知道空气量是否合适 锅炉燃烧调整 答案 通过实时 在线监测锅炉过量空气系数 炉膛出口及烟道各处的过量空气系数 烟气分析测出
9、某处的烟气成分 再由过量空气系数的计算式算出 一 干烟气的容积成分如果燃烧不完全 则干烟气的成分为 CO2 SO2 O2 N2 CO 100通过烟气分析 可测得CO2 SO2 O2 CO的含量 二 奥氏烟气分析仪图3 1原理 化学吸收注意 测量得到的数据为烟气成分的容积百分数 烟气成分分析仪 烟气分析手段 三 根据烟气分析结果对干烟气体积的计算奥氏分析仪的分析结果为烟气体积百分含量 则可得书式3 50烟气成分分析仪得到浓度数据 ppm 百万分之一 现用mg m3 换算关系 1ppm 分子量 22 4mg m3 各种分析设备均已经商业化 电厂均要求上烟气在线监测系统 在燃烧正常的情况下 煤粉炉炉
10、膛出口烟气中的主要成分含量范围 RO2 14 16 O2 2 5 第五节燃烧方程式 原理在燃料与空气完全燃烧的条件下 燃烧烟气产物中的RO2和O2与燃料的元素分析成分之间必然存在一定的关系 完全燃烧方程反映其间内在关系 推导 完全燃烧 无CO 由烟气分析的结果 均为干烟气成分 完全燃烧方程式 燃料特性系数 讨论 烟气中三原子气体的最大百分比含量 由完全燃烧方程得 当送入理论空气量 且完全燃烧时 基本知识 在燃煤的条件下 通常 不完全燃烧方程 在不完全燃烧的条件下 且认为仅存在CO 将满足如下方程 由不完全燃烧方程 可以干烟气中CO的含量 第六节运行中过量空气系数的确定 通过烟气分析得到 推导
11、完全燃烧 利用完全燃烧方程式 可用O2代替RO2 结果为 测定烟气中的O2 即可计算得到过量空气系数 广泛采用 测定烟气中的RO2 也可计算得到过量空气系数 较少采用 烟气成分随过量空气系数的变化 第七节空气和烟气的焓 焓的概念与计算定义 指定条件下 将1kg物质从0 加热到 时所需要的热量 单位kJ kg 描述流动介质进行能量交换的关系时 焓是最有用和有效的 单位质量的物质所含的全部热能 仅与状态有关 而与途径无关 实际计算中需要知道燃烧产物 常压 的温度与焓值间的关系 水蒸汽则需要根据温度和压力来求得焓值 前人均已经制成表格 图线或程序 一 空气焓 理论空气焓计算 Ik0 V0 c k k
12、J kg实际空气焓 Ik Ik0 kJ kg式中 c k为1m3空气连同携带的水蒸气在温度为 时的焓 表3 1每公斤空气含有10克水 二 烟气焓 烟气的组成 烟气焓组成 热力学上 混合气体的焓等于各组成气体焓的和 外加灰分的焓 1 理论烟气焓 1m3的成分在温度 时的焓值 可查表 2 实际烟气的焓 理论烟气焓加飞灰焓 过量空气焓飞灰热焓值Ifh 只有含量高时才考虑 kJ kg 温焓表 通过燃烧产物的焓值的计算 列出焓值与温度对应的表格 编程计算 是锅炉热力计算的基础 即 第八节锅炉机组的热平衡 燃料的化学能转变为蒸汽的热能 一定存在有效利用热和损失的热量 研究热量平衡的目的 定量计算与分析各项
13、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 降低成本 一 热平衡方程 热平衡的定义送入锅炉的燃料拥有热量等于锅炉的有效输出热量加上各项热损失 目的 确定锅炉有效利用热 各项热损失 锅炉热效率 燃料消耗量 运行水平 原因及改进措施 新产品的鉴定等 方法 通过锅炉机组的热平衡试验 现代电站锅炉的效率为90 左右 容量越大 效率越高 热平衡方程式 相应于每公斤固体及液体燃料 kJ kg 美国ASME以每磅燃料的发热量 德国以单位时间内所用燃料的发热量 kJ s kJ kg 式中各项的意义 热平衡的另一种表示式 通常用送入热量的百分比来表示 锅炉的热效率 正平衡表达式 反平衡
14、表达式 以下将分别介绍热平衡方程中各项的计算方法 锅炉效率及锅炉的燃料消耗量B 二 锅炉输入热量Qr 对应1kg燃料输入锅炉的热量为 只有高水分煤 用外界热量加热油及空气时 才考虑公式后三项 kJ kg 三 固体不完全燃烧热损失Q4 计算方法 原则 灰渣及飞灰中的含碳量与碳的发热量的乘积的总和定义 灰渣中含碳的重量百分比为 灰渣量 飞灰中含碳的重量百分比为 飞灰量 沉降灰中含碳的重量百分比为 Ccjh 沉降灰量 Gcjh kg h 表达式 灰渣中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失 未燃尽碳粒随烟气排出炉外而引起的热损失 每小时所损失的可燃物重量每小时损失的热量折算到每公斤燃料所损失的热量 灰平衡
15、进入锅炉的总灰量等于排出锅炉的灰渣 飞灰中的灰分的总和定义 结果为 讨论q4 在锅炉运行中 可以取样测得 可以查表 或做灰平衡实验得到锅炉的设计中 根据燃料的种类及燃烧方式直接选用 0 5 5 大小取决于 燃料的种类 挥发份与灰分等 煤粉的细度 过量空气系数 炉膛的结构 决定了停留时间 锅炉的运行方式 炉膛的温度 负荷 等 为第二大损失 q4对空气量和烟气量的影响 假定送入锅炉的燃煤量B中 有的燃料根本没有燃烧 即没有产生烟气量 也不需要空气量 实际上参加燃烧的不是实际送入的燃料量B 而是计算燃料量Bj热平衡计算用实际燃料量B 计算空气量和烟气量时用Bj 四 排烟热损失Q2 由于排出锅炉的烟气
16、焓高于进入锅炉时的冷空气焓而造成的热损失 影响排烟损失的主要因素 为锅炉最大项损失 约为4 8 1 排烟温度温度高 则损失大 提高10 15 损失增加约1 温度低 则金属的消耗大 流动的阻力大 还可能造成受热面金属的低温腐蚀 运行中影响排烟温度的主要因素是受热面吸热量的变化 现代锅炉排烟温度一般为110 160 2 排烟容积主要决定于过量空气系数的选取 过量空气系数大 风机的消耗大 排烟损失增大 不完全燃烧损失小 过量空气系数小 则可能不完全燃烧损失增大 另外 燃料性质 漏风等 也使容积增加 五 气体未完全燃烧损失Q3 由于锅炉排烟中CO H2 CH4等可燃气体的存在 所引起的热损失 每公斤燃
17、料所损失的热量为各可燃气体的容积与各自的容积发热量乘积的总和 一般仅计入CO 其它忽略 发热量 12600kJ Nm3 3020kcal Nm3 讨论q3 电站锅炉可燃气体很小 对煤粉炉 q3 0 气体或液体燃料炉 q3 0 5 层燃炉 q3 0 5 1 0影响因素 挥发分含量 过量空气系数 锅炉结构等 排烟温度与过量空气系数是一个经济技术综合考虑的参数 存在一个最佳过量空气系数 六 散热损失 锅炉的外表面温度高于环境的温度而向外界通过大空间自然对流和辐射换热 散热损失与锅炉的容量成反比散热损失与锅炉的负荷成反比 七 灰渣物理热损失 排出的灰渣因其高温具有的热量 仅在高灰煤时考虑 各项热损失均
18、已经得到 八 锅炉有效利用热 热效率和燃料消耗量 1 锅炉有效利用热各焓值按相应的温度和压力查表 锅炉效率 正平衡法 反平衡法 燃料消耗量 锅炉热平衡计算是热力计算的前提 由锅炉效率确定燃料的消耗量 排烟温度需要先假定 后校核 迭代计算过程 第九节锅炉机组的热平衡试验 一 热平衡试验的目的 确定锅炉机组的效率 确定各损失并分析原因 提高效率 确定各参数与负荷的关系 二 确定锅炉机组效率的方法正平衡法 直接求输入热量 利用热量 由于需要较长时间稳定负荷 另外燃料消耗不易准确确定 一般不采用反平衡法 求损失项 测量项目很多 但可得到各项损失 常采用 三 热效率的简化计算输入热量为收到基低位发热量
19、排烟热损失忽略雾化蒸汽及氮损失 过量空气系数由测O2计算 忽略气体未燃烧热损失 忽略石子煤热损失 忽略灰渣物理热损失 四 换算到保证条件下的热效率设计条件时的参数为保证条件 进行输入热量 各损失及其他参数的修正 得到的修正后的热效率与设计值比较 五 锅炉机组的净效率在锅炉效率中 再扣出锅炉自身的热耗和电耗后的效率 其他热平衡计算方法简介 美国及英国采用煤的高位发热量为计算基准 其效率低于低位发热量 损失中考虑三项水分热损失 空气中水分 燃料中水分和氢燃烧水分 具体项为 干烟气热损失 空气中水分热损失 燃料中水分热损失 燃料中氢燃烧生成水分热损失 未燃尽固体热损失 未燃尽气体热损失 向周围辐射热损失 其他未计入的热损失 漏入空气 灰渣物理热 石灰石 NOx 再循环等
