1、第三章 燃料燃烧计算和热平衡计算,燃烧过程化学反应 燃烧所需空气量 燃烧产生烟气量 烟气分析 锅炉机组的热平衡,第三章 燃料的燃烧计算,基本假设：1 . 空气、烟气均为理想气体，每kmol体积等于22.4Nm3；2 . 空气中只有O2和N2成分，其容积比为： ；3 . 每kg燃料都是在完全燃烧的条件下计算；4. 燃烧所需的空气为干空气。,一 、燃烧过程的化学反应,第三章,二、理论空气量： 根据上面的分析，1kg燃料完全燃烧所需要的氧气总量：,1kg燃料中本身含氧Oar/100kg,标准状态下体积为： 所以1kg燃料中完全燃烧真正需要由空气提供的氧：,燃料的燃烧计算,2过量空气系数、实际空气量和
2、漏风系数,1）过量空气系数燃烧时实际供给空气量与理论空气量之比 。炉内燃烧过程都在炉膛出口处结束，所以过量空气系数指 炉膛出口处过量空气系数 为平均值，与燃烧设备、燃料种类、燃烧方式等有关。层燃炉 ；室燃炉,2）实际空气量： Nm3/kg,3）漏风系数 锅炉运行时，炉中处于负压工作状态，炉外冷空气从炉墙、门孔几个受热面贯穿墙处漏入炉内，使炉内过量空气系数烟烟气流程逐渐增大，,第三章,漏风系数：各受热面漏风量： Nm3/kg 为炉膛出口处过剩空气系数，表征炉内燃烧状况的重要物理 量，在推荐值范围内选取,为空气预热器出、进口处空气侧过剩空气系数分别为炉膛、制粉系统和空预器漏风系数,二、燃烧产物计算
3、,二、燃烧生成烟气量 完全燃烧时烟气成分是：CO2、SO2、H2O、O2、N2,1理论烟气量的计算(=1)不含有O2,Nm3/kg,第三章,CO2和SO2：,根据前面的化学反应 方程式,理论水蒸气体积,理论水蒸气体积有四个来源：,第一个来源： 氢燃烧生成水蒸气,第二个来源： 燃料中的水气化 生成的水蒸气容积,每千克燃料中本身含水 ，水的分子量是 18，因此这些水相当于：,空气中的氮和煤本身含有的氮,Nm3/kg(两个来源),氮气体积：,第三个来源：理论干空气量带入的水蒸气容积： 标准状态下，1kg干空气中含有的水蒸气为d(g/kg),一般取10.干空气密度1.29kg/m3，水蒸气密度为0.8
4、04 kg/m3，则每m3干空气所含水蒸气的体积为：,第四个来源：采用蒸汽雾化设备等带入的水蒸气体积，喷入的水蒸气的质量为Wwh，水蒸气体积:,Nm3/kg,因此理论水 蒸气体积：,燃料的燃烧计算,2实际烟气量的计算(1)含有过量O2,1）过量空气中氧容积： Nm3/kg,2）过量空气中氮容积： Nm3/kg,3）过量空气中水蒸汽容积： Nm3/kg,4）实际烟气量理论烟气量与过量空气之和,Nm3/kg,第二章,综上：理论烟气体积为：,3.不完全燃烧时烟气量不完全燃烧时，烟气的成分除了CO2、SO2、N2、O2等，还有不完全燃烧产物CO、H2、CmHn等，其中，H2、CmHn等工程上含量很少，
5、一般可以忽略不计。因此烟气量只加CO。,锅炉运行时烟气分析及其应用,一、烟气分析的目的,在锅炉运行时，通过烟气取样分析，计算出CO、 、 ，从而了解和掌握锅炉实际燃烧情况，便于制定合理的燃烧调整及燃烧设备的改进方案，从而提高燃烧效率和锅炉热效率。炉膛出口过量空气系数 有一最佳值：,qmin=q2+q3+q4,第二章,也就是说以上三个热损失最小时对应的 过量空气系数，为最佳过量空气系数,原因分析：,1）过量空气系数增加，烟气量增大，排烟热损失增大,二、理论上烟气分析成分,1 每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O；,2）过量空气系数减小，固体不完全热损失和气体不完全热损失增大。
6、,锅炉运行时烟气分析及其应用,2 燃料完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2；,3 燃料不完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2、CO；,三、烟气分析仪器及测定 1烟气分析仪,1）奥氏分析仪 KOH或NaOH溶液吸收RO2 ，(%)焦性没食子酸的苛性钾溶液吸收O2及RO2，（%）氯化亚铜氨溶液吸收CO及O2，（%）,第二章,锅炉运行时烟气分析及其应用,2）色谱层析仪3）红外线烟气分析仪,2测定：（由锅炉实验完成）,四、烟气成分测定的计算,1. ； 2. 3. ； 4.,五、烟气分析结果的应用 1烟气量的计算,第二章,锅炉运行时烟气分析及其应用,Nm3/kg,2烟气中
7、CO含量的计算,1）燃料特性系数只与燃料的可燃成分有关，与燃料的水分、灰分无关，也不随应用基、分析基、干燥基即可燃基等而变化。,2）不完全燃烧方程式,3）CO含量的计算,%,第二章,四、烟气中CO含量计算干烟气中可燃气体成分很少，如果略去氢气，甲烷及烷烃化合物，则可以按下式估计CO含量：,锅炉运行时烟气分析及其应用,4）不完全燃烧RO2的计算,%,5）完全燃烧方程式,6）在理论空气下完全燃烧时， ， ，则%,3过量空气系数的计算1）不完全燃烧时的计算,第二章,锅炉运行时烟气分析及其应用,2）完全燃烧时的计算,3）完全燃烧时的近似计算在锅炉实际运行时，CO的含量一般都不高，可是为完全燃烧，而干烟
8、气中的氮气接近 79%，即N2=79%，则：,在锅炉实际运行中，常采用O2和RO2表监控,第二章,如果忽略烟气中的氮和硫，则有：,五、RO和 的确定,当完全燃烧时，CO0，则： 因此：运行中如果发现RO2的值过小，就意味着空气量过多。或者炉墙、烟道漏风过大。,如果a1，则上式氧含量为零，烟气中三原子气体达到最大值。,六、过量空气系数的确定,完全燃烧方程式： l、且完全燃烧： CO=0,=1、且完全燃烧：CO=0，O2= 0,运行中过剩空气系数及 烟气容积的确定,4/4,燃料的燃烧计算,1理论空气的焓每kg固体(液体)燃料燃烧时所需理论空气量，在等压下，从0加热到 所需要的热量，单位kJ/kg,
9、kJ/kg （查表3-5）,2理论烟气的焓每kg固体(液体)燃料燃烧后所生成理论烟气量，在等压下，从0加热到 所需要的热量，单位kJ/kg,kJ/kg,式中 等由表2-10查取（pp.29）,3实际烟气焓,1）烟气中过量空气的焓： kJ/kg,2）实际烟气的焓： kJ/kg,第二章,三、空气和烟气的焓,燃料的燃烧计算,afh入炉燃料灰分随烟气带出的灰分重量比，称飞灰份额，层燃炉afh0.20.3，煤粉炉afh0.850.9。只有当燃料中灰分很大时，才需加以考虑，即：,第三章,有烟气再循环时烟气焓的计算 再循环率定义：,焓 温 表,烟气的焓值 取决于燃料种类、过剩空气系数及烟气温度,作用：由（
10、、）查焓温表可很快确定烟气温度 ；由（ 、）查表可很快确定烟气焓,焓温表 对给定的燃料和各受热面前、后的过剩空气系数计算出该受热面对应烟气温度 范围内的烟气焓 ，制成的烟气（ ）表,锅炉热平衡及锅炉热效率,固体不完全燃烧热损失,气体不完全燃烧热损失,排烟热损失,锅炉机组的热平衡,散热损失,其它热损失,锅炉热平衡及锅炉热效率,锅炉热平衡是研究燃料的热量在锅炉中利用的情况，有多少被有效利用，有多少变成了热量损失，这些损失又表现在哪些方面以及它们产生的原因。研究的目的是为了有效地提高锅炉热效率,热效率是锅炉的重要技术经济指标，它表明锅炉设备的完善程度和运行管理的水平。提高锅炉热效率以节约燃料，是锅炉
11、运行管理的一个重要方面。,为了全面评定锅炉的工作状况，必须对锅炉进行测试，这种试验称为锅炉的热平衡(或热效率)试验。通过测试进行分析概括了解锅炉热效率的影响因素得出较先进的运行经验数据，作为设计锅炉和改进运行的可靠依据。,一、锅炉热平衡 1锅炉热平衡方程式 锅炉热平衡是以lkg固体燃料或液体燃料(气体燃料以1Nm3)为单位组成热量平衡的。1kg燃料带入炉内的热量及锅炉有效利用热量和损失热量之间的关系可参考图,锅炉热平衡及锅炉热效率,锅炉热平衡的公式可写为：,kJkg (3-la),Qr每公斤燃料带入锅炉的热量，kJ/kg；,Q1锅炉有效利用热量kJ/kg；,Q2排出烟气带走的热量，称为锅炉排烟
12、热损失，kJ/kg,Q3未燃完可燃气体所带走的热量，称为气体不完全燃烧热损失（化学不完全烧热损失），kJ/kg；,Q4未燃完的固体燃料所带走的热量，称为固体不完全燃烧热损失（机械不完全燃烧热损失），kJ/kg；,Q5锅炉散热损失，kJ/kg；,Q6灰渣物理热损失及其他热损失，kJ/kg。,锅炉热平衡及锅炉热效率,如果在等式(3-la)两边分别除以Qr，则锅炉热平衡就以带入热量的百分数来表示，即：,2燃料带入锅炉的热量Qr 它由以下几个部分组成：,Qnet,ar: 燃料的收到基低位发热量, kj/kg 1）燃料的物理显热 ir,2）蒸汽带入热Qzq当用蒸汽雾化重油或喷入锅炉蒸汽时考虑,式中 25
13、00排烟中蒸汽焓近似值，kJ/kg,锅炉热平衡及锅炉热效率,3）外来热量Qwl当用锅炉范围以外的废气、废热等来预热空气时考虑,一般情况下：,二、锅炉热效率 1锅炉正平衡热效率,1）锅炉有效利用热量Qgl,2）锅炉每小时有效利用热量Qgl,kJ/kg,kJ/h,（1）饱和蒸汽焓：,蒸发量,排污水焓,给水焓,排污水量,锅炉热平衡及锅炉热效率,1）锅炉有效利用热量Qgl,2）锅炉每小时有效利用热量Qgl,kJ/kg,kJ/h,（1）饱和蒸汽焓：,kJ/h,式中 igs，ips锅炉给水和排污水焓， kJ/kg；干饱和蒸汽的焓，kJ/kg；i1，i2锅炉进、出热水的焓，kJ/kg； 所以，,kJ/h,（
14、2）热水锅炉每小时有效利用热量Qgl,锅炉正平衡只能求得锅炉的热效率，不能据此研究和分析影响锅炉热效率的种种因素，以寻求提高热效率的途径。而反平衡则是依据对各种热损失的测定来计算其锅炉热效率。 对小型锅炉而言，一般以正平衡为主，反平衡为辅。对于大型锅炉，由于不易准确测定燃料消耗量，其锅炉热平衡主要靠反平衡求得。,排烟损失,气体不完全 燃烧热损失,固体不完全 燃烧热损失,散热损失,其他热损失,锅炉热平衡及锅炉热效率,热平衡试验在精度上有一定要求：(1) 只进行正平衡试验，要求应进行两次测试偏差在4%以内(2)同时进行正、反平衡实验时，两种方法测试偏差应在5%以内 (3)只以反平衡法进行测定时，两
15、次测试偏差应在6%以内,3锅炉的毛效率及净效率 锅炉的毛效率 通常所指的锅炉效率都是毛效率 锅炉的净效率 是在毛效率基础上扣除锅炉自用汽和电能消耗后的效率。,式中 自用汽和自用电能消耗所相当的锅炉效率降低值Dz自用汽消耗量，t/h； Nz自用电耗量，kWh/hb生产每度电的标准煤，kg/kWh，取0.407 kg/kWh,固体不完全燃烧热损失q4,一、形成灰渣损失 ：未参与燃烧或未燃尽的碳粒与灰渣一同落入灰斗所造成的损失。漏煤损失 ：部分燃料经炉排落入灰坑造成的损失。对于煤粉炉，则飞灰损失 ：未燃尽的碳粒随烟气带走所造成的损失,二、影响因素,1燃料特性对q4的影响当燃用灰分含量高和灰分熔点低的
16、煤时，它的固态可燃物被灰包裹，难以燃尽，灰渣损失大。当燃用挥发物低而焦结性强的煤时，燃烧过程主要集中在炉排上，燃烧层温度高，较易形成熔渣，阻碍通风，既加重司炉拨火的工作量，又增加灰渣损失。当燃用水分低，焦结性弱而细末又多的煤时，特别是在提高燃烧强度而增强通风的情况下，飞灰损失就增加。,固体不完全燃烧热损失q4,2燃烧方式对q4的影响： 不同燃烧方式的q4数值差别很大，如机械威风力抛煤机炉的飞灰损失就较链条炉大。煤粉炉没有漏煤损失，但它的飞灰损失却比层燃炉大得多。沸腾炉在燃用石煤或煤矸石时，飞灰损失将更大。,3炉子结构对q4的影响层燃炉的炉拱，二次风以及炉排的大小，长短和通风孔隙的大小等对燃烧都
17、有影响。如炉排的通风孔隙较大面又燃用细末多的燃料时，漏煤损失就会有较大的增加。煤粉炉炉膛的高低、燃烧器布置的位置等也对燃烧有影响。如炉膛尺寸过小，烟气在炉内的流程及停留时间过短，燃料来不及燃尽而被烟气带走，使飞灰损失增大。,4锅炉运行工况对q4的影响运行时锅炉负荷增加，相应地穿过燃料层和炉膛的气流速度迅速增加，以致飞灰损失也加大。此外，层燃炉运行时的煤层厚度、链条炉炉排速度以及风量分配，煤粉炉运行时的煤粉细度及配风操作等对q4也有影响。过量空气系数对q4也有影响，如 太低，q4会增加，而随稍增，则q4会有所降低。,固体不完全燃烧热损失q4,三、固体不完全燃烧热损失的测定和计算 1测定数据 在锅
18、炉正常运行工况下，定时收集 、 、 （kg/h）) 取样分析：(1) 可燃物百分数：Rhz、Rlm、Rfh (%)；(2) 可燃物的发热量： （kJ/kg）,固体不完全燃烧热损失q4,3灰平衡方程 热平衡试验中，飞灰量很难准确测定，一般通过灰平衡方法解决。 灰平衡：进入炉内燃料的总灰量应等于灰渣、漏煤及飞灰之和,上式两边分别乘以,固体不完全燃烧热损失,%,气体不完全燃烧热损失q3,一、气体不完全燃烧热损失的形成q3是由于部分CO、H2、CH4等可燃气体未燃烧放热就随烟气排出所造成的。,二、影响因素,1炉子结构的影响 炉膛高度不够或炉膛体积太小，烟气流程过短，使烟气中一些可燃气体未能燃尽而离开炉
19、子，增大q3损失。当炉内水冷壁布置过多时，会使炉膛温度过低，不利于燃烧反应，也会增大q3损失。,2燃料特性的影响 一般挥发份高的燃料，在其它条件相同时，q3损失相对要大一些。,3燃烧方式的影响 炉子的过量空气系数、二次风的引入和分布以及炉内气流的混合与扰动等都影响q3的大小。a取得过小；a取得过大；层燃炉燃料层过厚；当负荷增加时,气体不完全燃烧热损失q3,式中： ，Nm3/kg燃料：是考虑固体不完全燃烧的修正；实际燃烧的燃料量CO2、H2、CH4 ：干烟气中CO、H2、CH4的容积百分数，由热平衡试验通过验器分析仪测得。由于实际运行中，烟气中H2、CH4的含量极少，可忽略不计，计算简化：,气体
20、不完全燃烧热损失q3,3缺少元素成分资料时,排烟热损失q2,排烟热损失：是指由排烟所带走的热量损失，烟气离开锅炉排入大气时，其温度比进入锅炉的空气温度高很多。,一、形成及其影响因素影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟容积,1排烟温度 排烟温度越高，排烟热损失越大。一般排烟温度每提高1215， q2 q2将提高1%。排烟温度过低经济上是不合理的，甚至技术上是不允许的。 （1） 因尾部受热面处于低温烟道，烟气与工质的传热温差小，传热较弱，若排烟温度降得过低，传热温差也就更小，换热所需金属受热面就大大增加。 （2） 为了避免尾部受热面的腐蚀，排烟温度也不宜过低。当然用含硫分较高的燃料时，排烟温度
21、相应要高一些。,因此必须根据燃料与金属耗量进行技术经济比较来合理确定排烟温度。供热锅炉的排烟温度在150200范围内。,排烟热损失q2,2排烟容积 影响排烟容积大小的因素有炉膛出口过量空气系数，烟道各处漏风量及燃料所含水分。如炉墙及烟道漏风严重，过量空气系数大，燃料水分高，则排烟容积就大，排烟损失就增加。为了减少排烟损失，必须尽力设法减少炉墙烟道各处的漏风，在锅炉安装施工时应重视炉墙，烟道等砌筑的严密性。,3锅炉最佳过量空气系数的确定 炉膛出口过量空气系数的大小，应注意到它不仅与q2有关，还与q3、q4有关。减小出口过量空气系数，q2可以降低，但q3、q4会增加。所以合理的值应使q2、q3、q
22、4三项热损失的总和最小，即： 所对应的出口过量空气系数,排烟热损失q2,经验公式 ： %,二、计算公式,散热损失q5,一、形成 (1) 炉墙砌制质量及保温材料的性能 (2) 层燃炉操作情况，如拨火、观火、清炉、投煤等,二、影响因素 炉体表面积 炉体表面温度 炉墙结构形式（光管式比水膜式大） 炉墙保温层性能 周围环境温度 锅炉负荷大小,散热损失q5,三、计算公式 1计算,式中： 锅炉散热表面积，m2；锅炉散热表面的放热系数，W/m2锅炉散热表面的温度，,2查图 当锅炉实际蒸发量与额定量相差超过25%时，实际散热损失为：% 其中： 查图值，%D、D锅炉的额定蒸发量和实际蒸发量，t/h,散热损失 q5,四、保温系数 保温系数表示烟气在烟道中的放热量有多少被烟道中的受热面所吸收，也就是说烟气在烟道中的放热量和保温系数的乘积等于烟道受热面的吸热量。,其它热损失q6,一、组成 %,二、灰渣物理显热损失,由于锅炉中排出的灰渣及漏煤的温度一般在600800造成的热损失。 层燃炉： ； 煤粉炉：固态排渣当 ， ，液态排渣： ； 沸腾炉： kJ/kg%,其它热损失 q6,三、冷却热损失,是锅炉冷却部件所用的冷却水未进入锅炉汽水系统时造成的热损失。% 式中： Hlq：面向炉膛的水冷面积；m2；116103：无测定数据时，假定每m2水冷面积所吸收的热量，W/m2Qgl：锅炉每小时有效吸热量，W。,
