锅炉燃料及燃烧计算

第三章 锅炉燃料及燃烧计算 3-1 锅炉用燃料 3-2 煤的特性 3-3 液体燃料 3-4 气 体 燃 料 3-5 燃料的燃烧计算,燃料是指可以燃烧并能释放出热能加以利用的物质。燃料是锅炉的食粮，只有连续不断地将燃料送入锅炉炉膛，并使之充分燃烧放热，才能保证锅炉的连续运行。锅炉的安全经济运行及其燃烧设备的选用都与燃料的种类和品质有密切的关系。因此，了解燃料的分类、组成及其特性是十分必要的。 燃料的燃烧计算包括燃烧所需提供的空气量、燃烧生成的烟气量和空气及烟气的焓的计算，是锅炉热力计算的一部分，燃烧计算的结果为锅炉的热平衡计算、传热计算和通风设备选择提供可靠的依据。,基 本 要 求1、应掌握煤中成分对锅炉工作的影响（重点）；2、应掌握燃料成分的几种表示方法及换算；3、了解液体燃料、气体燃料的特性；4、熟练掌握燃料的燃烧计算方法（难点）；5、重要的基本概念：低位发热量、标准煤、过量空气系数、灰的特征温度。,3-1 锅炉用燃料 锅炉设备（包括电站锅炉和工业锅炉）燃烧所用的燃料按物理状态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。具体表示如下： 煤无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、泥煤 固体燃料油页岩 木材 液体燃料石油及其制品轻油、柴油、重油气体燃料天然气、液化石油气 煤气城市煤气、高炉煤气、焦炉煤气,3-2 煤的成分及特性,一、煤的成分表示方法 煤的成分表示方法有：元素分析和工业分析。为了进行燃料的燃烧计算和了解煤的某些特性，常将煤的成分分为：碳（C）、氢（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）、水分（M）和灰分（A），但煤不是这些成分的机械混合物，而是一种极为复杂的化合物。 煤的工业分析是测定煤中水分（M） 、挥发份（V）、固定碳（FC）和灰分（A）的含量。,二、煤中某些成分对锅炉工作的影响,1、挥发分 失去水分的煤样在隔绝空气下加热到850，使燃料中有机物分解而析出的气体产物，称为挥发分。不同燃料开始放出挥发分的温度是不同的。挥发分多的煤容易着火，也易于燃尽，燃烧的损失较少。因为一方面挥发分主要是气体可燃物，其着火温度低，着火容易；另一方面在挥发分析出后，燃料表面呈多孔性，与空气接触的机会增多。挥发分的含量是对煤进行分类的重要依据。,二、煤中某些成分对锅炉工作的影响,2、水分 水分是燃料中的主要杂质。由于它的存在，不仅使燃料中可燃元素相对减少，发热量降低，而且在燃烧时水分蒸发还要吸收热量，使炉膛温度降低，燃料着火困难，排烟带走的热损失增加，同时还可能加剧尾部低温受热面的低温腐蚀和堵灰。水分增大，对过热汽温也有影响，一般经验数据为：水分增加1，过热汽温会升高1.5。各种固体燃料的水分含量变化很大，在560范围内变动。,二、煤中某些成分对锅炉工作的影响,3、灰分 灰分是燃料中不可燃的固体矿物杂质。由于灰分的存在，使固体燃料的发热量降低，燃料着火、燃烧困难，增加运煤、出灰的工作量和运输费用。此外，灰分中的一部分飞灰在锅炉中随烟气流动，造成受热面和引风机磨损，排入大气污染环境。若灰的熔点过低，会造成炉排和受热面结渣，影响传热和正常燃烧。固体燃料中灰分含量变化很大，一般为540。通常将灰分含量超过40%的煤称为劣质煤。,二、煤中某些成分对锅炉工作的影响,4、硫分 煤中的硫包括三种形态，即有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种硫能参加燃烧，称为可燃硫，后一种硫不参加燃烧，算在灰分中。硫的燃烧产物二氧化硫(SO2)和三氧化硫(SO3)气体，它们能与烟气中凝结的水蒸气化合成亚硫酸或硫酸，对锅炉低温受热面会引起腐蚀作用；二氧化硫、三氧化硫随烟气排入大气中会污染环境，对人体和动植物产生危害，所以燃料中的硫是一种有害成分。,三、煤的成分计算基准 煤中的水分和灰分的含量随外界条件而变化，其它成分的百分量也将随之变更。所以，在说明各种成分的百分含量时，必须同时注明百分数的基数。常用的基准有以下几种： （1）收到基ar（应用基y ）：以进入锅炉房准备燃烧的煤为分析基准。在锅炉热力计算中，均采用收到基成分。 （2）空干基ad（分析基f ）：以在实验室条件下（温度为20，相对湿度为60%）进行自然干燥失去外在水分后的煤作为分析基准。 （3）干燥基d （干燥基g ）：以除去全部水分的干燥煤作为分析基准。 （4）干燥无灰基daf（可燃基r ）：以除去全部水分和灰份的煤作为分析基准。,换算关系详见表2-1,四、煤的发热量 煤的发热量是指1kg煤完全燃烧时所放出的热量，单位kJ/kg。 煤的发热量分为高位发热量（Qgr）和低位发热量（Qnet）。1kg煤完全燃烧时放出的全部热量称为高位发热量，它包含煤燃烧时产生的水蒸气的汽化潜热，即认为烟气中的水蒸气凝结成水放出它的汽化潜热。但是，锅炉实际运行时，烟气还具有相当高的温度，烟气中的水蒸气不可能凝结成水而放出汽化潜热，故锅炉实际能利用的热量不包括水蒸气的汽化潜热。从高位发热量中扣除烟气中水蒸气汽化潜热后，称为煤的低位发热量，实际工程中常利用收到基低位发热量，用符号Q ar,net表示。,各种煤由于其所含可燃成分不同，因而发热量差别也很大。对于同一型号锅炉，在运行工况相同的情况下，燃用煤种不同，在同样的时间内耗用的煤量也不一样，当燃用发热量高的煤时，耗煤量就少。因此不能简单地从耗煤量的多少来判别锅炉运行的经济性。为了正确比较不同锅炉或同一锅炉在不同工况下的耗煤量，需要引人“标准煤”的概念。所谓标准煤，就是假设其收到基低位发热量等于29270 kJ/kg（7000kcal/kg）的煤。标准煤耗量的折算公式为：折算成分：为了比较煤中各种成分对锅炉工作的影响，更好地鉴别煤的性质，引入折算成分的概念（见25页）。请同学们查一下我国和其他国家燃煤锅炉的标准煤耗？,五、高温下煤灰的熔融性 煤的灰熔点与锅炉结渣有密切的关系。灰的熔点过低，容易引起锅炉受热面结渣，影响正常传热；熔化的灰渣会把未燃尽的焦炭裹住阻碍正常燃烧。 煤的灰熔点用DT，ST，FT三个特征温度表示。灰熔点用角锥法测得。将用煤灰粉末制成的底边为 7mm，高为20mm的三角灰锥放人高温电炉内逐渐升温，灰锥尖端开始变圆或开始弯曲时的温度称为变形温度(Deformation Temperature)；灰锥尖端弯曲到和底盘接触或呈半球时的温度称为软化温度(Softening Temperature )；灰锥熔融成液态并能流动时的温度，称为流动温度(Fluid Temperature )。 为了避免烟气中所含的灰分在对流管束中结渣，炉膛出口烟温要比DT低50100，这是锅炉本体设计时应该考虑的。,六、煤的分类 按所含挥发分的多少可分为无烟煤、烟煤（包括贫煤和劣质烟煤）、褐煤、泥煤。（1）无烟煤的形成年代最久，含碳量最高，一般 C52。挥发分含量很少，V 10，水分不多，灰分也不多，无烟煤挥发分逸出温度在300-400左右，所以不易引燃，燃烧缓慢。无烟煤发热量高，一般为 25000 kJ/kg左右。其外观呈黑色而有光泽，质硬不易破碎，储藏时稳定，不易自然。我国无烟煤的储藏量较大，多分布于华北、西北和中南地区。（2）烟煤的形成年代较无烟煤短，干燥基挥发分在2040，收到基水分较少，在10%左右，含碳量C=40-60%，灰分在30左右，它的发热量为10000-20000 kJ/kg，烟煤表面呈黑色有光泽，质松易碎。烟煤较易着火燃烧，焦结性强的优质烟煤用于冶金炼焦，其余的都可以作为锅炉燃料。贫煤属烟煤的一种，挥发分V1020，燃烧特性接近于无烟煤，较难着火和燃烧。,（3）褐煤的形成年限较短，外观为棕褐色，无光泽，质软易碎。挥发分含量较高，V40，含碳量C=40左右，水分和灰分较高，发热量低为15000 kJ/kg左右，挥发分逸出温度在130170，故褐煤易着火燃烧，焦结性很弱。褐煤在空气中易风化变质且易自燃，故不宜远途输送和长时间储存。褐煤主要分布于我国东北、西南等地。煤矸石是夹带有矸石的煤。石煤是一种含灰量很高的劣质煤。它们的灰分都在50以上，发热量很低，Q=4200-11000 kJ/kg，一般只用在沸腾炉中燃烧。,3-3 液 体 燃 料 锅炉常用的液体燃料为重油、渣油和轻柴油。重油是石油提炼出汽油、煤油和柴油后，剩余的各种渣油按不同比例调制而成，也称燃油。燃油的特点是碳和氢的含量很高（C8588，H= 1013），水分含量极少，所以发热量很高，约为 40600kJ/kg。通常定 Qar,net=41686kJ/kg的油为标准油。 燃油按其粘度特性分为20、60、100和200四种牌号。它们在50的恩氏粘度分别为20、60、100、200。20号燃油适用于较小油喷嘴（30kg/h以下）的燃油锅炉；60号燃油用在中等喷嘴的燃油锅炉上；100号和 200号燃油用在具有预热设备的大型喷嘴的锅炉上。,燃油的使用特性主要有以下几项：(1)粘度 燃油的粘度大小反映燃油流动性的高低，直接影响燃油的运输和雾化质量。粘度越大，流动性越差。我国通常采用恩氏粘度来表示油的粘度大小。它是指在一定温度下，200ml重油从恩氏粘度计中流出的时间与20同体积的蒸馏水流出时间的比值，用。E表示。粘度与油的温度有关，油温升高，粘度降低。为了便于运输和提高雾化质量，必须把燃油加热。油的粘度在80。E时，才能保证其在油管中顺利输送，所以要求油温预热至3060加热温度要根据油质、油路系统各段的不同要求和运行的安全性来确定。100号、200号重油输送及雾化前都要加热。而0号轻柴油流动性很好，不需要加热。,(2)密度 油的密度与其温度有关，一般以20时的密度作为其标准密度。其他温度时可进行换算求得燃油的密度一般在0.921.01t/ m3。(3)闪点和燃点 油温升高时，油面蒸发的油蒸气会增多，当油蒸气与空气的混合物与明火接触时发生短暂的闪光，一闪即灭，这时燃油的温度称为闪点。当油蒸气与空气的混合物遇明火能连续燃烧时，此时油的最低温度称为燃点。燃油的闪点一般为80130，燃点比闪点高出2030。油的闪点和燃点是油安全性的重要指标，闪点和燃点提高，储存时起火的危险性减小；油的加热温度必须低于油的闪点。按质量标准100号重油的闪点（开口）不低于120，200号重油不低于130，0号轻柴油的闪点（闭口）不低于65。,3-4 气 体 燃 料 对于气体燃料，通常以各种气体的体积百分含量来表示它的成分。气体燃料成分系指组成燃料气的每一个组成气体，如 CO2、H2、CO、N2、O2、CH4、C2H6、C4H10等。锅炉用的气体燃料主要有天然气、高炉煤气和焦炉煤气，还有城市煤气。 天然气主要成分是甲烷，含量可达8098，其次为乙烷等饱和碳氢化合物，还有重碳氢化合物，少量硫化氢及惰性气体等。天然气发热量较高，一般为 Q3349037680 kJ/ m3。天然气是宝贵的化工原料和工业燃料，也是理想的民用燃料。天然气可用管道长距离输送给城市用户直接使用，比如我国的“西气东输”工程。此外，经加压处理成液化天然气，储于高压罐中作为气源，可供生活用燃料或作汽车内燃机的动力燃料，它的优点是能减少废气对环境的污染。,高炉煤气是高炉炼铁的副产品，无色无味，其主要可燃成分是一氧化碳，还有大量的二氧化碳和氮气（占6370），故其发热值较低，仅在3700-4200 kJ/ m3之间，高炉煤气中含有较多灰尘，使用前需净化处理，一般要与焦炉煤气、煤粉或重油掺合使用。目前钢铁企业高炉煤气主要用于燃气联合循环发电装置和加热炉，只有剩余时才作为锅炉燃料。由于高炉煤气中含有大量CO，在使用时应注意防止煤气中毒。 焦炉煤气是炼焦的副产品，其主要成分是氢气和甲烷，杂质含量少，发热值在 17000 kJ/ m3左右，它是主要的化工原料，也可作锅炉燃料。,3-5 燃料的燃烧计算 目的：计算空气量和烟气量以及空气和烟气的焓。 假定条件：（1）理想气体（2）空气由N2和O2组成，体积比为79：21 一、 燃料燃烧所需的空气量计算（以固体和液体为主）1、 理论空气量V0：1Kg收到基燃料完全燃烧而没有剩余氧存在，此时所需的空气量称为理论空气量。 V0 =0.0889（Car+0.375Sar）+0.265Har-0.0333Oar (3-1) 2、 过量空气系数：实际供给的空气量与理论空气量的比值。 一般认为锅炉内的燃烧过程都在炉膛出口处结束，所以可用炉膛出口处的过量空气系数代表空气量对燃烧过程的影响。最佳的过量空气系数和许多因素有关，如燃料的种类、燃烧方式以及燃烧设备的完善程度等。实际采用的 值列于表3-1。,3、 漏风系数 ：对于在负压下运行的锅炉，漏入炉内的空气量与理论空气量之比。见表32 对于电站煤粉锅炉，一般炉膛漏风系数每增加0.1-0.2，排烟温度将升高3-8，锅炉效率降低0.2%-0.5%；漏风系数每增加0.1，将使送、引风机电耗增加2KW/MW电功率，因此，在锅炉设计和运行时应采取有效措施减小漏风。,二、 燃烧产物的计算1、理论烟气量：燃料燃烧生成的气态燃烧产物称为烟气。烟气中不含可燃物时称为完全燃烧。如燃烧时供以理论空气量（ =1 ），而且又达到完全燃烧，这时烟气所具有的容积为理论烟气量V0y 。此时烟气的组成成分为CO2、SO2、N2、H2O。 V0y= VRO2+VON2+VOH2O （Nm3/kg） VRO2=VCO2+VSO2 （Nm3/kg） VRO2=1.866 （Nm3/kg） V0N2= （Nm3/kg） V0H2O=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V0 （Nm3/kg）,2、实际烟气量Vy Vy= Voy+1.0161( -1)V0 （Nm3/kg） VH2O = VOH2O +0.0161( -1)V0 （Nm3/kg）3、由于烟气中三原子气体和水蒸汽参与辐射换热，在炉膛和其它受热面的辐射传热计算中，需要计算烟气中三原子气体和水蒸汽的容积份额和分压力。 rRO2 = rH2O= PRO2= rRO2*P PH2O= rH2O*P P-烟气总压力4、飞灰浓度：每千克烟气中飞灰的质量。