煤燃烧烟气余热发电量的计算.pdf

船电技术l 应用研究 2 0 1 2V 0 1 3 2 增刊 煤燃烧烟气余热发电量的计算 付保荣林红良段钱胜李志 ( 中国船舶重工集团公司第七一二研究所， 武汉4 3 0 2 2 3 ) 摘要：煤在燃烧过程中消耗能源的同时通过排放烟气释放出大量的余热。为了有效的利用这部分能量进行 发电，本文根据煤生成烟气的理论分析，得出了实际烟气组分，并计算出了烟气可利用余热，并科学合理 地选取发电效率，计算出了煤燃烧烟气余热的发电量。 关键词：元素分析比热容焓差空气过量系数摩尔体积 中图分类号：T M 6 1 7文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 4 8 6 2 ( 2 0 1 2 ) s l - 0 0 3 8 - 0 4 C a l c u l a t i o no fG a sH e a tR e c o v e r yP o w e rG e n e r a t i o nf o rB u r n i n gC o a l F uB a o r o n g ，L i nH o n g l i a n g ，D u a nQ i a n s h e n g ，L iZ h i ( W u h a nI n s t i t u t eo fM a r i n eE l e c t r i cP r o p u l s i o n ，C S I C ，W u h a n4 3 0 2 2 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e r ea r el a r g ea m o u n t so fw a s t eh e a tr e l e a s e dw h e nc o a li si nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sw i t h e n e r g yc o n s u m p t i o n I no r d e rt oe f f e c t i v e l y u s et h i s p a r to ft h ee n e r g y f o ，p o w e rg e n e r a t i o n ，b a s e d o na n a l y s i so fc o a lt og e n e r a t e f l u eg a s , t h ep a p e ra c h i e v e st h ea c t u a lf l u eg a sc o m p o s i t i o n ，a n dt h e f l u e g a sc a l c u l a t e dc a nm a k eu s eo f w a s t eh e a t F i n a l l y , t h ea r t i c l es e l e c t st h ep o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yw h i c h i ss c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l , a n dc a l c u l a t e sp o w e rg e n e r a t i o nc a p a c i t yi nt h ep r o c e s so fc o a lc o m b u s t i o nf l u e g a sw a s t eh e a t K e y w o r d s ：e l e m e n t a r ya n a l y s i s ；s p e c i f i ch e a tc a p a c i t y ；e n t h a l p yd i f f e r e n c e ；e x c e s sa i r f a c t o r ；m o l a rv o l u m e 0 引言1 烟气余热发电量的计算流程 煤在燃烧进行生产并消耗能源的同时，也产 生大量的余热余能，本文主要研究煤燃烧生成的 烟气余热利用发电量的计算方法和过程。煤的成 分对生成的烟气有重要影响，通过煤种的元素分 析即可算出燃烧所需的理论空气量和实际烟气 量，同时还可以分析出烟气中的组分及各自的体 积或质量分数。烟气的热量计算主要是按照理想 气体的定压摩尔比热容进行积分求和得出。为了 便于工程计算，文中取四次多项式来表示比热容 与温度的关系。为了计算发电量，对不同温度段 的烟气给出了科学合理的发电效率值，计算出的 发电功率再与汽轮机输出功率系列表进行匹配即 得出最终的发电功率。 收稿日期：2 0 1 2 0 5 2 0 作者简介：付保荣( 1 9 8 2 - ) ，男，硕士。研究方向： 机械化设计。 3 8 煤燃烧烟气余热利用发电功率的计算主要通 过以下几个步骤完成的： ( 1 ) 煤生成烟气的分析。不同煤种的组成成分 不一样，产生的烟气成分也不相同，另外；燃烧 设备取用的空气过量系数也是影响烟气成分的一 个主要因素；最后，通过给定煤的成分以及设定 的空气过量系数计算出烟气量【l 2 J 。 ( 2 ) 烟气焓值分析。烟气焓值分析必须给定烟 气进、排口的温度，综合考虑上一步计算得出的 烟气成分，分别计算烟气在进、排口的焓值。 ( 3 ) 发电量的计算。首先根据烟气迸、排口的 焓值计算出焓差；再根据烟气量计算出烟气可利 用的余热量；然后根据烟气进口的温度判断出余 热的品质及对应发电效率，计算出发电功率；最 后根据汽轮机的发电功率系列表确定输出电量。 2 不同煤种产生的烟气分析 2 0 1 2V 0 1 3 2 增刊 船电技术I 应用研究 煤的组成和结构比较复杂，是由可燃成分和 不可燃成分组成的混合物，其可燃成分用元素分 析的有机成分表示，不可燃成分指的是灰分、水 分以及S 0 2 、C 0 2 等气体【3 J 。煤的元素分析指其 元素组成，是研究煤的变质程度、计算煤的发热 量、估算煤的干馏产物的重要指标，也是工业中 以煤作燃料时生成烟气余热量计算的基础。 煤中除无机矿物质和水分以外，其余都是有 机质。由于组成煤的基本结构单元是以碳为骨架 的多聚芳香环系统，在芳香环周围有碳、氢、氧 及少量的氮和硫等原子组成的侧链和官能团。如 羧基( C O O H ) 、羟基( O H ) 和甲氧基( O C H 3 ) 。 说明了煤中有机质主要由碳、氢、氧和氮、硫等 元素组成。表1 展示了几种常见煤种的C 、H 、O 、 N 、S 等含量。 计算煤燃烧所用的空气量和生成的烟气量 时，把空气和烟气均看成理想气体。所以，在标 准状态( p 0 1M P a ，T = 0 ) 下，lk m o l 气体的 体积为2 2 4m 3 ；另外，烟气产量的计算以l 蝇 煤为标准进行；计算中所使用到的体积均指标准 状况下的，非标状况下的体积应注明压力、温度； 同时，燃烧所需的空气中氧气的体积分数为2 1 ， 氮气的体积分数为7 9 ，空气含水率极低( 约1 0 g m 3 ) 。 燃料的燃烧是燃料中可燃元素与氧气在高温 条件下进行的高速放热化学反应过程。1 埏燃料 完全燃烧时所需的最小空气量称为理论空气量， 以v o ( N m 3 埏) 表示。它通过燃料中的可燃元素 ( C ，H ，S ) 燃烧化学反应方程式求得按表2 。 表1 常见煤种的成分 表2 三燃料可燃成分燃烧反应式所需空气量 1 k g 收到基燃料包括有C 。r 1 0 0k g 的碳、 H 。r 1 0 0k g 的氢、S a r 1 0 0k g 的硫及O 1 0 0k g 的 氧气，故l 埏收到基燃料燃烧所需的理论空气量 等于可燃元素完全燃烧所需的空气量之和减去燃 料本身的含氧折算量。按空气中含氧的容积百分 数2 1 计算，则有 ：上f 1 8 6 6 鱼+ 5 5 6 生+ 0 7 星一0 7 生1 0 2 1 L 1 0 01 0 0 1 0 0 1 U U = 0 0 8 8 9 ( C ，+ 0 3 7 5 S ，) + 0 2 6 5 H ，一0 3 3 3 0 ，N m k g ( 1 ) 考虑燃烧设备的空气过量系数0 【，则实际的 空气用量为0 【木矿。燃料燃烧后生成烟气，如供给 燃料以理论空气量，燃料又达到了完全燃烧，烟 气中只含有二氧化碳C 0 2 、二氧化硫S 0 2 、水蒸 气H 2 0 及氮气N 2 四种气体，这时烟气所具有的 体积称为理论烟气量口，单位为N m 3 l ( g 。由燃 料中可燃元素完全燃烧化学方程式得到： ( 1 ) 二氧化碳和二氧化硫的容积 2 + “8 6 6 斋+ 0 7 盖 ：1 8 6 6 1 生塑! 型，N m 3 k g 。z 1 0 0 理论氮气容积喂 氮气来源于燃料及理论空气，即 础：塾塑丝+ 0 7 9 V 。 ”2 2 8 1 0 0 3 9 船电技术I 应用研究 2 0 1 2V 0 1 3 2 增刊 = 0 8 丝+ 0 7 9 V o , N m 3 蜒( 3 ) 1 0 0 。、。7 ( 2 ) 理论水蒸气容积嚷D 水蒸气包括燃料中氢燃料生成的水蒸气容 积，燃料中的水分蒸发形成的水蒸气容积及随同 空气进入锅炉的水蒸气容积，即 皑。：11 1 生+ 1 2 4 M , + L 三! ! 芝生 “2 “ 1 0 01 0 00 8 0 4 串1 0 0 0 r 4 1 ：1 1 1 生+ 1 2 4 丝+ o 0 1 6 1 V 。, N m 3 k g “ 1 0 01 0 0 式中以为1k g 干空气的含湿量，通常取d k - l O g k g ，1 2 9 3 及0 8 0 4 分别是标准状态下干空气和 水蒸气的密度垆J 。 锅炉的实际燃烧过程是在c z l ，即有过量空气 的情况下进行的。当c t l 且完全燃烧时，烟气中 除了含有C 0 2 、S 0 2 、N 2 和H 2 0 四种气体成分外， 还有剩余0 2 。故实际烟气容积巧为各种成分容积 之和。过量空气中的氮气容积、氧气容积及带进 的水蒸气容积为 V o , = 0 2 1 ( a 一1 ) V o ，N m 3 k g ( 5 ) 一噶= 0 7 9 ( a - 1 ) V o ，N m 3 堙 ( 6 ) o 一嚷D = 0 0 1 6 1 ( a - 1 ) V o ，N m 3 k g ( 7 ) 3 烟气焓值分析 煤燃烧生成的烟气是典型的混合物，为了计 算烟气利用过程中的放热量，需要知道烟气的比 热容。物体温度升高lK 所需的热量称为热容， 单位质量的热容称为比热容。实验表明：理想气 体的比热容实际上并非定值，而是温度的函数， 比热容与温度关系在C T 图上呈一条曲线【4 5 】。为 便于工程应用，通常气体的比热容可表示为温度 的四次多项式 C = R ( a + , a T + ，口2 + ，r 3 + E T 4 ) ，k J ( m o l K )( 8 ) 日：fC d T 也7 3 = ，R ( a + p T + 难2 + 6 T 。+ 蛆4 l T ，k J m o l ( 9 ) 式( 8 ) 中R 为常数，取值为8 3 1 4 。不同的气体多 项式的系数各不相同，应根据查表求的该温度下 的比热容的表达式，再通过一定温度范围下比热 容的积分式( 9 ) 求得该温度下的焓值。表3 列出 了一些计算中常用气体的无量纲真实摩尔定压热 容与温度的四次方多项式的系数。利用式( 9 ) 分 别计算烟气中每一种气体的进、排口焓值，温度 范围依次取进口温度为：O t i C ，排口温度为： O 乙。f 。 表3 常见气体摩尔定压比热容计算系数 4 烟气余热发电量计算及实例 烟气余热发电量的计算首先需要计算烟气进 排口的焓差，烟气的焓差是组成烟气各成分的焓 差之和，如式( 1 0 ) 。式中啦是指组成烟气成分 的某种气体的焓差，现是对应气体在烟气中所占 的体积分数。 A H = 仍迥 = 研岷+ 砚+ 仇( 1 0 ) + q 4 厶H + q s H H 。k J m o l 从上式可以看出，总的焓差单位还是k J m o l ， 因此要准确计算烟气在进排口温差这个过程中所 放出的热量，就必须把第一步计算的气体体积单 位转化为摩尔数，根据式( 1 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) ， 烟气的实际排放体积为： 巧= P 蠢+ P 黾+ + 巧呸+ 巧屯D ：1 8 6 6 笠+ 0 7 量+ 0 8 N a , + 0 7 9 口V 。 1 0 01 0 01 0 0 + 0 2 1 ( 岱一1 1 扩+ 1 1 1 生+ 1 2 4 生+ 0 0 1 6 1 口矿 1 0 01 0 0 ( 1 1 ) 上式计算出的体积为标准状况下的值，单位 N m 3 k g ，为了计算放热量，必须将其转换为摩尔 体积，再通过摩尔体积乘以焓差来计算可利用余 热量Q ： Q = 1 2 5 x V o A H 2 8 ，k 瑰( 1 2 ) 烟气入口温度在4 0 0 C 以上且烟气量充足的 工况，发电设备可以采用常规水蒸汽汽轮机发电， 发电效率可以取2 0 ( 温度越高则效率越高) ： 相反若烟气入口温度在4 0 0 1 4 0 之间，即 认为是低品位热源，高于2 4 5 时效率取1 5 ， 低于2 4 5 时效率取1 0 。根据此准则和可利用 余热量即可计算出发电功率，再根据汽轮机系列 功率输出表匹配得出最终系统的输出功率( 汽轮 2 0 1 2V 0 1 3 2 增刊 船电技术l 应用研究 机功率匹配原则是靠近并小于等于计算出的发电 功率) 。 按山东良庄I I 类烟煤进行计算，假定烟气入 口温度4 3 0 ，通过换热器排出的温度定义为 1 7 0 ，设空气过量系数为1 3 ，按以上流程计算 每小时燃烧1 吨煤产生的烟气余热利用发电功 率。通过计算1b 煤燃烧所需的理论空气量扩为 6 3 2 5 N m 3 ，排烟量为9 3 8 5N m 3 ，1 埏煤燃烧在4 3 0 C 降温到1 7 0 放热为5 6 4 8 7 5 0J 。因此每小时燃烧 一吨煤则放热5 6 4 8 7 5 0 0 0 0J ，按发电效率2 0 则 计算发电功率为31 3 8k W 。根据汽轮机系列功率 表匹配取额定发电输出为3 0 0k W 。 5结论 综合上述计算，可以得到以下结论： 1 ) 从煤的元素分析入手计算生成烟气可利用 余热发电量，本方法简单快捷。 2 ) 烟气的焓值计算是通过对组成烟气的各气 体成分的定压摩尔比热容积分后求和而得出。 3 ) 发电效率的选取是依据目前汽轮机的使用 情况给定，尤其是在低品位情况下，给定的效率 1 5 和1 0 参考了有机朗肯循环系统的发电效 率，取值科学、合理。 参考文献： 【1 】林宗虎，模锅炉手册【M 】北京：化学工业出版社， 1 9 9 9 2 】2宋贵良锅炉计算手册 M 】辽宁科学技术出版社， 1 9 9 5 3 】奚士光，吴味隆，君衍锅炉及锅炉房设备 M 】北京 中国建筑工业出版社，1 9 9 5 4 】王华，王辉涛低温余热发电有机朗肯循环技术 M 】 北京：