第2章燃料及燃料燃烧计算——锅炉原理课件.ppt

第二章燃料及燃料燃烧计算 我国的燃料政策 电站锅炉以燃煤为主 并且尽量燃用劣质煤 一 煤的成分煤的组成成分 元素分析成分 碳 Carbon 氢 Hydrogen 氧 Oxygen 氮 Nitrogen 硫 Sulphur orSulfur 灰分 Ash 水分 Moisture 分析标准 GB T476 2001煤的元素分析方法 第一节锅炉燃料的成分和主要特性 碳是燃料中的主要可燃元素 一般占燃料成分的20 70 1kg纯碳完全燃烧生成CO2 放热32866kJ 1kg纯碳不完全燃烧时生成CO 仅放热9270kJ 煤中氢的含量为2 6 氢的发热量很高 1kg氢的低位发热量为120370kJ 氧和氮是不可燃成分 氮在高温下形成氮氧化物 NOx 造成大气污染 煤中硫含量一般在1 5 1kg硫燃烧后生成9050kJ热量 硫燃烧生成SO2对人体有害 大气中SO2会氧化成SO3并最终形成酸雨 酸雨对工业 农业都有十分不利的影响 硫含量增多 会造成锅炉高 低温受热面烟气侧的腐蚀和堵灰 灰分不仅降低发热量 影响着火及燃烧的稳定性 而且容易形成结渣 沾污 磨损 堵灰 影响锅炉运行的经济性和安全性 水分增加 影响燃料的着火和燃烧速度 增大烟气量 增加排烟热损失 加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰 水分增加也会增加煤粉制备的难度 元素分析ultimateanalysis 工业分析proximateanalysis 工业分析成分 水分 Moisture 挥发分 Volatile 固定碳 FixedCarbon 灰分 Ash 分析标准 GB T212 2008煤的工业分析方法 1水分的测定煤中水分分为外部水分和内部水分 外部水分是指可以依靠在空气中自然干燥而去除的水分 内部水分是指煤在含有水蒸汽的空气中达到平衡状态时的水分 外部水分和内部水分的总和称为全水分 测定内部水分时 称取粒度为0 2mm以下的空气干燥煤样 1 0 1 g置于预先通入干燥氮气并已加热到105 110 干燥箱中 烟煤干燥1 5h 褐煤 无烟煤 烟煤干燥2h 然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量 2灰分的测定称取一定质量的空气干燥煤样 放入马弗炉内 然后以一定速度加热到 815 10 灼烧到恒重 并冷却至室温后称重 以残留物质占煤样原质量的百分数作为灰分 3挥发分的测定称取 1 0 1 g空气干燥煤样 放入带盖的瓷坩锅中 在 900 10 的温度下 隔绝空气加热7min 以所失去的质量占煤样原质量的百分数减去该煤样的水分 Mad 即为挥发分 挥发分实际上是煤中有机物分解而析出的气体产物 挥发分的含量与碳化程度有关 碳化程度很深的无烟煤 挥发分只有2 10 而地质年代较浅的褐煤 挥发分可达37 60 挥发分的主要成分是各种碳氢化合物 氢 一氧化碳 硫化氢等可燃气体 还有少量的O2 CO2 N2等不可燃气体 其热值在17000 71000kJ kg之间 挥发分是煤中最有利的可燃成分 对锅炉的工作有很大影响 挥发分着火温度较低 煤颗粒在挥发分析出后成为疏松多孔的焦炭球 易于燃尽 燃烧损失较少 反之 挥发分较少的煤着火困难 也不容易燃烧完全 故挥发分含量成为煤分类的重要指标 4固定碳含量的计算挥发分析出后 剩下的是焦炭 焦炭就是固定碳和灰分 固定碳可以按下式计算 FCad 100 Mad Aad Vad 煤的工业分析成分对锅炉工作的影响 挥发分挥发分的成分 各种碳氢化合物 氢 一氧化碳 硫化氢等可燃气体 含量 挥发分实际上是煤中有机物分解而析出的气体产物 挥发分的含量与碳化程度 地质年代 有关 碳化程度很深 地质年代长 的无烟煤 挥发分只有2 10 挥发分析出的温度也高 而碳化程度很低 地质年代较短 的褐煤 挥发分可达37 60 挥发分析出的温度较低 小于200 热值 17000 71000kJ kg之间 地质年代越久含氧越少 挥发分发热量越高 如 无烟煤的挥发分发热量高 而褐煤的挥发分发热量低 对锅炉的影响 挥发分是煤中最有利的可燃成分 对锅炉的工作有很大影响 挥发分着火温度较低 煤颗粒在挥发分析出后成为疏松多孔的焦炭球 易于燃烬 燃烧损失较少 反之 挥发分较少的煤着火困难 也不容易燃烧完全 故挥发分含量成为煤分类的重要指标 水分的影响低位发热量降低 有效热量减少 着火热增大炉内温度下降 机械 化学未完全燃烧热损失增加烟气量增加 排烟热损失 引风机电耗烟气露点升高 低温受热面积灰 腐蚀过热汽温升高 水分增加1 汽温升高约1 5 输煤系统 堵煤制粉系统 热空气量增加 进一步增加着火热 或热风温度升高 灰分的影响发热量下降 排渣物理显热增加 理论燃烧温度下降 燃烧速度降低 燃烧稳定性变差 q4增加 产生灰壳 q4增加 磨损 积灰 排烟温度升高 q2增加 造成炉内结渣 高温腐蚀 制粉系统能耗增加 造成环境污染 过热蒸汽温度升高 灰分增加10 汽温升高5 二 煤的成分分析基准收到基 以收到状态的煤为基准 包括全部水分和灰分在内的燃煤成分总量 用下标 ar asreceived 来表示 原应用基 如Cy Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 100 C H O N S A M 100 空气干燥基 以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准 用下标 ad airdrybasis 来表示 原分析基 如Cf Cad Had Oad Nad Sad Aad Mad 100 干燥基 以假想无水状态的煤为基准 用下标 d drybasis 表示 原干燥基 如Cg Cd Hd Od Nd Sd Ad 100 干燥无灰基 以假想无水 无灰状态的煤为基准 用下标 daf dryashfree 表示 原可燃基 如Cr Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf 100 基准转换 表2 1 p16 三 煤的主要特性 1 煤的发热量高位发热量 Qar gr是指1kg煤完全燃烧后能够产生的热量 它包括燃烧产物 烟气 中水分的汽化潜热 低位发热量 Qar net p指从高位发热量中扣除了水蒸气的汽化潜热后 2510kJ kg 的热量 煤发热量的大小取决于煤中可燃质的多少 目前主要依靠氧弹式热量计来测量 GB T213 2008煤的发热量测定方法 试验 对于折算灰分AZS 4 0 折算水分MZS 8 0 折算硫分SZS 0 2 的煤分别称为高灰分煤 高水分煤 高硫分煤 标准煤 不同煤的发热量差别很大 为便于比较与煤发热量有关的经济指标 规定以Qar net p 29310kJ kg 7000kcal kg 的煤作为标准煤 若实际煤耗量为B 煤的发热量为Qar net p 则折算成标准煤的消耗量Bb为 折算成分 随同煤一起进入锅炉的各种杂质的数量对锅炉工作造成的危害程度折合成相同的一定发热量下的含量 更具有可比性 为此引入折算成分的概念 煤的折算成分含量是指对应于4l90kJ kg 1000kcal kg 收到基低位发热量的收到基成分含量 2 灰的熔融特性 当燃料在炉内燃烧时 在高温的火焰中心 灰分呈熔化或软化状态 具有粘性 这种具有粘性的灰粒如果接触到受热面管子或炉墙 就会粘结于其上 即所谓结渣 轻者影响受热面传热 重者迫使锅炉停炉打渣 因此燃料灰分熔融性对锅炉设计和正常运行有很大的影响 GB T219 2004 煤灰熔融性的测定方法 把灰样制成三角锥体 锥高为20mm 底边长为7mm的等边三角形 锥体的一棱面垂直于底面 然后将灰锥托板送入放在硅碳管高温炉中加热 以规定的温度升温 炉内保持弱还原性气氛 随时观察灰锥的形态变化 记录灰锥的三个熔融特征温度 变形温度DT deformationtemperature 锥顶变圆或开始倾斜 软化温度ST softeningtemperature 锥顶弯至底或萎缩成球形 半球温度HT halfballtemperature 锥体变化为半球形 用的不多 熔化温度FT fusingtemperature 是指锥体呈流体状态能沿平面流动 也有称为流动温度 fluidtemperature 不确切 DT ST FT这三个温度表示燃料中灰分的熔化特性 均可称为灰熔点 对大部分煤来说 其灰分的这三个温度约为1000 1600 当ST 1400 时 称为具有难熔灰分的煤 当ST1350 时 造成炉内结渣的可能性不大 为了避免炉膛出口处结渣 炉膛出口烟温应至少比DT低50 100 影响灰熔点的因素 灰的成分 酸性氧化物 碱性氧化物 纯氧化物灰熔点很高 且恒定 多种复合化合物的混合物或者共晶体 熔点低且不恒定 酸性氧化物提高灰熔点 碱性氧化物降低灰熔点灰中含铁量增加 灰的熔化温度下降含铁量少时 5 气氛对灰熔点没有明显影响含铁量大时 氧化性气氛 灰熔点降低慢还原性气氛 灰熔点降低快总体上 由于灰成分复杂 成灰机理和结构多变 目前灰熔点还难以准确计算和估计 3 煤的可磨性指数 可磨性指数 煤被磨碎成煤粉的难易程度全苏联热工研究所 将质量相等的标准煤和试验煤由相同的初始粒度磨制成细度相同的煤粉时 所消耗能量的比值 实际方法 取50g粒度为1 25 3 25mm的空气干燥煤样在体积为1 3L的钢球磨 磨制6min 筛分测定R90 然后按照下式计算 哈氏可磨性指数 HGI hardgrovegrindabilityindexGB2565 1998 煤的可磨性指数试验方法 将经过空气干燥 粒度为0 63 1 25mm的煤样50g 放入哈氏可磨性试验仪 施加在钢球上的总作用力为284N 驱动电动机进行研磨 旋转60转 将磨得的煤粉用孔径为74 m的筛子在震筛机上筛分 并称量筛上与筛下的煤粉量 用下式计算哈氏可磨指数 HGI 13 6 93D74式中 D74为通过孔径74 m筛子的煤样质量 g 我国动力用煤的可磨性系数范围 HGI 25 125 HGI 86易磨 HGI 64难磨 换算 反映煤种对磨煤机的研磨部件磨损轻重的程度 煤在破碎时对金屑的磨损是由煤中所含硬质颗粒对金属表面形成显微切削造成的 磨损指数的大小 不但与硬质颗粒含量有关 还与硬质颗粒的种类有关 如煤中的石英 黄铁矿 菱铁矿等矿物质硬度较高 若含量较高 磨损指数就大 磨损指数还与硬质矿物的形状 大小及存在形式有关 磨损指数值直接关系到工作部件的磨损寿命 已成为磨煤机选型的一个依据 4 煤的磨损指数 电力行业标准DL466 2004 煤的冲刷磨损指数试验方法 规定采用冲刷式磨损试验仪测试煤对金属磨件的磨损性能 试验时将纯铁试片放在高速喷射的煤粒流中接受冲击磨损 测定煤粒从初始状态被研磨至R90 25 的时间 min 及试片的磨损量m mg 计算煤的冲刷磨损指数Ke的公式为 A为标准煤在单位时间内对纯铁试片的磨损量 一般规定A 10mg min 四 煤的分类 我国动力用煤常以干燥无灰基挥发分 Vdaf 为主要依据进行分类 大致可以分为 无烟煤 贫煤 烟煤 褐煤等 由于它们的成分和特性不同 在燃烧中的反应也显著不同 只有清楚了解它们的特性 才能获得最佳的运行性能 无烟煤Vdaf 10 贫煤Vdaf 10 20 烟煤Vdaf 20 40 褐煤Vdaf 40 50 甚至达60 1 无烟煤无烟煤的挥发分含量最低 含碳量很高 一般C 50 最高可达95 灰分不高 一般A 6 25 水分较少 M 3 15 所以无烟煤的发热量较高 一般为Qar net p 25000 32500kJ kg 挥发分的析出温度高 不易点燃 燃尽也不容易 焦炭无粘结性 2 贫煤贫煤的性质介于无烟煤和烟煤之间 其燃烧性质接近于无烟煤 难以着火和燃尽 贫煤的碳化程度比无烟煤低 发热量较高 一般不结焦 3 烟煤烟煤挥发分含量较高 变化范围也较宽 它的碳化程度较无烟煤浅 含碳量C 40 70 少数能达到75 一般灰分不大 A 7 30 高者达50 水分适中M 3 18 发热量也相当高 Qar net p 20000 30000kJ kg 大多数烟煤都容易点燃 燃烧快 燃烧时火焰较长 多数具有或强或弱的焦结性 烟煤中有一种劣质烟煤 挥发分中等 Vdaf 20 30 但水分和灰分较高 M 12 A 40 50 因而发热量低 Qar net p 11000 12500kJ kg 这种煤的着火及燃烧均不容易 另外还要考虑受热面积灰和磨损等问题 4 褐煤褐煤碳化程度较低 呈褐黑色 尚有清楚木纹 易风化成粉末 褐煤挥发物含量高 有的甚至达60 开始析出挥发分的温度低 易于着火和燃烧 褐煤含碳量不多 但含氧量很高 灰分变化范围很大 A 6 40 水分含量大M 20 40 褐煤发热量不高Qar net p 11500 21000kJ kg 焦炭不结焦 此外 在动力燃料中还有泥煤 油页岩和煤矸石等 均属热值很低的低质燃料 工业锅炉行业煤的分类 第二节燃料燃烧计算 一 空气需要量1 理论空气量理论空气量是指1kg收到基燃料实现完全燃烧理论上必须的干空气量 用符号v0来表示 理论空气量的计算由燃料中各可燃成分 C H S 在燃烧时所需空气相加而成 完全燃烧反应如下 C O2 CO22H2 O2 2H2OS O2 SO2 空气和烟气均认为是理想气体 千摩尔体积22 4m3 kmol 空气中氧体积含量21 空气密度1 293 烟气密度1 34kg m3 C O2 CO21mol 1mol1mol12g 22 4l22 4l 例 2 过量空气系数在锅炉的实际燃烧过程中 空气与燃料不可能充分理想混合 燃料中可燃元素不可能都有机会与氧分子进行反应 故实际供给的空气量应比理论空气量多一些 以使燃烧反应能在有多余氧的情况下充分进行 实际供给的空气量Vk Nm3 kg 与理论空气量 Nm3 kg 的比值称为过量空气系数 即 在负压下工作的锅炉机组 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 致使烟气中过量空气增加 相对于1kg燃料而言 漏入空气量与理论空气量之比称为漏风系数 以 表示 由于存在漏风 锅炉烟道内的过量空气系数沿烟气流程是逐渐增大的 炉膛后任一烟道截面处的过量空气系数 二 燃烧产物容积1 理论烟气容积理论烟气容积是指相应于1kg煤 在供应空气量为理论空气量 1 时 完全燃烧后产物的容积 理论烟气容积的成分包括 煤中碳 硫与氧反应生成的CO2和SO2 合称RO2 煤中氢与氧反应生成的H2O 煤中水分和空气中水蒸汽转移到烟气中形成的H2O 煤和空气中带入的N2 2 实际烟气容积实际烟气容积是指相应于1kg煤 在供应空气量超过理论空气量 1 时 燃烧产物的容积 在这种情况下 烟气中的成分除了RO2 H2O和N2外 还有空气中未参加反应的过剩O2 实际烟气容积可以看作由两部分组成 一部分是相应于理论空气量产生的理论烟气容积 另一部分是过剩空气直接转移到烟气中 这部分容积为 实际烟气容积 上面结果可适用于不完全燃烧 烟气构成 3 燃烧计算涉及的其它参数 fh 飞灰份额 飞灰占总灰分的质量份额 固态排渣煤粉炉取0 95 链条炉取0 2 循环床锅炉取0 2 0 5 第三节烟气分析及应用 运行中的锅炉 燃料燃烧生成的烟气 其组成和容积是随运行工况的变化而变化的 测定与计算运行锅炉中烟气的成分 烟气容积和过量空气系数 是为了了解炉内的燃烧情况 从而进行燃烧调整及改进燃烧设备 以RO2 O2 N2 CO分别表示干烟气中二氧化碳和二氧化硫 氧 氮及一氧化碳所占的容积百分数 不完全燃烧方程 当烟气中的不完全燃烧产物只有CO时 烟气中各成分的容积百分数与燃料的元素组成成分必定满足的关系式燃料特性系数的物理意义 燃料中自由H和C的比值 燃料中自