第四章 物质平衡及热平衡.ppt

第四章物质平衡及热平衡 4 1燃烧所需空气量一 理论空气量二 实际空气量三 过量空气系数 4 2燃烧产物及其计算一 理论烟气量和实际烟气量二 完全燃烧方程和不完全燃烧方程三 烟气分析及运行过量空气系数的确定 4 3燃烧温度和烟气焓一 燃烧温度及其涵义二 烟气焓值的确定 4 4锅炉的热平衡一 锅炉热效率二 各项热损失三 燃料消耗量 4 1燃烧所需空气量 燃烧是化学反应 可燃质碳生成二氧化碳 氢生成水蒸气 硫生成二氧化硫 同时放出相应的反应热 即 燃料完全燃烧时 如果碳不完全燃烧而生成一氧化碳 反应热相应减少 即 一 理论空气量1 固体及液体燃料 同样可得出氢完全燃烧所需要的氧气量 硫完全燃烧时所需要的氧气量为 每kg燃料中本身所包含的氧量为 每kg燃料完全燃烧时 所需要的氧气量为 锅炉燃烧所需要的氧气来源于空气 由于空气中氧气的体积百分数为21 所以 lkg燃料油完全燃烧所需要的理论空气量为 2 气体燃料标准状态下1m3气体燃料按燃烧反应计量方程完全燃烧所需要的空气量 指干空气 称为气体燃料的理论空气量 m3 m3 表4 1各种单一可燃气体的燃烧化学反应式 归纳出碳氢化合物的燃烧反应通式 即 已知碳氢化合物的分子式 就可由上式求得该碳氢化合物完全燃烧所需要的理论空气量 气体燃料的热值越高 燃烧所需要的理论空气量也越多 当燃气的成分资料不全时 可采用近似式来估算理论空气量的大小 二 实际空气量 过量空气系数和漏风系数实际送入锅炉的空气量 m3 kg 液体燃料 m3 m3 气体燃料 称为实际空气量 其值一般都大于理论空气量 比理论空气量多出的这一部分空气称为过量空气 实际空气量为理论空气量与过量空气量之和 二 过量空气系数和漏风系数 许多锅炉为负压燃烧 烟气量随着烟气流程而一路增大 应该指出 空气预热器区段烟道内的漏风 并非来自外界空气 而是来自空气预热器内的空气 锅炉各烟道漏风系数的大小取决于负压的大小及烟道的结构型式 一般为0 01 0 1 若锅炉为微正压燃烧 则烟道的漏风系数为零 在保证燃料充分燃尽的前提下 应尽可能降低过量空气系数 即使趋近于1 4 2燃烧产物及其计算一 理论烟气量和实际烟气量 燃料燃烧后的产物就是烟气 燃料中的可燃物质被全部燃烧干净 即燃烧所生成的烟气中不再含有可燃物质时的燃烧称为完全燃烧 当只供给理论空气量时 燃料完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量 理论烟气的组成为CO2 SO2 N2和H2O 前三种组成合在一起称为干烟气 包括H2O在内的烟气称为湿烟气 烟气中的CO2和SO2同属三原子气体 产生的化学反应式也有许多相似之处 并且在烟气分析时常常被同时测出 将它们合并表示 称为三原子气体 用RO2表示 当有过量空气时 烟气中除上述组分外 还含过量的空气 这时的烟气量称为实际烟气量 若燃烧不完全 则除上述组分外 烟气中还将出现CO CH4和H2等可燃成分 标准状态下 lkg固体或液体燃料在理论空气量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为燃料的理论烟气量 固体和液体燃料 理论水蒸气的体积来源三个方面 3 随理论空气量带入的水蒸气的体积 设1kg干空气中含有的水蒸气为d g kg 则标准状态下 lm3干空气中含有的水蒸气的质量为1 293d kg 实际燃烧是在过量空气 1 条件下进行的 故实际烟气体积中除理论烟气量外 还有过量空气及随过量空气带入的水蒸气 气体燃料燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量可通过燃烧反应式来确定 具体可见有关教材 由于三原子气体 水蒸气对炉内辐射换热具有明显的影响 在进行燃烧产物计算时 还需计算三原子气体 水蒸气的容积份额 分压力 二 完全燃烧方程和不完全燃烧方程 锅炉实际运行中 往往有不完全燃烧产物 一氧化碳 氢 碳氢化合物等 存在于烟气中 氢及碳氢化合物通常含量极少 可不考虑 而一氧化碳含量则不能忽略 烟气量一般是借助于烟气分析仪来确定的 即通过烟气分析测定各种成分的容积份额 并据此计算出干烟气量 同时用计算的方法求出烟气中的实际水蒸气容积 然后计算出烟气的总容积 用烟气分析仪测定的是干烟气中各种成分的容积份额 由碳的燃烧化学反应式可知 无论是生成二氧化碳还是一氧化碳 二氧化碳兼有 其总容积是相同的 即 代人上式 得 由上式计算出的干烟气容积与水蒸气容积之和即为不完全燃烧时的烟气总容积 当不考虑烟气中含量极微的氢及碳氢化合物时 不完全燃烧时的烟气成分可表示为RO2 O2 CO十N2 100 其中 三原子气体与氧所占干烟气的份额可由烟气分析仪测定 三原子气体 一氧化碳和水蒸气生成时所消耗的氧 可根据它们的燃烧化学反应式予以确定 即 此式称为不完全燃烧方程式 表示有不完全燃烧产物且只考虑一氧化碳时 烟气中各种成分的容积份额与燃料中元素组成成分之间应满足的关系 因此 当烟气中剩余氧为零 即 1 时 烟气中RO2值达到最大 即 锅炉运行时的过量空气系数 可根据烟气分析的结果予以确定 由于燃料中的氮含量很少 燃烧后燃料释放出来的氮的容积远小于烟气中氮的容积 即 完全燃烧时 干烟气的组分为R02 O2十N2 100 即N2 100 R02 O 于是 上式成为 当通过烟气分析测出RO2和O2之后 便可由上式求得过量空气系数 不完全燃烧时 烟气中的氧既来自过量空气 也来自理论空气中由于碳不完全燃烧而未消耗的氧 若不完全燃烧产生中仅考虑CO时 未消耗的氧的体积份额为0 5CO 即过量空气中的氧应为烟气分析测定的氧减去0 5CO 因此 此时 干烟气中氮的容积份额为 4 3燃烧温度和烟气焓燃料和空气送入炉内进行燃烧 它们带入的热量包括两部分 其一是由燃料和空气带入的物理显热 燃料和空气的热焓 其二是燃料的化学热量 发热值 如果燃烧过程在绝热条件下进行 上述两种热量全部用于加热烟气本身 则烟气所能达到的温度称为热量计温度 标准状态下 燃料燃烧前后的热平衡方程式为 如果在热平衡方程式中扣除化学不完全燃烧 包括CO2和H2O的分解吸热 而损失的热量和机械不完全燃烧而损失的热量后 即燃烧为实际状态 全部热量用来加热烟气后所获得的烟气温度称为理论燃烧温度或绝热火焰温度 理论燃烧温度的高低与燃料的热值 燃烧产物的热容量 燃烧产物的数量 燃料与空气的温度和过量空气系数等因素有关 一般说来 理论燃烧温度随燃料的热值的增大而增大 当燃料中含有较多的重烃时 由于热值增高 理论燃烧温度也增高 但是 有时热值较低的燃料的理论燃烧温度可能高于热值较高的燃料的理论燃烧温度 这主要是燃烧产物的数量和比热等因素起了主要作用 若过量空气系数太小 由于燃烧不完全 不完全燃烧热损失增大 使得理论燃烧温度降低 若过量空气系数太大 则增加了燃烧产物的数量 使燃烧温度也降低 因此 为了提高燃烧温度 应在保证完全燃烧的前提下尽量降低过量空气系数的数值 预热空气和燃料均可提高理论燃烧温度 由于燃烧时空气量比燃料量大 预热空气对提高理论燃烧温度的影响更为明显 由于吸热和散热 炉膛内的实际燃烧温度比理论燃烧温度要低得多 二 烟气焓值的确定在锅炉的热力计算或热工试验时 常常需要根据烟气的温度求得烟气的焓或者由烟气的焓求得烟气的温度 烟气焓的计算是以1kg固体及液体燃料或标准状态下1m3气体燃料为基础进行计算的 并且以0 作为起算点 烟气焓值等于理论烟气焓 过量空气焓和飞灰焓之和 各种成分的平均定压比热见表4 8 4 4锅炉的热平衡一 锅炉热效率1 锅炉热平衡在稳定运行状态下 锅炉输入热量与输出热量及各项热损失之间的热量平衡 热平衡是以1kg固体或液体燃料 或0 0 1MPa的1m3气体燃料为基础进行计算的 通过热平衡可知锅炉的有效利用热量 各项热损失 从而计算锅炉效率和燃料消耗量 一般的热平衡方程式为 用方程右侧各项热量占输入热量的比值百分数来表示 则为 锅炉输入热量是由锅炉范围以外输入的热量 不包括锅炉范围内循环的热量 各项热量的计算公式为 2 锅炉有效利用热 二 各项热损失 CO H2 CH4等可燃气体未燃烧放热就随烟气离开锅炉而造成的热损失 也称化学不完全燃烧损失 锅炉运行中可用下式计算 3 排烟热损失排烟物理显热造成的热损失 等于排烟焓与入炉空气焓之差 影响散热损失的主要因素有 锅炉外表面积的大小 外表面温度 炉墙结构 保温隔热性能及环境温度等 三 燃料消耗量 大型煤粉燃烧锅炉和循环流化床锅炉的燃烧效率可达到98 99 以上 四 我国热效率计算方法同其他国家计算方法的比较不同的锅炉热力计算方法 对热损失的界定是不同的 以上介绍的是前苏联1973年锅炉热力计算标准方法和我国采用的方法 随