燃料及燃料燃烧计算

第二章燃料及燃料燃烧计算 2 1燃料的成分及其主要特性2 2燃料燃烧计算2 3烟气分析方法2 4空气和烟气焓的计算 2 1燃料的成分及其主要特性 燃料总类 核能燃料 可控核裂变与和聚变有机燃料 以各种形式在自然界存在的碳氢化合物 一 煤的成分及分析基准可燃成分和不可燃成分组成的复杂组合物 结构非常复杂 各组成元素并不单独游离存在 而是以复杂的化合物存在 成分十分不均匀 煤的化学分析 元素分析 成分分为 C H O N S A ash M moisture 可燃成分 C H 部分S不可燃成分 N 水分 灰分 C 最主要的可燃质 煤是富含碳的燃料一般含量 20 70 碳含量取决于碳富集程度 炭化及年龄 燃烧产物主要是CO2碳的发热量 7800kcal kg 4 182 7800kJ kg关于热量单位 kcal 工程 kJ 国际 BTU 英制 H 发热量很高 达28600kcal kg 极易燃烧 煤中含量很少 仅为2 5 液体燃料中可达到14 天然气中最多 O 1 氧不可燃 且不助燃 氧不以游离状态存在于煤中 与煤中的氢和碳组成化合物 占据部分可燃质 使煤发热量降低 2 氧的含量1 15 木柴中的氧含量达到20 25 N 氮是一种不利的元素 在高温环境下 与氧形成氮氧化物 对环境危害极大 煤中氮的含量 1 S 部分S属于可燃质 发热量仅2160kcal kg 对锅炉设备及环境的危害很大 硫的含量0 2 5 甚至更高 超过2 既为高硫煤 灰分 Ash 煤中不可燃矿物杂质 成分十分复杂 大多数煤的灰分含量7 40 1 可燃物减少 着火困难 灰渣量增加 运行操作繁重 2 炉内易结渣 使受热面传热恶化 3 水分 Water Moisture 燃料中的主要杂质 约占5 60 内部水分 固有水分 105 110 外部水分 表面水分 45 50 化合水分 结晶水 灰分的一部分 瓷土 1 水分进入炉内吸热汽化成水蒸气 对燃烧不利 2 在烟气露点时 水蒸气与SO2 SO3生成亚硫酸和硫酸 造成低温腐蚀 3 挥发份 失去水分的煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度时 煤分解逸出的部分可燃质和矿物质 主要成分是CO CO2 CmHn H2等 收到基挥发份含量在5 40 之间 挥发份的测定挥发份对煤的着火 燃烧的影响焦炭的性质 焦结性焦炭 煤在隔绝空气加热时 水分蒸发 挥发分析出后固体残余物质 焦结性 由于煤种不同 焦炭的物理性质 外观等各不相同焦结性状 焦炭结构特征1 粉状2 粘结3 弱粘结4 不熔融粘结5 不膨胀熔融粘结6 微膨胀熔融粘结7 膨胀熔融粘结8 强膨胀熔融粘结焦结性对层燃炉燃烧过程的影响1 粉状焦炭 堆积紧密 妨碍空气流动 烟气流速过大 易被气流携带 形成火床火口 烟气流速过小 燃烧通风不畅 易从通风孔隙中漏入灰坑2 强焦结性煤 挥发分逸出后 焦炭呈熔融状态 粘结成片 内部固定碳难于空气接触而燃尽 燃烧层通风不畅 煤的成分分析基准及其换算用各个成分的质量百分数来表示 水分和灰分所占质量较大 且随外界条件有较大的波动 采用四种不同的 基 准的质量成分表示 1 收到基ar 2 空气干燥基ad 3 干燥基d 4 干燥无灰基daf 1 收到基ar 表示燃料中全部成分的质量百分数总和是锅炉燃料燃烧计算的原始依据 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 100 2 空气干燥基ad 表示在不含外在水分的条件下 燃料各组成成分的质量百分数总和 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成 Cad Had Oad Nad Sad Aad Mad 100 3 干燥基d 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百分数总和干基中各成分不受水分变化的影响Cd Hd Od Nd Sd Ad 100 4 干燥无灰基daf 表示在不含水分和灰分的条件下 干燥无灰燃料各组成成分的质量百分数总和 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分 各成分不受水分和灰分变化的影响 煤炭交易 Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf 100 图2 1 二 煤的主要特性 1 燃料的发热量Q 单位质量的固体 液体燃料 在完全燃烧时所放出的热量 kJ kg 单位容积的气体燃料在完全燃烧时所发出的热量 kJ Nm3 2 高位发热量 每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量 含所生产水蒸汽汽化潜热 kJ kg 3 低位发热量 每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量 扣除随烟气带走的水蒸汽的汽化潜热的热量 kJ kg 水分来自 H与氧的反应 燃料中的含水量Mar4 各成分分析的高 低位发热量间的关系5 发热量的测定 采用氧弹测热仪6 发热量的计算 标准煤单纯以燃煤量的多少来比较不同锅炉的经济性不妥 须折算到统一标准 标准煤的概念 规定低位发热量为7000kcal kg 或者kJ kg MJ kg 的煤为标准煤 将发热量不是7000kcal kg的煤统一折算到7000kcal kg来进行比较 用于计算和比较标准煤耗等 折算水分 折算灰分与折算硫分的概念硫分 灰分与水分对锅炉工作的影响1 降低煤的发热量2 降低燃烧温度 不利于燃料的着火与燃烧3 增加烟气容积 排烟温度升高 排烟损失增加 锅炉效率下降4 加剧锅炉受热面的低温腐蚀与积灰5 增加通风电耗 采用折算成分的目的比较锅炉燃烧不同煤时 带入炉内的水 灰和硫的质量 定义 每送入炉内1MJ热量 随燃料带入炉内的某成分的质量 折算成分的表达式要产生同样的热量 带入锅炉的灰量取决于煤灰分含量与发热量 与灰分含量成正比 与发热量成反比 采用此比例式来代表带入的灰量 因该比值很小 故乘1000 折算水分 折算灰分 折算硫分 灰的熔融特性炉膛内温度很高 煤中灰颗粒一般呈熔化或软化状态 对锅炉工作影响极大 对锅炉的主要危害是造成锅炉受热面结渣 传热恶化 掉渣灭火或事故 灰分成分不同 发生熔化的温度也不同 高熔点成分 低熔点成分 无固定的熔点 灰分的组成 SiO2 Al2O3 各种氧化铁 CaO MgO K2O Na2O等 不是单一物质 无固定熔点 采用角锥法测定特征温度将灰制成特定形状的灰堆 加热升温1300 以上 采用三个特征温度来表示灰的熔融特性 变形温度DT 软化温度ST 流动温度FT灰的熔融特性判别长渣 短渣 变形温度 测试角锥开始变园或弯曲时的温度软化温度 灰锥顶弯曲道平盘上或呈半球形时的温度流动温度 灰锥熔融倒在平盘上 并开始流动时的温度煤的可磨性 衡量煤的机械强度的特性可磨性系数 以风干状态下的硬质标准煤 一般以难磨的无烟煤Kkm 1为基准 与待磨煤在相同颗粒度的情况下 磨制成相同细度的煤粉 各自电耗量之比 为易磨煤为难磨煤煤的磨损指数 三 发电用煤的分类根据煤的燃烧特性 以挥发份 灰分 水分 硫分和灰熔融特性作为主要的分类指标 以煤的发热量作为辅助分类指标无烟煤 Vdaf 10 含碳最多 发热量高 难以点燃 贫煤 Vdaf 10 20 灰分较多 烟煤 Vdaf 20 40 含碳多 灰 水少 发热量高褐煤 Vdaf 40 水分与灰分高 发热量低 着火与燃烧容易 VAMST分类标准 四 液体燃料和气体燃料锅炉燃用的液体燃料主要是重油和渣油 重油 是石油提炼汽油 煤油和柴油后的剩余物 渣油 是进一步提炼后的剩余物 重油重油的成分与煤一样 也是由碳 氢 氧 氮 硫和灰分 水分组成 它的主要元素成分是碳和氢 其含量甚高 Car 81 87 Har 11 14 而灰分 水分的含量很少 其发热量高而稳定 通常 40600 43100kJ kg 燃料油的特性指标1 粘度粘度是液体对其自身流动具有的阻力 是表征流动性能的特性指标 粘度大 流动性能差 在管内输送时阻力就大 装卸和雾化都会发生困难 恩氏粘度 是以200ml试验重油在温度为t 时 从恩氏粘度计中流出的时间与200ml温度为20 的蒸馏水从同一粘度计中流出的时间之比 1 重油的粘度和它的成分 温度 压力有关 加热温度愈高 重油的粘度愈小 因此 重油在运输 装卸和燃用时都需要预热 2 通常要求油喷嘴前的重油温度在100 以上 粘度不大于4 2 闪点和燃点闪点 在大气压下 重油表面油气和空气的混合物在标准条件下接触明火时 发生短暂的闪光 一闪即灭 现象的最低油温 燃点 当油面上的油气与空气的混合物遇明火能着火持续燃烧 持续时间不少于5s 的最低油温 重油的上闪点为80 130 燃点比闪点高10 30 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标 因此燃料油的预热温度必须低于闪点 对于敞口容器中的油温至少应比闪点低10 对于封闭的压力容器和管道内的油温则可不受此限 3 凝固点 重油在倾斜45 的试管中 经过1min不发生流动变化的最低温度 重油凝固点与所含石蜡含量有关 含蜡量越高 油的凝固点越高 气体燃料气体燃料的种类 气体燃料的主要成分1 天然气甲烷约占80 98 其次是烷属重碳氧化合物和H2S 还含有少量N2 CO2 H2O和矿物杂质 发热量很高 33490 37680kJ Nm3 2 高炉煤气是炼铁的副产品 产量大 可燃气体CO约占20 30 H2约占5 15 惰性气体CO2约占5 15 N2约占45 55 4200 6300kJ Nm3 Aar含量高达60 80g Nm3 3 焦炉煤气是冶金企业炼焦的副产品 H2月占46 61 CH4 21 30 N2 7 8 CO2 2 3 16300 17200kJ Nm3 4 液化石油气 2 2燃料燃烧计算 一 燃烧所需空气量及过量空气系数 计算前提1 空气量与烟气量的计算均以1kg燃料的收到基为基础 2 空气和烟气的所有组成成分 包括水蒸汽 分压很小 均可作理想气体 每摩尔气体在标准状态的容积是22 4Nm3 3 空气中只有O2和N2成分 其容积比为 4 气体容积计算的单位均为Nm3 kg 理论空气量 过量空气系数 实际空气量和漏风系数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 kg3 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 其值为 要点烟气侧 炉膛后直至排烟处 过量空气系数逐渐增大 烟气侧过量空气系数 存在一个最佳的过量空气系数 通常用炉膛出口的过量空气系数表示 空气侧 由锅炉送风机开始 均为正压 空气侧过量空气系数 逐渐减小 向外的漏风逐渐减少 二 燃烧产生的烟气容积计算 理论烟气量计算理论烟气量中的各项气体的容积 1 三原子气体烟气量2 理论氮气量3 理论水蒸气量 1 三原子气体烟气量 2 理论氮气量 3 理论水蒸气量 1 由煤中的水分 2 煤中氢元素转换的水分 3 由理论空气量V0带入的水分 即相对于每kg燃煤带入的水蒸气容积0 0161dV0Nm3 kg 实际烟气量过量空气中的水蒸气容积 每kg燃料燃烧后产生的烟气的质量 三原子气体的容积份额在辐射换热计算中 三原子气体RO2 H2O均参与辐射换热 烟气中的飞灰浓度对辐射换热有较大的作用 即每kg烟气中飞灰的质量 afh 烟气携带出炉膛的飞灰占总灰量的份额 afh 0 85 0 95 2 3烟气分析方法 烟气分析的目的对于一台正在运行中的锅炉 如何知道实际送入锅炉的空气量 如何知道空气量是否合适 锅炉燃烧调整 答案 通过实时 在线监测锅炉过量空气系数 炉膛出口及烟道各处的过量空气系数 烟气分析测出某处的烟气成分 再由过量空气系数的计算式算出 理论上烟气分析成分1 1 每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分 RO2 N2 H2O 2 1 每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分 RO2 N2 H2O O2 3 1 每kg燃料不完全燃烧时产生的烟气成分 RO2 N2 H2O O2 CO 烟气分析仪1 奥氏分析仪KOH或NaOH溶液吸收RO2 焦性没食子酸的碱性溶液吸收O2及RO2 氯化亚铜氨溶液吸收CO及O2 2 色谱层析仪3 红外线烟气分析仪 2 4空气和烟气焓的计算 焓值的概念与计算描述流动介质进行能量交换的关系时 焓是最有用和有效的 单位质量的物质所含的全部热能 仅与状态有关 而与途径无关 实际计算中需要知道燃烧产