电站锅炉-第二章

锅炉原理课件,第二章锅炉燃料燃烧及热平衡计算,煤的组成与分类,锅炉的热平衡,燃料的燃烧计算,油和气体燃料,煤的组成与分类,燃料的燃烧计算,引言中国能源资源现状,我国能源-富煤贫油少气煤为主要能源；6070%的一次能源来自煤，是世界上为数不多的几个以煤为主要能源国家之一；2005年煤炭在一次能源生产总量和消费总量中的比重，分别为76.3%和68.7%；远远高于全球平均27%和27.8%；一次能源分布：绝大部分化石燃料的储藏量和一次能源产量在干旱的三北，华北，西北和东北，而使用主要在东南沿海，需要大量的远距离输送。,人口众多，能源相对不足，人均拥有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的58.6、7.69和7.05。,世界一次能源总供应中各类能源所占比例,BP世界能源统计2006的数据表明，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。,我国与世界能源结构对比,煤炭依旧为全球增长最快的燃料，中国消费了全球煤炭的36.9%，其中几乎全部产自中国本土。2005年，中国的煤炭消费增长了10.9%，比2004年14.4%的消费增长率有所降低。在中国以外的其他地区，煤炭的增长平缓，2005年增幅为1.8%，略高于过去10年1.5%的平均增长率。,我国一次能源总供应中各类能源所占比例,第一节煤的组成与分类,煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。,我国能源资源中煤炭在一次能源消费结构中约占70%，是世界上为数不多的以煤为主要能源的国家。,主要特点概述：煤的化学组成和结构十分复杂，它包括有机质和无机质，以有机质为主。煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。无机质主要是指存在于煤中（包括有机质中）的所有无机的非煤物质：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质,煤的化学成分与分析基准,为了实用方便，一般采用元素分析和工业分析来确定煤中各成分的含量,煤的化学成分与分析基准,“元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中”。这充分地说明了煤炭组成的极端复杂性。根据其含量不同，通常可将煤的组成分为三类：,煤的元素分析,重金属：铅、铬、铜、锌等,矿物质：钙、硅、铝、铁、镁等,煤的元素分析,煤的元素分析(Ultimateanalysisofcoal)是指对煤中的碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素的分析，元素分析的结果表示为各种元素的质量百分数，但是并不能代表煤中有机化合物的组成。,小贴士：碳（C）、氢（H）、硫（S）是可燃的，另外两种是不可燃,煤的元素分析可以判断煤的化学性质，常用于指导锅炉设计、热工试验和燃烧计算等,煤的元素分析-碳,碳是煤中主要可燃元素，也是煤的发热量的主要来源，每千克碳完全燃烧时可放出约3.27104kJ的热量。煤中碳的含量随着成煤地质年代的变化而有所不同，地质年代长的无烟煤，其含碳量可达70%以上，而年代浅的煤则含碳量不到40%。,碳主要存在于缩合芳香核上,纯碳的着火和燃烧很困难，煤的含炭量越多，着火与燃烧越困难，但发热量大,煤的元素分析-氢,煤中氢多以碳氢化合物状态存在，含量大多在3%-6%，碳化程度越深的煤，氢的含量越少。氢是煤中发热量最高的可燃元素，热值可达120103kJ/kg（燃烧产物为水蒸气）氢及碳氢气体分子极易着火与完全燃烧，因此，氢含量高，则对煤的着火燃烧有利。,氢主要存在于煤分子侧链和官能团上,煤中碳和氢的测定方法,测定煤中碳和氢的方法是800燃烧法(利比西法)，其中又分为添加催化剂的快速测定法和不加催化剂的常规测定法。,碳氢元素分析仪三节炉法,煤中碳和氢的测定方法,800燃烧法：将装有一定煤样的瓷舟放入燃烧管中，在800和有氧化铜存在的条件下，使煤样在氧气流中充分燃烧，生成的水和二氧化碳分别用吸水剂(如氯化钙、浓硫酸或过氯酸镁)和二氧化碳吸收剂(如碱石棉、钠石灰或40%氢氧化钾溶液)吸收。根据吸收剂的增重，计算煤中碳和氢的百分含量。,煤的元素分析-硫,煤中的硫以三种形态存在：有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。可燃硫包括有机硫、黄铁矿硫。硫酸盐一般不再氧化，表现为灰分。,（FeS2）,（CaSO4、MgSO4等）,小知识：硫的发热量很低，只有9103kJ/kg。煤中硫的含量一般小于2%，但是对于高硫煤来说，其含量可能超过4%，个别煤种高达8%-10%。,硫是煤中的有害成分，对锅炉运行以及生态环境都造成危害，是造成酸雨的主要根源,煤的硫的测定方法,煤中全硫的测定方法主要有高温燃烧中和法、艾士卡法、库仑法,高温燃烧法测煤的全硫含量,库伦法测煤的全硫含量,煤的硫的测定方法,煤的元素分析-氮和氧,煤中氧的含量变化很大，年代浅的煤种氧含量较高，最高可达40%左右，碳化程度越高的煤，氧的含量越少，少的只有1%-2%,氮的含量一般很少，仅0.5%2.5%。氮燃烧后生成有害气体NOx，污染大气。煤中氮的测量方法有半微量开氏法和半微量蒸汽法，开氏法主要适用于褐煤、烟煤、无烟煤和水煤浆，蒸汽法主要适用于烟煤、无烟煤和焦炭。,煤中氮测量开氏法,开式法的原理是煤与浓硫酸在催化剂作用下，加热分解，氮转化为硫酸氢铵，加入过量的氢氧化钠溶液后，氨逸出，由硼酸吸收，最后用酸滴定，计算出煤中的氮含量。,TheKjeldahlmethod,煤元素分析仪,原理及主要技术指标：采用燃烧法自动测定固体或液体有机物中的碳、氢、氮、硫、氧。具有独特的石英管炉子以及局部吹氧设计，与电脑相连，带自动进样装置，一次可装入79个样品，其样品量可大至200毫克，每个样品分析时间约12分钟，分析结果以及曲线直接在计算机上显示并可打印出来，这个周期完全自动化。采用热导法检测，有两种测试模式CHNS模式/O模式.主要技术指标：准确度：碳0.1%;氢0.1%;氮0.1%;,仪器型号：EL-2生产厂家：德国Vario公司,煤的工业分析,煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性,工业分析成分构成(Proximateanalysis)：水分、灰分、挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭,水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC）,煤中的水分,煤中的水分含量差别很大，与成煤地质年代、开采方法、运输和储存条件等因素有关，原煤中的水分低的仅有2%，高的可达50%以上。,煤全水分（M）分外在水分（Mf）和内在水分（Minh）外在水分freemoisture是附在煤粒表面的外来水分，这部分水变化很大，易于蒸发，可以通过自然干燥的方法除掉。内在水分inherentmoisture又称固有水分，需要在较高温度下才能从煤中除掉。,全水分测定方法,全水分的测定方法是将原煤样置于105110（褐煤相应温度稍高）的烘箱内约2小时，使之干燥至恒重，采用质量差减法即可得到。,水分测定使用的仪器设备有分析天平、干燥箱、称量瓶等,烘箱,电子分析天平,煤中挥发分及测定,特点：并不是以固有的形态存在于煤中，而是煤在加热过程中分解后析出的产物。,坩埚,马弗炉,测定：称1g煤放入坩埚在900的马弗炉内隔绝空气加热7min取出，冷却后称量并根据质量损失得到其含量,组成：主要由各碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成,煤中固定碳（FC),煤脱除挥发分后的剩余的固体物即为焦炭,它是由固定碳和灰分构成的。将焦炭加热至85010，待完全燃烧后失去的重量为固定碳(FC)焦炭的黏结性与强度称为煤的焦结性，它是煤的重要特性指标之一。,煤的灰分不是煤中固有组成，而是由煤中矿物质转化而来。,煤的工业分析-灰分的来源,煤中原生矿物质：指存在于成煤的植物中，主要是碱金属、碱土金属的盐类，与有机质分子紧密结合，很难用机械方法分开,煤中外来矿物质：这种矿物质原来不含于煤层中，它是在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。它与煤是独立存在的，几乎不影响煤的可选性,煤中次生矿物质：主要来源于成煤过程中因地壳变动混入到煤层中的泥沙。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质,煤的工业分析-灰分,将焦炭加热至85010，待完全燃烧后失去的重量为固定碳(FC)，剩下来的残留物就是灰分A。,灰分的主要成分是由硅、钙、铝、铁以及少量的镁、钛钾、钠等元素组成的化合物。不同煤的灰分含量差别很大，少的只有10%左右，多的高达50%以上。,小贴士：煤中灰分矿物质的行为特性是导致结渣、沾污、磨损的重要根源,煤-工业分析仪,原理及主要技术指标：利用热失重原理分析煤的工业分析。将分析试样放入样盘坩埚中，通过机械传动送入低温炉，氮气干燥到恒重，再将干燥后的样送入预先通入氮气的高温炉中，加热7分钟，后改输氧气，灰化至恒重，分别通过电子天平测得失重，得出样品中水分、挥发分、灰分和固定碳含量。,仪器型号：TGA2000；西班牙LasNavas公司,煤的分析基准,基准概念的引出,煤是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素及水分（M）、灰（A）分组成。这些成分的含量都以质量百分数表示，其总和为100%。由于煤中的水分（M）和灰分（A）易受到外界环境的影响而变化，其它成分的质量百分数也自然随之发生变化。因此，在给出煤中各成分含量时，应标明其分析基准才有实际意义。,常用的基准,收到基（asreceived）空气干燥基（airdry）干燥基（dry）干燥无灰基（dryandashfree）,煤的分析基准,收到基,收到基以进入锅炉房的原煤为基准，以下标ar表示，其中包括全部水分,在锅炉热力计算中，一般采用收到基成分。,包括内在水分和外在水分,煤的分析基准,空气干燥基,以自然干燥去掉外在水分的煤为基准称为空气干燥基，以下标ad表示,Mad只包括内在水分,干燥基,干燥基以去除煤中全部水分为基准，以下标d表示:,煤的分析基准,干燥基中不存在水分（M),煤的分析基准,干燥无灰基,以除去全部水分和灰分的煤为基准，以下标daf表示。,干燥无灰基因无水、无灰，剩下的成分不受水分、灰分含量变化的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫五种成分质量百分数最稳定的基准，因而可以作为燃料分类的基准。,基准的关系,Sly硫酸盐硫，归入灰分；Sr是可燃硫，通常也可认为是全硫；Winh、Wf分别是内在水分和外在水分。,基准间换算,由于不同煤样区别，需要对煤的各种成分进行基准换算：,Xi-按新基准计算的同一成分的质量百分数，%；X0-按原基准计算的某一成分的质量百分数，%，K-换算系数,注意,换算系数可以用于各基准之间的百分数的换算，也可以用于各基准的高位发热量之间的换算，但是不能用于低位发热量和水分的换算。,对于不同基准下的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量,各基准指标间的换算系数,煤的分类,10%,37%,无烟煤,贫煤和烟煤,褐煤,以煤化程度（干燥无灰基挥发分含量）划分为三大类：,细分类指标,Hdaf：反映无烟煤变质程度黏结指数G、胶质层最大厚度Y和奥亚膨胀度b：表征烟煤透光率PM和恒湿无灰高位发热量Qmaf,gr：表征褐煤,Vdaf,煤的细分类指标,无烟煤的细分类指标,无烟煤没有黏结性，其工艺特性主要取决于煤的变质程度。研究表明，在无烟煤阶段，与Vdaf相比，氢的干燥无灰基含量Hdaf是表征无烟煤变质程度的较好指标，故在无烟煤小分类中采用Vdaf和Hdaf两个指标。,烟煤干燥无灰基挥发分Vdaf是表征其变质程度的较好指标。研究表明，黏结指数G是能较好反映煤的黏结性和焦炭强度的指标。因此，一般以Vdaf和G，并辅以Y、b，作为对烟煤进行细分的依据。,烟煤的细分类指标,煤的细分类指标,从褐煤到长焰煤（变质程度最浅的烟煤）阶段，煤的性质不仅取决于煤化程度，还取决于成煤的原始物质和煤岩组成等因素。研究表明，Vdaf只是在一定程度上表征年轻煤的煤化程度，因此，仅采用Vdaf来区分褐煤、长焰煤和其它年龄较短的煤是不够的。目视透光率PM则是表征年轻煤的煤化程度的较好指标，同时也可以表征煤的岩相组成。,褐煤的细分类指标,动力用煤的分类,动力用煤的分类,动力用煤分类以煤的干燥无灰基挥发分Vdaf为分类的主要指标，其它的参考指标包括收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar、干燥基灰分Ad、干燥基硫分Sd及灰的软化温度ST等。,无烟煤,无烟煤具有明亮的黑色光泽，机械强度较高，不易研磨。一般Car50，最高可达95，Mar=3%15%,Aar=6%-25%，杂质较少，发热量较高，大致为21000-25000kJ/kg。着火和燃尽困难，燃烧时无烟，火焰短且呈现出青蓝色。储存时不易自燃。,动力用煤的分类,贫煤是变质程度最高的烟煤，其中Vdaf=1020%。作为动力燃料，它的性质介于无烟煤和烟煤之间，而且与挥发分含量有关。Vdaf较低的贫煤，在燃烧性能方面比较接近于无烟煤。,贫煤,动力用煤的分类,水分和灰分含量也不多，故发热量也较高，一般为20000-30000kJ/kg。烟煤挥发分含量高于无烟煤，一般Vdaf约为2040%，故大部分烟煤都容易着火和燃烧，燃烧时火焰长，但某些含灰量较高的劣质烟煤则燃烧特性较差。,烟煤,烟煤煤化程度次于无烟煤，表面呈灰黑色，有光泽，质松软。含碳量为Car=40%70%，个别可达75。,动力用煤的分类,褐煤外观呈褐色，机械强度低，质脆易风化，也很容易自燃，不易储存和远运。褐煤煤化程度低于烟煤，含碳量Car=4050%，Vdaf一般在37以上。,褐煤,褐煤中水分和灰分较高，Mar=2040%，Aar=640%，发热量较低，一般小于16750kJ/kg。褐煤挥发分析出温度低，着火和燃烧容易。,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,挥发分VV的含量代表了煤的地质年龄，地质年龄越短，煤的碳化程度越浅,V含量越多。V含量越多（C含量越少），V中含O量亦多，其中的可燃成分相应减少，这时，V的热值低V含量越多，煤的着火温度低，易着火燃烧V多，V挥发使煤的孔隙多，反应表面积大，反应速度加快V多，煤中难燃的固定碳含量便少，煤易于燃尽V多，V着火燃烧造成高温，有利于碳的着火、燃烧,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,水分M燃煤中的水分对锅炉的影响很大。M含量越多,煤中可燃成分相对减少，燃烧时有效热量减少，炉膛温度下降M多，着火困难，机械和化学不完全热损失增加M多，水分吸热成水蒸气，增加烟气量，排烟热损失增大，引风机电耗增加M多，会给低温受热面的积灰和腐蚀创造条件M多，造成原煤仓、给煤机和落煤管粘结堵塞，磨煤机出力下降,灰分A灰分是煤燃烧后剩余的不可燃矿物杂质，它与燃烧前煤中的矿物质在成分和数量上有较大区别。A高，排渣带走的物理显热增加A高，炉内火焰温度降低，炉膛温度下降，燃烧不稳定A高，妨碍煤中可燃物质与空气接触，煤不易燃尽，机械不完全热损失增大A高，如果烟速高，会磨损受热面，尤其是尾部受热面如果烟速低，会造成受热面积灰，传热效果差，排烟温度升高.,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,灰分AA高，受热面沾污严重，造成炉内结渣，过热器超温爆管，受热面腐蚀A高，增加磨煤的能量消耗A高，造成飞灰和炉渣的利用难题,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,硫分煤中含硫的最大影响是造成低温受热面和高温受热面的腐蚀。此外，含有氧化硫的烟气排入大气，还会产生大气污染，形成酸雨,硫酸蒸汽对换热器的影响,全硫中的可燃硫在燃烧后形成SO2，并有一部分继续氧化形成SO3。烟气中的SO2对受热面的腐蚀没有明显的影响。但SO3与烟气中的水蒸气结合形成硫酸蒸汽。当低温烟道内受热面的壁温较低时，硫酸蒸汽就会凝结成硫酸，使低温受热面遭受腐蚀。,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,H2S对水冷壁影响,煤中的硫在高温火焰核心区局部严重缺氧的条件下会生成活性硫化氢气体H2S,H2S对高温区水冷壁会产生严重的腐蚀，当燃烧火炬或者炉内气流贴墙时，这个腐蚀过程非常迅速,黄铁矿质地坚硬，在制粉系统中会加速磨煤部件的损耗，在炉内高温壁面容易造成结渣通常在燃煤进入磨煤机之前或煤粉制备过程中，设法将其分离除去,黄铁矿对磨煤部件影响,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,煤的发热量（kJ/kg)：单位质量的煤在完全燃烧时放出的全部热量,低位发热量（Qnet）：烟气中的水蒸汽在锅炉中一般不会凝结，形成水蒸汽所吸收的汽化潜热无法被利用，使煤的发热量降低，降低后的发热量称为低位发热量。低位发热量（燃料在锅炉中的实际发热量）不包括水蒸气凝结放出的汽化潜热,高位发热量(Qgr)：煤的理论发热量，发热量中包括煤燃烧后所产生的水蒸汽凝结放出的汽化潜热,高低位发热量的换算,收到基高、低位发热量之间的换算,r：水的汽化潜热，通常取r=2500kJ/kgQar,net、Qar,gr：燃料收到基的低位、高位发热量，KJ/Kg；Har、Mar：燃料收到基的氢和水分，%；,发热量的测定,氧弹量热仪,把一定量的试样放在密闭的充氧弹筒（俗称氧弹）中完全燃烧。氧弹置于盛水的内筒中，并被水完全浸没。根据内筒水温的升高，计算出试样的发热量。,发热量的计算,没有测量数据时候，可根据煤的元素分析成分用下列经验公式近似计算确定发热量:,KJ/Kg,KJ/Kg,标准煤收到基低位发热量为29310kJ/kg的燃料为标准煤标准煤耗量式中、分别为标准煤耗量与实际煤耗量,折算成分相对于每4190kJ/kg收到基低位发热量的煤中所含的收到基水分、灰分和硫分，称为折算水分、折算灰分和折算硫分,发热量相关值,煤的发热量煤的发热量越高，表明其可燃成分含量越大，灰分含量越低，理论燃烧温度和炉内温度较高；反之，煤的发热量降低，炉内的温度水平下降，燃料的消耗量增加，当煤的发热量低到一定数值时，不仅会导致燃烧不稳、不完全燃烧热损失增加，而且会导致锅炉灭火。,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,煤的常规特性及其对锅炉工作的影响,煤中矿物质燃烧后去向,1.大部分形成飞灰随着烟气被除尘器捕获2.少部分形成炉渣经过淬冷由捞渣机带走3.一部分灰分经过蒸发熔融、黏结和沉积在受热面上，形成渣层,灰渣的熔融特性对锅炉的影响,在高温火焰的中心，灰分一般会处于熔融或软化状态，接触到受热面或炉墙，黏附形成渣层沾污、结渣会降低炉内受热面的传热能力，使得炉膛出口烟温相应提高，引起过热器的沾污和腐蚀尾部受热面省煤器和空气预热器的积灰容易导致烟道堵塞、传热恶化，提高排烟温度，降低锅炉运行经济性,灰渣的熔融特性,影响灰熔点的因素,1、灰成分及其含量比例：灰中的SiO2和Al2O3含量越高，灰的熔融温度就越高；如果碱性物质增多，灰熔点将降低,2、矿物之间的共熔：灰中氧化物结成共晶体，属SiO2-Al2O3-CaO-FeO系统，熔点比结合前要低，如CaOSiO2，只有1540,3、气氛：还原性气氛中比氧化性气氛中低200300,灰渣的熔融特性,角锥法测定灰熔点,将灰制成小角锥（正三角形底，边长7cm，20cm)，角锥垂直地面的侧面与灰托板表面垂直至于硅碳管加热炉中加热加热速度900以前，1520/min900以后，51/min介质气氛弱还原性(50%H2+50%CO2)或(60%CO2+40%CO),三角形锥体,灰渣的熔融特性,FT,原形,DT,ST,HT,DT变形温度灰锥尖端开始变圆或弯曲时的温度。ST软化温度灰锥变形至下列情况时的温度：锥体弯曲至锥尖触及托板、灰锥变成球形和高度等于（小于）底长的半球形。HT半球温度角锥熔融为一体，形如半球状时的炉膛温度。FT流动温度灰锥熔化成液体或展开成高度在1.5mm以下薄层,灰熔点分析仪,仪器型号：CAFdigitalimaging生产厂家：英国CARBOLITE公司主要技术指标：CAF-DIGITAL1%，计算机自动控制与数据采集主要用途：用于测定煤灰的变形温度、软化温度和熔融温度。,灰渣的熔融特性,第二节油和气体燃料,一、燃料油的特性,我国电站锅炉主要燃煤，但在点火及低负荷运行时使用燃油，锅炉常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,通常在37.744.0MJ/kg,重油,燃料油的特性,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。燃油的黏度通常用恩氏黏度计测量，用E表示。(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