燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡

第三章燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡,第一节燃烧过程的化学反应第二节燃烧所需的空气量第三节燃烧产生的烟气量第四节烟气分析第五节燃烧方程式第六节运行中过量空气系数的确定第七节空气和烟气的焓第八节锅炉机组的热平衡第九节锅炉机组的热平衡试验,第一节燃烧过程的化学反应,1、碳的燃烧,完全燃烧时：,不完全燃烧时：,2、氢的燃烧,3、硫的燃烧,第二节燃烧所需的空气量,理论空气量：1kg固体或液体收到基燃料（或标准状态下1Nm3气体燃料）完全燃烧，而又无过剩氧存在时所需的空气量，Nm3/kg（或Nm3/Nm3）,过量空气：实际供给的空气Vk比理论空气量多出的这部分空气，即,过量空气系数：实际供给的空气量与理论空气量之比，即,简化假设：（1）空气和烟气所含有的各种组成气体，包括水蒸汽都认为是理想气体（2）假定空气只是O2和N2的混合气体：O2：N2=21：79,几个概念：,用于烟气量计算，用于空气量计算,一、理论空气量,1、固体和液体燃料的燃烧理论空气量Nm3/kg,（1）按完全燃烧化学反应方程式：,（2）按经验公式：,对贫煤、无烟煤：,对烟煤：,对劣质煤（Qnet,ar12560KJ/kg）：,对液体燃料：,Nm3/kg,2、气体燃料的燃烧理论空气量Nm3/Nm3,（1）按完全燃烧化学反应方程式：,（2）按经验公式：,Nm3/Nm3,Nm3/Nm3,时，,时，,对烷烃类气体燃料：（天然气、油田伴生气、液化石油气）,Nm3/Nm3,二、实际空气量和过量空气系数,炉内燃烧一般在炉膛出口处结束，所以对燃烧有影响的是炉膛出口的过量空气系数,对固体排渣炉：当燃用无烟煤、贫煤和劣质烟煤时，,对层燃炉：,当燃用烟煤和褐煤时，,对燃油、燃气炉：,三、漏风系数和空气平衡,对于平衡通风的锅炉：炉膛和各烟道处于负压状态，冷空气通过炉墙的不严密处漏入烟道，致使烟气中的过量空气增加。相对于1kg燃料而言，漏入的空气量V与理论空气量之比称为漏风系数，以表示，即,从炉膛出口开始，烟道内任意截面处的过量空气系数为,空气预热器中，部分空气会漏入烟气侧，如果其漏风系数为,则空气预热器进出口的过量空气系数之间的关系为,如果炉膛的漏风系数为，制粉系统的漏风系数为,则空预器出口与炉膛出口过量空气系数之间的关系为,第三节燃烧产生的烟气量,一、理论烟气量,供给燃料以理论空气量，燃料又达到完全燃烧时生成的烟气所具有的体积，Nm3/kg（Nm3/Nm3）,1、按完全燃烧化学反应方程式,对固、液燃料：,对气体燃料：,、-燃气和空气中的含湿量，kg/Nm3,2、按经验公式,对无烟煤、贫煤、烟煤：,对劣质煤（）时：,对液体燃料：,对烷烃类气体燃料：,对焦炉煤气:,对标准状态下,的气体燃料：,K:天然气为2,油田伴生气为2.2,液化石油气为4.5,二、实际烟气量的计算,实际干烟气,1、完全燃烧时的实际烟气量,对固、液燃料：,对气体燃料：,其中,2、不完全燃烧时的烟气量,忽略烟气中的H2和CmHn，则,三、烟气中三原子气体的容积份额和飞灰浓度,1、三原子气体及水蒸气的容积份额和分压力,2、飞灰浓度,第四节烟气分析,一、烟气分析的目的二、实际烟气成分三、用奥氏烟气分析仪进行烟气分析四、其它烟气分析方法,一、烟气分析的目的,实际为不完全燃烧CO，H2，CmHn实际与设计有出入Vy，与设计不同烟气成分分析RO2、O2CO、Vy、判断燃烧好坏和漏风情况调整燃烧，改进结构,二、实际烟气成分,RO2：CO2+SO2O2N2H2OCOH2CmHn含量甚微，略而不计,三、用奥氏烟气分析仪进行烟气分析,1、奥氏烟气分析仪的原理：图31,利用具有选择性吸收气体特性的化学溶液，在同温同压下分别吸收烟气中的相关气体成分，从而根据吸收前、后体积的变化求出各组成气体的体积百分数含量RO2苛性钾溶液（KOH）O2焦性没食子酸的碱溶液（C6H3（OH）3）CO氯化亚铜氨溶液（Cu（NH3）2Cl）,但吸收剂氯化亚铜溶液不稳定，且CO含量很少，CO较难测准，常只测RO2和O2，计算CO,烟气经过U形管，且在量筒中一直和水接触，烟气中水蒸气为饱和的，随着烟气中某一成分被吸收，水蒸气成比例地被凝结，因此测得的是干烟气成分的容积百分比，即,（1）取样时，试样先流过U形管，冷却、过滤至室温（2）量筒包有水夹层，保证试样彻底冷却，并减少外界影响（3）每次读数时，把量筒中水位和水准瓶水位对齐，保证烟气压力为大气压,2、为保证同温、同压采取的结构措施：,3、缺点：分析一次需1015分钟，用于调节不够及时，通常适用于分析燃烧,四、其它烟气分析方法,1.原理：测出氧浓差电池的电动势含氧量O22.应用：（1），能反映燃烧工况（2）氧化锆氧量计反应灵敏（57秒），能及时调节（3）与CO在线分析仪配合使用的话，能更好地监控燃烧,（一）氧化锆氧量计,1.可作烟气成分全分析：RO2、O2、CO、H2、CH4、CmHn2.目前主要用于实验室作燃烧过程的研究,（二）色谱仪,第五节燃烧方程式,一、不完全燃烧方程式,其中：,，称为燃料的特性系数,因此，,烟气分析时，只要测定RO2和O2的含量，就能算出CO的含量,二、完全燃烧方程式（CO=0时）,或,如果=1时完全燃烧，O2=0，则烟气中三原子气体的容积份额达到最大值，所以,对于固体燃料，=0.0350.15，故,第六节运行中过量空气系数的确定,一、烟气量的计算公式,二、的计算,第七节空气和烟气的焓,（1）对应于1kg固体、液体燃料或标准状态下1m3气体燃料燃烧生成的烟气量和所需的空气量（2）代表在等压下从0加热到所需的热量（3）单位是：kJ/kg或kJ/Nm3,1、计算焓值的基准,2、不同温度下1m3空气、CO2、N2、O2、H2O和1kg灰的焓,3、烟气焓,（1）理论烟气焓,为了简化，取,（2）实际烟气焓,其中，飞灰焓,2、空气焓,（1）理论空气量的焓,（2）实际空气量的焓,飞灰的焓数值较小，因此只有在满足下式时才计算,4、烟气的温焓表,第八节锅炉机组的热平衡,一、锅炉的热平衡方程二、锅炉输入热量三、锅炉有效利用热四、固体不完全燃烧热损失五、气体不完全燃烧热损失六、排烟热损失七、散热损失八、灰渣物理热损失九、燃料消耗量及蒸发率,一、锅炉的热平衡方程,1、热平衡的概念,锅炉在正常运行工况下热量的收、支平衡关系以1kg固体或液体燃料（气体以1Nm3）为单位热平衡示意图,Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6KJ/kg,2、热平衡方程,3、研究热平衡的目的,（1）确定锅炉的热效率：,（2）了解各项热损失的大小及产生的原因提高gl,或,100=q1+q2+q3+q4+q5+q6%,二、锅炉输入热量,Qr=Qnet,ar+ir+Qwr+QzqKJ/kg,1、燃料的物理显热ir,2、外来热源预热空气时带入的热量Qwr,3、雾化燃油所用蒸汽带入的热量Qzq,1、燃料的物理显热ir,设计时ir=Cp,artr，KJ/kg运行试验时ir=Cp,ar（tr-t0)，KJ/kg,Cp,ar收到基燃料的比热，KJ/（kg）tr燃料温度，t0基准温度，取送风机入口空气温度或取30,（固体燃料）,：干燥基燃料的比热,对于煤粉炉，ir数值较小。若燃料未用外热加热，则只有当时，才计算ir,2、外来热源预热空气时带入的热量Qwr,空气预热器人口处的过量空气系数,按加热后空气温度计算的理论空气的焓,基准温度下的理论空气焓,3、雾化燃油所用蒸汽带入的热量Qzq,Qzq=Gzq（izqizq,0），KJ/kg,其中，Gzq：对应于每kg燃料的蒸汽耗量，kg/kg,izq：喷入蒸汽的焓，KJ/kg,izq,0：运行时为基准温度下饱和蒸汽的焓，kJ/kg设计时为排烟中蒸汽的焓，可近似取2510kJ/kg,三、锅炉有效利用热Q1,式中,B每小时燃料消耗量，kg/hDgr过热蒸汽流量，kg/hDzy自用蒸汽流量，kg/hDpw排污水流量，kg/hDzr再热蒸汽流量，kg/h,过热蒸汽焓，kJ/kg,自用蒸汽焓，kJ/kg,饱和水焓，kJ/kg,给水焓，kJ/kg,再热器出口和进口蒸汽焓，kJ/kg,四、固体不完全燃烧热损失q4,（一）q4的组成（二）运行试验时q4的测定与计算（三）设计时q4的确定（四）影响q4的主要因素,（一）q4的组成,飞灰损失：碳粒被烟气带走,炉渣损失：碳粒同炉渣一同落入渣坑：图,沉降灰损失：碳粒同部分灰落入灰斗,石子煤损失：使用中速磨煤机时排出石子煤的热量损失,即,q4是燃煤锅炉的主要热损失之一，一般仅次于排烟热损失,（二）运行试验时q4的测定与计算,其中32700纯碳的发热量，kJ/kgCfh、Clz、Ccjh飞灰、炉渣和沉降灰中所含可燃物质的重量百分数，由取样分析求得Gfh、Glz、Gfjh飞灰、炉渣和沉降灰的质量，kg/hBsz中速磨排出的石子煤量，kg/h,飞灰量的计算利用灰平衡：,Gfh,令,则,（三）设计时q4的确定,取推荐值：,无烟煤4%6%（挥发分极低时取大值）贫煤2%3%烟煤1%2%（高灰分烟煤取大值）褐煤0.5%1%,（四）影响q4的主要因素,燃料性质、燃烧方式、炉膛型式和结构、燃烧器设计和布置、炉膛温度、锅炉负荷、运行水平、燃料在炉内的停留时间和空气的混合情况等,煤中的灰分和水分越少，灰发分含量越多，煤粉越细，则q4越小；,炉膛结构合理（有适当的高度和容积），燃烧器的结构性能好，布置位置适当，使气粉有较好的混合条件和较长的炉内停留时间，则q4较小；,炉内过量空气系数适当，炉膛温度较高时，q4也较小，过量空气系数减少，一般会使q4增大；,锅炉负荷过高将使煤粉来不及在炉内烧透，负荷过低则炉温降低，都将使q4增大。,五、气体不完全燃烧热损失q3,1、q3的形成,CO、H2、CH4、CmHn等可燃气体未燃烧放热就排除而造成的热损失，燃用固体燃料时，可以只考虑CO未燃尽而造成的热损失,2、运行试验时q3的测定和计算,3、设计时q3的确定,取推荐值：煤粉炉q3=0，燃油和燃气炉q3=0.5%,4、影响q3的因素,燃料的挥发分、炉膛过量空气系数、燃烧器结构和布置、炉膛温度和炉内空气动力工况等,燃料中的挥发分多，炉内可燃气体的量就增多，容易出现不完全燃烧，则q3就比较大；,炉膛出口过量空气系数过小，可燃气体因得不到足够的氧气而无法燃尽时，q3增大；若炉膛出口过量空气系数过大，又会使炉膛温度降低，而一氧化碳在低于800900时很难燃烧，此时q3也会增大；,炉膛结构及燃烧器布置不合理，使燃料在炉内停留时间过短或炉内空气动力场不好时，q3增大。,六、排烟热损失q2,1、q2的形成,因排烟温度比进入锅炉的空气温度高，排烟所带走的热量损失,2、运行试验时q2的测定和计算,Q2是锅炉热损失中最大的一项，,装有省煤器时：q2=612%不装省煤器时：q220%大、中型锅炉：q2=48%,其中：Ipy由烟气离开锅炉最后一个受热面处的Vpy和py决定，Vpy可直接测定，py由烟气分析仪测定气体成分后计算求得tlk=30,也可以采用经验公式：,其中：m,n查表py、py测定,3、设计时q2的确定,其中：py、py选定,4、影响q2的因素,q2主要取决于排烟温度和排烟容积,py，q2；py每增加1520，q2将增加1%py，尾部受热面tm，F尾部受热面腐蚀必须根据燃料与金属耗能进行技术经济比较确定对供热锅炉：py=150200对大中型锅炉：py=110160天然气炉：可能py=98受热面积灰或结渣，使py，因此必须经常吹灰保持清洁,（1）排烟温度py,，Vpy，q2Mar，Vpy，q2炉墙烟道各处漏风，py，Vpy，q2,（2）排烟容积Vpy,在锅炉安装施工时应重视炉墙、烟道等砌筑的严密性,5、最佳过量空气系数,七、散热损失q5,1、q5的形成,锅炉表面，包括炉墙、钢架、管道、附件，温度高于周围空气温度造成热量散失于大气中，形成的锅炉热量损失,2、q5的确定,(1)额定蒸发量时的散热损失q5,ed,查图3-4,按下式计算,(2)非额定蒸发量D时的实际散热损失q5,3、影响q5的因素,锅炉外表面积的大小、炉墙结构、保温隔热性能、环境温度、锅炉额定蒸发量等。,如果锅炉外表面积小，结构紧凑、保温完善，则散热损失就小；环境温度高时，散热损失小；当锅炉的蒸发量增大时，燃料消耗量与其基本上成正比例增加，但锅炉散热表面积却增加得慢些，故散热损失随着锅炉额定蒸发量的增大而减小。,八、灰渣物理热损失q6,1、q6的形成,锅炉排出的炉渣、飞灰与沉降灰所携带的热量未被利用而引起的热量损失,2、运行试验时q6的确定,式中tlz由炉膛排出的炉渣的温度，当不能直接测量时，固态排渣煤粉炉可取800，液态排渣煤粉炉可取tlz=t3+100（t3为煤灰的熔化温度），也可用事先协商一致的数据；tcjh可取沉降灰斗上部空间的烟气温度；clz，cfh，ccjh分别为炉渣、飞灰和沉降灰的比热容，按表3-4查取,3、设计时q6的确定,1kg炉渣、飞灰、沉降灰在温度为,时的焓,4、以下几种情况q6可部分忽略或全部为零,（1）固态排渣煤粉炉，当燃煤的折算灰分小于10%时可忽略炉渣的物理热损失；（2）液态排渣炉，旋风炉可忽略飞灰的物理热损失；（3）燃油炉和燃气炉，q6=0,九、燃料消耗量,1、实际燃料消耗量B,B用于燃料运输系统和制粉系统的计算,2、计算燃料消耗量Bj,由于q4的存在，使部分燃料未能参加燃烧，因此，在计算燃烧所需空气量和生成的烟气量时，要用Bj来计算,第九节锅炉机组的热平衡试验,一、热平衡试验目的,1、确定锅炉机组的热效率2、了解各项热损失的大小及产生的原因，并寻求降低热损失的方法3、确定各项参数（如过量空气系数、排烟温度、过热蒸汽温度等）与锅炉负荷的关系,二、确定锅炉机组热效率的方法,1、正平衡法,需要测定工质的流量、工质的状态参数、燃料消耗量、燃煤的发热量Qar,net等。因而要求比较长的时间内保持工况稳定，即保持锅炉压力、负荷、燃烧状态、锅筒水位等基本不变，这在实际运行中是不容易做到的；另外，对大型锅炉，燃料消耗量的精确测定也是困难的。加之此法不能取定锅炉的各项热损失。因此，此法不适用于大型锅炉。,2、反平衡法,需要测定许多数据，如排烟过量空气系数，排烟温度，烟气成分CO、RO2和O2，炉渣、飞灰和沉降灰中的可燃物含量，煤的元素分析成分和发热量等。可以确定锅炉的各项损失；不要求试验期间严格保持锅炉负荷不变，应用广泛。,三、换算到保证条件下的热效率,保证条件（设计参数）：,基准空气温度外部预热的燃烧空气温度给水温度再热器进口蒸汽温度燃料特性（主要是Qar,net和Mar）,1、输入热量的修正,将保证的进风温度替代燃料物理热及雾化蒸汽带入锅炉热量公式中的试验基准温度。当以暖风器进风量计算外来热源加入空气带入锅炉热量时，在公式中以保证的进风温度代替试验基准温度。,2、热损失的修正,（1）进风温度偏差的换算,1）对电站锅炉中常见的不带暖风器的送风系统,在排烟热损失及灰渣物理热损失的计算中，以保证的进风温度替代试验基准温度对排烟温度按下式进行换算,式中,保证的空气进口温度,空气预热器进口实测烟气温度,实测排烟温度,t0实测基准温度,将保证的进口空气温度、换算后的排烟温度和