锅炉03燃料燃烧计算及锅炉热平衡

1、锅锅 炉炉河北理工大学本科优秀课程河北理工大学本科优秀课程第三章 燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡n燃烧所需空气量和过量空气系数n燃烧产物(烟气量)的计算n烟气分析n不完全燃烧方程式n锅炉运行状态下过量空气系数的确定n空气和燃烧产物焓的计算n锅炉机组的热平衡计算第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数 燃烧计算燃烧计算即燃烧反应计算，是建立在燃料燃烧化学反应的基础上的。燃烧反应中，燃料中的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:如果燃烧中空气不足或混合不好，则第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数 在进行燃烧计算时，把空气和烟气均看作为理想气体，即每k

2、mol气体在标准状况( , p=0.1013 MPa )下其体积为22.4m3，燃料以1kg燃料油或标准状况下1m3干气体燃料为单位。第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数 1kg燃料完全燃烧并且燃烧产物(烟气)中无自由氧存在时，所需要的空气量(指干空气)称为理论空气需要量理论空气需要量，简称理论空气量，并以标准状态下V0 (m3kg)或LO(kgkg)来表示。V0 (或或LO)可根据燃料中C、S、H等可燃元素所需要的氧气量计算得到。1 固体及液体燃料固体及液体燃料第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数 碳的分子量为12，每kg碳完全燃烧所需要的氧气量为22.412m3(标准状态下)。已知每kg燃

3、料中碳的含量为Car /100kg，因而所需氧气量为：每每kg燃料中本身所包含的氧量为：燃料中本身所包含的氧量为： 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数1007 . 01007 . 010055. 5100866. 1ararararQSHC m3 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数每kg燃料完全燃烧时，所需要的氧气量氧气量为： 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数lkg燃料油完全燃烧所需要的理论空气量理论空气量第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数由于标准状态下的空气密度=1.293kg/m 3 ，故用质量表示的理论空气量理论空气量为：L0=1.293V0 =0.115Kar+0.342Ha

4、r-0.043Oar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(m3m3)。 和固体及液体燃料一样，气体燃料的燃烧计算也是建立在其可燃成分的燃烧化学反应方程式的基础上的。 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数2 气体燃料表1 各种单一可燃气体的燃烧化学反应式 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数归纳出碳氢化合物的燃烧反应通式。即 OHnmCOOnmHCnm22244 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。第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数22205 . 145 . 05 . 021. 01OSH

5、HCnmCOHVnm 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数标准状态下气体燃料燃烧理论空气量理论空气量 影响燃料完全燃烧程度的因素很多，其中影响燃料完全燃烧程度的因素很多，其中空气的供给量是否充分，燃料与空气的混合是否空气的供给量是否充分，燃料与空气的混合是否良好良好是很重要的条件。是很重要的条件。 实际送入锅炉的空气量实际送入锅炉的空气量 (m3/kg，液体燃料；，液体燃料；m3m3，气体燃料，气体燃料)称为称为实际空气量实际空气量，其值一般，其值一般都大于理论空气量。都大于理论空气量。实际空气量为理论空气量与过量空气量之和实际空气量为理论空气量与过量空气量之和。第一节 燃烧所需空气量和过量空

6、气系数实际空气量0VV 第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数过量空气系数和漏风系数或实际空气量与理论空气量的比值称为实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气过量空气系数系数，用，用或或 表表示，即示，即第一节 燃烧所需空气量和过量空气系数 各部件所处烟道内漏入的空气量 与理论空气量的比值，称为该烟道的漏风系数漏风系数，表示如下：0VV 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0.010.1。 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。 第二节 燃烧产物(烟气量)的计算OHNSOCOyVVVVV22220 标准状态下，l kg固体或液体燃料在理论

7、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： 理论烟气量第二节 燃烧产物(烟气量)的计算 由碳和硫的完全燃烧反应式可知，标准状态下，1kg的硫完全燃烧后产生 1.866m3的CO2。标准状态下，1kg硫完全燃烧后产生 0.7m3的SO2。所以标准状态下，1kg固体或液体燃料完全燃烧后产生CO2和SO2的体积分别为：ararCOCCV01866.0100866.12 m3 kg ararSOSSV007.01007.02 m3 kg 第二节 燃烧产物(烟气量)的计算理论氮气体积 包括两部分：1) 理论空气量中的氮，其体积为理论空气量中的氮，其体积为0.79V0； 2 ) 燃 料

8、 本 身 包 括 的 氮 。 由 于燃 料 本 身 包 括 的 氮 。 由 于 1 k g 燃 料 含燃 料 含Nar/100kg的氮，而的氮，而1kg氮分子的体积为氮分子的体积为22.4/28 ，因此，燃料本身含有氮的体积为因此，燃料本身含有氮的体积为 （m3/kg）ararNN008. 0100284 .22第二节 燃烧产物(烟气量)的计算所以：于是，不含有水蒸气的理论干烟气的体积为：理论水蒸气的体积来源三个方面： 燃料中氢的燃烧 由氢的燃烧反应方程可知，标准状态，1kg氢完全燃烧后产生 11.1m3的水蒸气。故1kg燃料中氢燃烧产生的水蒸气的体积为0.111Har(m3kg)。 第二节

9、燃烧产物(烟气量)的计算第二节 燃烧产物(烟气量)的计算随燃料带入的水分蒸发后形成的水蒸气 1kg燃料中因水分蒸发形成的水蒸气的体积为：)/( ,0124. 0100184 .223kgmMMarar理论空气量带入的水蒸气体积 设1kg干空气中含有的水蒸气为d(gkg)，则标准状态下，lm3干空气中含有的水蒸气的质量为1.293d (kg)。而标准状态下，水蒸气的密度为 0.804kgm3，亦即1m3干空气中含有的水蒸气的体积为 0.00161d (m3)。一般情况下，可取d=10gkg，则理论空气量V0 带入的水蒸气的体积为0.0161V0(m3kg)。 第二节 燃烧产物(烟气量)的计算第二

10、节 燃烧产物(烟气量)的计算所以，理论水蒸气体积理论水蒸气体积为：)/( ,0161. 00124. 0111. 03002hmVMHVararOH当燃用重油时，由于重油的粘度较大，常采用蒸汽进行雾化，雾化蒸汽也喷入炉内，因此，理论水蒸气容积还应考虑雾化用蒸汽。)/( ,24. 1804. 03kgmGGhh第二节 燃烧产物(烟气量)的计算所以，对于蒸汽雾化燃油的锅炉，其理论水蒸气容积为：)/( ,2 . 10161. 00124. 0111. 03002kgmGVMHVhararOH理论烟气量为：)/( ,3000002222kgmVVVVVVOHNROOHgyy第二节 燃烧产物(烟气量)的

11、计算实际烟气体积：VyOHgyyVVV2式中 ： Vy 实际烟气体积，m3kg； Vgy实际干烟气体积，m3kg； 它等于理论干烟气体积 与过量空气(-1) V0（干空气）之和；第二节 燃烧产物(烟气量)的计算第二节 燃烧产物(烟气量)的计算因此，实际烟气体积也可写成：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。第二节 燃烧产物(烟气量)的计算由于三原子气体、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。 第三节 烟气分析l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

12、燃烧调整？l答案：通过实时、在线监测锅炉过量空气系数。l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。烟气分析手段：吸收剂吸收燃烧吸收色谱分析u导热性u导磁性u导电性u光学性第三节 烟气分析化学方法化学方法物理方法图1 烟气成分分析仪第三节 烟气分析图2 煤质元素分析仪第三节 烟气分析由锅炉过量空气系数的定义出发推导完全燃烧的情况下，与烟气成分之间的关系：KggkkkVVVVVVV1107979. 079. 01008 . 079. 02222NVVNVVVgyNarNairNk)(100792121222OROO第三节 烟气分析（a）完全燃烧；（

13、b）Nar可被忽略再略去2max2)(RORO22121O)(100792121222OROO第三节 烟气分析广泛采用22121O第三节 烟气分析用的较少2max2)(RORO第四节 不完全燃烧方程式进一步得到一氧化碳的含量：的数值与燃料的可燃质有关，与燃料中的水分、灰分无关，燃料一定， 值便可算出，而且是一定值。所以， 值称为燃料特性系数。 因此，当烟气中剩余氧为零(即=1)时，烟气中RO2值达到最大，即121max2RO % 第四节 不完全燃烧方程式 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。 第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定 由于燃料中的氮含量很少，燃烧后燃料释放出来

14、的氮的容积远小于烟气中氮的容积，即 第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定 忽略燃料中的氮 Nar时，进入炉内的实际空气量可作如下简化：烟气中氮的容积为：第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定gygykVNVNV7979.010022gygyOVOVOVV2121.010021.022222222279212121791179211111NONOVNVOVVgygykm3/kgm3/kg 所以同样 于是 完全燃烧时，干烟气的组分为R02+O2+N2=100，即N2=100-(RO2+O)，于是，上式成为 222100792121OROO 当通过烟气分析测出RO2和O2之后，便可由上式求得过

15、量空气系数。 第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定由前，有代入上式得： 不完全燃烧时，烟气中的氧既来自过量不完全燃烧时，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空气，也来自理论空气中由于碳不完全燃烧而未消耗的氧。因此烧而未消耗的氧。因此 gyVCOOV215.02 m3/k g 第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定此时，干烟气中氮的容积份额为 )(100222COORON % 第五节 锅炉运行状态下过量空气系数的确定最后得上式即为不完全燃烧时过量空气系数过量空气系数。第六节 空气和燃烧产物焓的计算n描述流动介质进行能量交换的关系时

16、，焓是最有用和有效的；n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；n实际计算中需要知道燃烧产物（常压）的温度与焓值间的关系；n水蒸汽则需要根据温度和压力来求得焓值；n前人均已经制成表格、图线或程序。 相应于1kg收到基燃料的空气（或烟气），由温度0加热到所需要的热量，称为空气空气的焓或烟气的焓的焓或烟气的焓。单位：kJ/kg第六节 空气和燃烧产物焓的计算空气、烟气焓值的定义kkkcVII)(00空气焓 每标准立方米干空气连同其相应的水蒸汽在温度时的焓，kJ/Nm 3 ，可以查表得到,每公斤空气含有10g水。第六节 空气和燃烧产物焓的计算理论烟气焓OHOHNNROROycVcVc

17、VI22)()()(02022201m3的成分在温度时的焓值，查表。烟气焓的计算VyVy0VRO2V0N2V0H2O(-1)V0标米干空气的湿空气/公斤第六节 空气和燃烧产物焓的计算烟气的组成热力学： 混合气体的焓等于各组成气体焓的和，外加灰分的焓。hfharkyycaAcVII)(100)() 1(00IyIy0IRO2= VRO2I0N2= V0N2I0H2O= V0H2O(-1)I0=(-1)V0Ifh第六节 空气和燃烧产物焓的计算hfharfhcaAI)(100飞灰热焓值Ifh第六节 空气和燃烧产物焓的计算烟焓表 通过燃烧产物的焓值的计算，列出焓值与温度对应的表格（编程计算），是锅炉热

18、力计算的基础：即),(fIy第七节 锅炉机组的热平衡计算锅炉热平衡 指在稳定运行状态下，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、0.1 MPa 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： 654321QQQQQQQr,kJ/kg 第七节 锅炉机组的热平衡计算式中： Qr 锅炉输入热量 Q1 锅炉有效利用的热量 Q2 排烟热损失 Q3 可燃气体不完全燃烧热损失 Q4 固体不完全燃烧热损失 Q5 锅炉散热损失 Q6 其他热损失 将上述方程用方程右侧各项热量占输

19、入热量的比值百分数来表示，则为 %100654321qqqqqq 第七节 锅炉机组的热平衡计算其中：riiQQq 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。zqwrrnetarrQQiQQ, 第七节 锅炉机组的热平衡计算式中： Qar,net 燃料的收到基低位发热量（kJ/ kg）ir 燃料物理显热（kJ/ kg） Qwr 外来热源加热空气时带入的热量（kJ/ kg） Qzq 雾化燃油所用蒸汽带入的热量（kJ/ kg）各项热量的计算公式为： 第七节 锅炉机组的热平衡计算ir=cp,artr式中： Cp,ar 燃料的收到基比定压热容，kJ/ （kg ）； tr 燃料温度

20、，；当用外来热源加热燃料时，（用蒸汽加热重油或蒸汽干燥器等）及开式系统使燃料干燥时，应计算此项，并根据燃料的炉前状态取用tfu 和燃料水分。若未经预热，则只有当 时才须计算，此时可取 tr=。%628,netararQM第七节 锅炉机组的热平衡计算固体燃料比热容Car,fu为：)/(,100187. 4100100,kgkJMMCCarardrfuar式中： dr 燃料干燥基比热容，kJ/ （kg ），按表4-7取用。锅炉有效利用热锅炉有效利用热 11zrzrzrgsgrgriiDiiDBQ gspwgszyzyiiDiiD 第七节 锅炉机组的热平衡计算锅炉有效利用热指水和蒸汽流经各受热面时吸

21、收的热量。锅炉有效利用热 Q1为：第七节 锅炉机组的热平衡计算 锅炉热效率的确定有两种方法。一种为由锅炉热效率的定义直接获得，即为锅炉的有效利用热与锅炉送入热量之比：这种方法称为正平衡正平衡法。锅炉效率 第七节 锅炉机组的热平衡计算锅炉设计或热效率试验时常用反平衡反平衡法，即求出各项热损失后，用下式求得 ：锅炉正平衡试验法简单易行，对于热效率较低的工业锅炉（ 80）比较准确；反平衡法较复杂，但通过各项热损失的测定和分析，可以找出提高锅炉经济性的途径。第七节 锅炉机组的热平衡计算固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失q4 燃料中未燃烧或未燃尽碳造成的热损失，这些碳残留在灰渣中，也称为机械未完全

22、燃烧损失或未机械未完全燃烧损失或未燃碳损失燃碳损失。针对不同燃烧方式，燃料燃烧生成不同形式的灰渣，固体不完全燃烧热损失 q4的计算公式为：第七节 锅炉机组的热平衡计算对于火床炉1fhyhlhaaa第七节 锅炉机组的热平衡计算对于煤粉炉1fhyhlhaaa 第七节 锅炉机组的热平衡计算 设计锅炉时， 可按燃料种类和燃烧方式选用，热力计算方法中有推荐值。对固态除渣煤粉炉：褐煤 q4=1%，烟煤 q4=2%，贫煤 q4=3%，无烟煤q4= 4%；燃油和燃气炉 q4=0。影响 q4的主要因素有：燃料的性质、燃烧方燃料的性质、燃烧方式、炉膛型式和结构、燃烧器设计和布置、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、燃料在炉炉膛温度、锅炉负荷、运行水平、燃料在炉内的停留时间和与空气的混合情况内的停留时间和与空气的混合情况等。 这是由于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。 第七节 锅炉机组的热平衡计算可燃气体不完全燃烧热损失可燃气体不完全燃烧热损失q3式中： CO、H2、CH4 干烟气中一氧化碳、氢气、甲烷的容积百分数，可从烟气分析测得， RO2干烟气中三原子气体容积百分比。正常燃烧时q3值很小。在进行锅炉设