锅炉第2章剖析课件

燃料及燃料燃烧计算第二章7/25/2023

本章内容燃料的成分及其主要特性燃料燃烧计算烟气分析方法空气和烟气焓的计算7/25/2023第一节煤的成分及主要特性一、燃料的分类世界燃料分为：一是核燃料，二是有机燃料（固、液、气）。

按获得方法分按物态分天然燃料

人工燃料

固体燃料

木柴、煤、油页岩木炭、焦炭、煤粉等液体燃料

石油汽油、煤油、柴油、重油气体燃料

天然气高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气7/25/2023焦炉煤气主要由氢气和甲烷构成，分别占56%和27%，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气和其他烃类；其低发热值为18250kJ/Nm3煤地下气化：将煤直接在地下变为煤气的一种利用方法。煤的地下气化是用坑道或钻孔通到煤层，压入空气，点燃煤层，使煤气导出地面。所得煤气的成分，主要是氮、氢、一氧化碳、二氧化碳，以及少量甲烷等，可以作为气体燃料和化工原料，但其发热量一般较低。

7/25/2023高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为:CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分别占15%、55%，热值仅为3500KJ/m7/25/2023我国的燃料政策石油、天然气和某些优质煤优先作为冶金及化学工业的原料电厂以煤为主要燃料，并尽量利用水分和灰分含量高、发热量低的劣质煤防止公害，节约能源7/25/2023二、煤的成分及其分析基准元素分析：燃烧计算碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰（A）、水（M）工业分析：指导燃烧调整、改善燃烧工况；煤分类的主要依据；锅炉设计时的重要参数水分（M）、挥发分（V）、固定碳（FC）灰分（A）7/25/2023元素分析之碳（C）含量：约占20~70%，主要的燃烧成分。含量最高，煤的发热量的主要来源.存在形式：挥发分(碳化合物)CH4、C2H4、CO等

固定碳（单质）固定碳的燃烧特点：

(1)反应速度缓慢:不易着火(700C以上)；不易燃尽。(2)燃烧产物:C+O2CO2+32866kJ/kgC+1/2O2CO+9270kJ/kg7/25/2023元素分析之氢（H）含量：煤中约占2~6%，发热量最高的可燃元素，是重要的燃烧成分。存在形式：多以碳氢化合物存在。燃烧特点：1kg氢完全燃烧时能放出120370kJ的热量.7/25/2023元素分析之硫(S)含量：约占可燃成分的～8%，是燃料中的有害成分。存在形式：有机硫，黄铁矿（FeS2）,硫酸盐硫（CaSO4、MgSO4、FeSO4）。特点（对锅炉工作的影响）：（1）燃烧放热

S+O2SO2+9040kJ/kg(c)

（2）低温腐蚀

SSO2,SO3

与烟气中的水蒸汽结合形成H2SO4蒸汽，遇低温凝结成H2SO4

（硫酸），腐蚀受热面。SO3还会造成过热器，再热器烟气侧的高温腐蚀。。（3）烟气中的SO2,SO3

：大气污染7/25/2023元素分析之氧和氮氧和氮是不可燃成分。少的仅1~2%，多的约占~40%，含氧量随煤化程度增高而明显减少。氮主要以有机氮形态存在，约占0.5~2%。高温燃烧生成NOx，有害。7/25/2023元素分析之水（M）含量：少的仅2%，多的达50～60%，随地质年代的延长而减少，含量还与其开采、运输、贮存等有关危害：M

↑，可燃成分↓，发热量↓

M

↑，增加着火热，着火推迟

M

↑，炉温↓，燃烧不稳，q3↑，q4↑

制粉困难水分随烟气带出，q2↑，引风机电耗↑低温腐蚀↑7/25/2023元素分析之灰（A）含量：少的只有4～5%，多的可达60～70%危害：排渣带走大量物理显热（q6↑）；灰粒流经受热面，导致磨损或积灰；可燃成分减少，发热量↓理论燃烧温度↓，灰壳导致q4↑

A↑炉温↓，燃烧不稳结渣加剧制粉系统电耗↑7/25/2023工业分析之挥发分（V）组成：碳氢化合物（∑CmHn）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）等可燃气体及少量的氧（O2）、二氧化碳（CO2）、氮（N2）等不可燃气体组成对锅炉的影响：

挥发分着火温度低，着火容易着火发热多，利于燃料着火燃尽煤孔隙多，增大了反应面积7/25/2023工业分析之水分（M）组成：外在水分Mf：又称表面水分。变化很大，易于蒸发，可以通过自然干燥方法予以除掉。内在水分Minf：又称固有水分。指原煤试样使其除了外在水分后剩余的水分，需在较高温度下才能从煤样中除掉。全水分＝外在水分＋内在水分

7/25/2023工业分析之焦炭组成：煤去掉水分和挥发分后的剩余部分，由固定碳（FC）和灰分（A）组成

FC＝100－（M＋V＋A）

7/25/2023三、煤的成分分析基准收到基（asreceived)空气干燥基（airdry）干燥基（dry）干燥无灰基（dryandashfree）

目的：水分和灰分的含量受开采、运输、储存和天气的影响而变化，从而使其他成分的质量百分含量发生变化。成分分析基准用来表达成分含量所处状态和条件，可确切地反映煤的特性，使各种分析结果具有可比性。7/25/2023煤的成分分析基准1、收到基（原应用基y，用于设计与运行,为计算基准）

以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合称为收到基。Car＋Har＋Oar＋Nar＋Sar＋Aar＋Mar＝100%FCar＋Var＋Aar＋Mar＝100%

7/25/2023煤的成分分析基准2、空气干燥基（原分析基f，用于确定内在水分）

以与空气温度达到平衡状态的煤为基准，即煤样在实验室一定温度条件下，自然干燥失去外在水分，其余的成分组合便是空气干燥基。Cad＋Had＋Oad＋Nad＋Sad＋Aad＋Mad＝100%FCad＋Vad＋Aad＋Mad＝100%

7/25/2023煤的成分分析基准3、干燥基（原干燥基g，用于确定灰分）

以假想无水状态的煤为基准，其余的成分组合便是干燥基。干燥基中无水分，故灰分不受水分变动的影响，灰分含量百分数相对比较稳定。Cd＋Hd＋Od＋Nd＋Sd＋Ad＝100%FCd＋Vd＋Ad＝100%

7/25/2023煤的成分分析基准4、干燥无灰基（原可燃基r用于煤的分类）

以假想无水、无灰状态的煤为基准。

Cdaf＋Hdaf＋Odaf＋Ndaf＋Sdaf＝100%FCdaf＋Vdaf＝100%

7/25/2023ACHONS碳氢氧氮硫灰分固定碳挥发分水分焦碳挥发性物质干燥无灰基干燥基空干基收到基同一种煤的各种分析基准间的关系7/25/2023三、煤的主要特性煤的发热量灰的熔融特性煤的可磨性指数与磨损指数

7/25/2023三、煤主要特性指标

1.发热量（热值）单位质量的煤在完全燃烧时所释放出的热量。单位：kJ/kg。常用表示：高位发热量：指1kg煤完全燃烧时放出的全部热量，包括燃烧产物中的水蒸汽凝结成水时放出的汽化潜热，用Qar，gr表示，单位为kJ/kg。7/25/2023低位发热量：是指1kg煤完全燃烧时放出的全部热量，其中不包括水蒸汽凝结成水时放出的汽化潜热，用Qar，net，p表示，单位为kJ/kg。燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时。思考：为什么在电厂锅炉技术中一般用低位发热量作为计算依据？

排烟温度在110~160℃，烟气中的水蒸气仍处于蒸汽状态，不可能凝结成水而放出汽化潜热。7/25/2023收到基高位发热量与低位发热量水的汽化潜热，kJ/kg

1kg煤中的氢燃烧生成的水蒸汽的质量，kg/kg

1kg煤中水分的质量，kg/kg

7/25/2023其他基准高位发热量与低位发热量注意：不同基准下煤的高位发热量之间，可以之间乘上换算系数K进行换算。但是，不同基准下煤的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量后，才能用换算系数K进行换算。7/25/2023

标准煤意义：以统一计算标准来核算企业对能源的消耗量；便于比较设备运行的经济性；计算电厂煤耗；便于厂矿编制计划。定义：统一规定以收到基低位发热量

Qar，net，p＝29310kJ/kg（7000kcal/kg）的燃料称为标准煤。标准煤的消耗量计算：

B——实际煤的消耗量，t/h。7/25/2023标准煤消耗量的计算甲：Qar,net,p=22680kJ/kgB=280t/h乙：Qar,net,p=18900kJ/kgB=336t/h=甲、乙煤耗相等！实际煤的消耗量，t/h7/25/2023折算成分意义：为了估计燃料中各种有害成分S、A、M对锅炉工作的影响程度，更好地鉴别煤的性质定义：规定把相对于每4190kJ/kg（1000kcal/kg）收到基低位发热量的煤所含的收到基水分、灰分和硫分，分别称为折算水分、折算灰分和折算硫分。7/25/2023折算成分的计算折算水分折算灰分折算硫分%%%>8%，高水分>4%，高灰分>0.2%，高硫分7/25/2023甲：Qar,net,p=22680kJ/kgSar=1.6%乙：Qar,net,p=18900kJ/kgSar=1.4%乙危厂害燃更煤大硫分更多，7/25/20232.高温下煤灰的熔融性灰熔点定义：煤灰在某一确定的温度下开始熔化，此温度定义为煤灰的熔化温度（灰熔点）。影响煤灰熔融性的因素分析：

(1)煤灰的化学组成：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、MgO

及K2O、Na2O（2）环境介质的性质：还原性气氛，灰熔点低；氧化性气氛，灰熔点高（3）灰分含量：含灰量多，灰熔点低注意：灰熔点越高越好，就越不易结渣。7/25/2023灰处于熔融状态灰达到了灰熔点灰熔点越高灰越不易处于熔融状态自然不会结渣7/25/2023灰的熔融特性定义：

煤灰没有明确的熔化温度，它是在一定的高温区间内逐渐熔化的，通常把煤灰的这种性质称为灰的熔融特性，用三个特征温度来表示：变形温度DT：锥顶变圆或开始倾斜软化温度ST：锥顶弯至锥底或萎缩成球形流动温度FT：锥体呈液体状态能沿平面流动灰熔融特性的测定：采用角锥法测定7/25/2023根据软化温度ST将煤灰分成三类：难熔灰：ST＞1400℃易熔灰：ST＜1200℃中熔灰：ST=1200~1400℃7/25/2023灰熔融特性对锅炉工作的影响排渣方式的选择：

ST＞1400℃难熔固态排渣

ST＜1200℃易熔液态排渣

1200℃<ST>1400℃固态排渣煤的选用

ST－DT>200℃，灰渣的液态与固态共存时间长，称为长渣。

ST－DT<100℃，灰渣的液态与固态共存时间短，称为短渣。对固态排渣锅炉，为减轻炉内结渣，选用具有短渣性质的煤。对液态排渣锅炉。为排渣通畅，选用具有长渣性质的煤。炉膛出口烟温的确定

对固态排渣煤粉炉，为避免炉膛出口附近的受热面结渣，应使炉膛出口烟温比灰的变形温度DT低50～100℃。7/25/2023结渣与积灰两者都是灰附着于受热面而形成的污染共性：区别：结渣时，灰是熔融状态粘附于受热面积灰时，灰是固体状态松散附着于受热面√√7/25/20234、煤的可磨性系数定义：在风干状态下，将等量的标准样煤和被测试煤，由相同的初始粒度磨制成同一规格的细煤粉时，所消耗的能量之比

Kkm愈大，煤愈容易磨制成粉，消耗能量愈小；

Kkm愈小，煤愈难磨制成粉，消耗能量愈大。7/25/2023哈式可磨性指数测定方法：将规定粒度的50g煤样置于实验用中速磨煤机内，磨制约3min后取出并筛分。

与Kkm的关系：Kkm<1.2（即HGI<64）难磨Kkm>1.5（即HGI>86）易磨7/25/20235、煤的磨损指数定义：在一定的试验条件下，某种煤每分钟对纯铁的磨损量X与相同条件下标准煤样每分钟对纯铁磨损量的比值。这里的标准煤是指每分钟能使纯铁磨损10mg的煤。若τmin内，某种煤对纯铁的磨损量为m（mg），则该煤的磨损指数Ke愈大，煤对金属碾磨部件的磨损愈强烈，煤的磨损性愈强

Ke愈小，煤对金属碾磨部件的磨损愈弱，煤的磨损性愈弱7/25/2023可磨性系数与磨损指数煤的磨损指数与煤的可磨性指数是两个完全不同的概念。容易磨成粉的煤不一定都具有弱磨损性；而不易磨制成粉的煤也不一定都具有强磨损性。煤的可磨性指数决定于煤的机械强度、脆性等因素（C和灰）。煤的磨损指数主要取决于煤中硬质颗粒（石英、黄铁矿、菱铁矿等）的性质和含量。问：是否难磨的煤就一定具有很强的磨损性？7/25/2023四、我国煤的分类分类依据：煤中Vdaf（干燥无灰基挥发分）的含量1.无烟煤：Vdaf≤10%

有明亮的黑色光泽，硬度大。煤化时间最长，含碳量最高（高于50％），灰分、水分等杂质较少，因而发热量高，约在21000～

32500kJ/kg。着火和燃烬都很困难。2.贫煤：10%～20%

煤化程度略低于无烟煤，是主要的动力用煤。它的着火和燃烬特性优于无烟煤，但仍属反应性能较差的煤。7/25/20233.烟煤：20%～40%

中等煤化程度的煤。形成年代较褐煤长，碳含量40%～70％。水分和灰分较少，因而发热量较高，在20000～30000kJ/kg。烟煤容易着火和燃烬，但对于高灰分的烟煤，着火和燃烬都相应比较困难。

4.褐煤：＞

40%

形成年代较短的煤，煤质松，略呈褐色。挥发分含量很高，约为40％～50％，很容易着火和燃烧。但是褐煤中灰分和水分含量也都相对较高，发热量低，一般仅为10000～20000kJ/kg。

7/25/2023燃料燃烧计算第二节7/25/2023理论空气量定义：1kg（1Nm3）收到基燃料完全燃烧而由没有剩余氧存在时所需要的空气量，用表示，单位为

或

计算：

用质量表示7/25/2023过量空气系数实际供给空气量：为了使燃料在炉内能够燃烧完全，减少不完全燃烧热损失，实际送入炉内的空气量要比理论空气量大些，这一空气量称为实际供给空气量，用符号Vk表示过量空气系数：

7/25/2023锅炉漏风系数定义：某一受热面的漏风量与理论空气量V0之比，称为该级受热面的漏风系数。计算：烟道中任一截面处的过量空气系数，可等于炉膛出口处的过量空气系数加前面各段烟道的漏风系数

示意图7/25/2023

空气预热器中空气侧压力较高，空气会有部分漏入烟气侧，故空气预热器进、出口空气侧的过量空气系数为：7/25/2023理论烟气容积定义：当过量空气系数且完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积，用表示，单位为或

计算：烟气的组成：CO2，SO2，N2，H2O7/25/2023理论氮气容积：2个来源理论烟气容积：理论水蒸气容积：4个来源7/25/2023理论干烟气量：理论烟气量（含有水蒸气的烟气称为湿烟气）7/25/2023实际烟气容积定义：实际的燃烧过程是在过量空气系数的条件下进行的，此时的烟气容积除了理论烟气容积外，还增加了过量空气和随同这部分过量空气带进来的水蒸汽计算（完全燃烧）7/25/2023不完全燃烧

当不完全燃烧时，碳燃烧除了生产CO2外，还产生未完全燃烧产物CO，烟气中也可能有未燃烧的氢和碳氢化合物CmHn。但现代锅炉的燃烧设备中，烟气中H2和CmHn的含量极微，可忽略不计。认为烟气中的不完全燃烧产物只有CO。

不论燃烧完全与否，烟气中的碳的燃烧产物的总容积是不变的，只是生产CO时消耗的O2比生产CO2时要少些。烟气质量my

7/25/2023飞灰浓度定义

飞灰浓度（kg/kg）指每kg烟气中的飞灰质量7/25/2023烟气分析方法第三节7/25/2023烟气分析目的分析内容

成分＋容积分析目的

燃料燃烧的完全程度燃烧条件（炉膛出口过量空气系数）

烟道漏风（烟道漏风系数）7/25/2023烟气分析方法奥氏烟气分析仪

化学吸收电气烟气分析仪二氧化碳导热系数比其它小磁性氧量计氧的顺磁性氧化锆氧量计氧浓差电池RGH-1型烟气全分析器化学吸收＋燃烧色谱仪层析法

从上之下越来越精确7/25/2023奥氏烟气分析仪原理原理

用某种吸收剂与烟气接触，该种吸收剂能够吸收烟气中某种成分，而不能吸收其它成分。

(1)

氢氧化钾

KOH溶液吸收RO22KOH＋CO2→K2CO3＋H2O2KOH＋SO2→K2SO3＋H2O(2)

焦性没食子酸钾

C6H3(OH)3碱性溶液吸收O2（RO2）4C6H3(OH)3＋O2→2[(OH)3C6H2＋C6H2(OH)3]＋2H2O(3)

氯化亚铜的氨溶液

Cu(NH3)2Cl吸收CO（同时吸收O2）Cu(NH3)2Cl＋2CO→Cu(CO2)2Cl＋2NH37/25/2023

干烟气成分的分析

烟气分析仪所测数据是干烟气各组成成分的容积百分数。

7/25/2023运行中烟气容积的计算实际烟气容积等于干烟气容积加水蒸汽容积7/25/2023不完全燃烧公式

当燃料不完全燃烧时，根据烟气分析所得到的RO2，O2，CO等与燃料元素之间存在的关系式:燃料特性系数

燃料特性系数只取决于燃料的元素分析成分，与水、灰无关，是无因次比例数.若忽略含量很少的Nar、Sar，则7/25/2023利用不完全燃烧公式计算一氧化碳含量，衡量不完全燃烧程度CO的计算(式2-62)7/25/2023完全燃烧方程式

且完全燃烧时，根据不完全燃烧方程中CO为零，得完全燃烧方程式：

且完全燃烧，O2＝0，CO＝0，烟气中的三原子气体含量达到最大值。

由上式可见，值只取决于燃料性质。随着燃料成分的不同，燃料特性系数也不同，因而值也不同。式2-627/25/2023过量空气系数的计算1当燃料不完全燃烧时，N2=100-(RO2+O2+CO)，故当燃料完全燃烧时，CO＝0，则

式2-727/25/2023，

可忽略不计，则过量空气系数的计算2（完全燃烧）公式2-757/25/2023

及的测定

对于燃煤锅炉，用烟气中过剩氧量来监督过量空气系数，则煤种变化对它的影响很小。

已知某级受热面进、出口的过量空气系数和，从而确定该级受热面的漏风系数只要测出某级受热面进出口烟气中的O2含量，就可确定该级受热面的漏风系数。7/25/2023空气和烟气焓的计算第四节7/25/2023计算基础

锅炉热力计算中，无论空气焓还是烟气焓，其焓值都以1kg（气体燃料以1Nm3）燃料为计算基础，同时规定0℃时的焓值等于零，并用符号H表示。7/25/2023理论空气焓的计算

定义：

1kg燃料燃烧所需理论空气量在定压下从0℃加热到tk℃所需要的热量称为理论空气焓，单位为kJ/kg。计算公式：7/25/2023实际空气焓的计算

定义：

1kg燃料燃烧所需实际空气量在定压下从0℃加热到tk℃所需要的热量称为实际空气焓，单位为kJ/kg。计算公式：7/25/2023二、燃烧产物焓

定义：

1kg燃料燃烧生成的燃烧产物在定压（通常为大气压力）下从0℃加热到℃所需要的热量称为燃烧产物焓。

燃烧产物包括烟气焓和飞灰焓两部分，由于飞灰焓的数值相对较小，常忽略不计，所以燃烧产物焓也称为烟气焓。7/25/20231、设计锅炉时烟气焓的计算

计算公式：