燃烧计算和热平衡计算

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1、第三章 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 燃烧所需的空气量计算 第三节 燃烧产物计算 第四节 烟气成分和烟气分析 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,燃料燃烧计算主要是计算燃料燃烧所需空气量、燃烧生成的烟气量和烟气的热焓等。,在计算时假定：1）空气和烟气的所有组成成分，包括水蒸气都是理想气体，因此，每一千摩尔气体在标准状态下的容积是22.41Nm3；2）所有空气和其它气体容积的计算单位都是Nm3，即以0一标准大气压（0.1013Mpa）状态下的立方米为单位。锅炉机组的热平衡反映了输入锅炉热量的利用与

2、损失状况，通过热平衡的研究可以找出提高锅炉热效率的途径。,第一节 燃烧过程的化学反应,煤的可燃燃烧成分：碳（C）、氢（H）、硫（S）。,1.碳的燃烧：,C+O2CO2+407000kJ/k mol（C） （31）,即 ： 1kgC+1.866Nm3O21.866Nm3CO2,上式说明，每1kg的C完全燃烧需要1.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO2。,2C+O22CO+123100kJ/k mol（C） （32）,即 ： 1kgC+0.51.866Nm3O21.866Nm3CO,也即：每1kg的C不完全燃烧需要0.51.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO。,2H2+O2

3、2H2O+241200kJ/k mol（H2） （33）,即 ： 1kgH2+5.56Nm3O211.1Nm3H2O 也即：每1kg的H燃烧需要5.56Nm3的O2并产生11.1Nm3的H2O。,S+O2SO2+334900kJ/k mol（S） （34）,即 ： 1kgS+0.7Nm3O20.7Nm3SO2,也即：每1kg的S燃烧需要0.7Nm3的O2并产生0.7Nm3的SO2。,第二节 燃烧所需的空气量,本节主要介绍三部分内容：,理论空气量,实际空气量和空气过量系数,漏风系数和空气平衡,一理论空气量,概念：,1kg（或1Nm3）燃料完全燃烧时所需的最低限度的空气量（空气中的氧无剩余）称为理

4、论空气量，其代表符号为V0。,求理论空气量的一般过程：,1kg收到基燃料中C、H、S的量（前已讲述）,C、H、S完全燃烧所需的O2量,1kg燃料完全燃烧真正需由空气提供的O2量,1kg燃料燃烧所需的理论空气量V0,理论空气量：, 上式有三点说明：,1）V0是不含水蒸汽的干空气；2）V0只决定于燃料的成分，当燃料一定时V0即为一常数；3）碳和硫的完全燃烧反应可写成通式 R+O2RO2， 其中 Rar=Car+0.375Sar。,考虑空气中氧的容积成分为21%计算,二实际空气量和过量空气系数,在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量。实际空气

5、量Vk与理论空V0之比，即,称为过量空气系数（用于烟气量计算，用于空气量计算）。,显然，1kg燃料完全燃烧时需要的实际空气量Vk为：,过量空气量Vg等于：,对于固态排渣煤粉炉： 当燃用无烟煤、贫煤和劣质烟煤时约为1.20 1.25， 当燃用烟煤和褐煤时约为 1.151.20。,三漏风系数和空气平衡,对于负压运行的锅炉，外界冷空气会通过锅炉的不严密处漏入炉膛以及其后的烟道中，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V0之比称为漏风系数， 以表示， 即：,烟道内的过量空气系数：,漏风使烟道内的过量空气系数沿烟气流程是逐渐增大的。从炉膛出口开始，烟道内任意截面处的

6、过量空气系数为：,式中炉膛出口与计算烟道截面间，各段烟道漏风系数的总和。,空气预热器中的过量空气系数：,空气预热器中，空气侧压力比烟气侧高，所以会有部分空气漏入烟气侧，该级的漏风系数ky要高些。在空气预热器中：,式中：Ky 、Ky分别为空气预热器进口和出口的过量空气系数。,考虑到炉膛及制粉系统的漏风， Ky与1之间关系为：,式中 1 炉膛漏风系数1 制粉系统漏风系统,第三节 燃烧产生的烟气量,1、 理论烟气的组成成分,理论烟气的组成成分为：,其相应的体积分别记为：,CO2、SO2、N2、H2O,各组成成分体积均可根据燃烧反应求出,一、理论烟气量,2理论烟气量的计算,理论烟气量：,理论干烟气量,

7、（1）二氧化碳和二氧化硫的体积VCO2 、VSO2,根据C、S的燃烧反应可求出：,（2）理论氮气体积（V0N2 ）,由两部分组成： 燃料中的氮所占体积 理论空气量中的氮所占的体积,（3）理论水蒸气体积（V0H2O ）,四部分组成：,燃料中的氢完全燃烧生成的水蒸气体积：,燃料中的水汽化生成的水蒸气体积：,理论空气量带入的水蒸气体积：,采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积：,理论水蒸汽量：,理论烟气量：,二完全燃烧时的实际烟气量,、完全燃烧时实际烟气量的组成成分,形成实际烟气量的基本物质,燃料,干空气量Vk,随Vk进入炉膛的水分,CO2、SO2、N2、O2、H2O,其相应的体积分别记为：,实际烟气的

8、组成成分为：,从成分上看比理论烟气量多了一项自由氧O2。从烟气的总量上看，多了过量空气 ，以及随其带入的水蒸气 。,其中：,过量空气：,0.21 的氧,0.79 的氮,水蒸汽,2、 完全燃烧时实际烟气量的计算,完全燃烧时烟气体积：,完全燃烧时烟气中的各成分均假设为理想气体，,三、不完全燃烧时的烟气量,烟气的成分：,CO2、SO2、N2、O2、H2、CO、CmHn,其中 H2、CmHn 数量很少一般在工程计算可以忽略。因此燃料不完全燃烧时的烟气量：,其中： 与完全燃烧时完全相同 ， 需要重新计算 的量。,根据前面所讲述的内容总结出实际烟气中各组成部分的体积表达式：,问题？,实际烟气量：,1二氧化

9、碳与一氧化碳的体积,1kg燃料中含碳,燃烧生成CO2,燃烧生成CO,这两部分碳燃烧生成的CO和CO2的体积VCO、VCO2为:,可见，如果不完全燃烧产物只有CO，那么不论燃烧是否完全，烟气中碳的燃烧产物的总容积是不变的。,2不完全燃烧时烟气中氧的体积,不完全燃烧时，烟气中氧的体积等于过量空气中氧的体积与不完全燃烧少消耗的氧的体积之和，即：,求出,推导上式的目的并不在于计算不完全燃烧时的干烟气体积，而在于推导后面的不完全燃烧方程式。,第四节 烟气成分和烟气分析,1干烟气的容积成分,不完全燃烧时,其中H和CmHn数量很少，工程计算中可忽略不计,一般认为不完全燃烧时：,即：,其中：,在锅炉运行中，烟

10、气的成分及含量直接反映出炉内的燃烧工况。因而，测定烟气的成分和含量，对于判断炉内燃烧工况、进行燃烧调整以改进燃烧热备都是非常必要的。如果测出了烟气的成分和含量，不但可以了解燃烧的完全程度（即q3大小）、燃烧的条件（即大小）也可以了解烟道的漏风情况等。,2奥氏烟气分析仪,测量原理：,化学吸收法，它是将一定容积的烟气试样顺序和某些化学吸收剂相接触，对烟气的各组成气体逐一进行选择性吸收，每次减少的容积即是被测成分在烟气中所占的容积。,吸收剂：,第一个吸收瓶放氢氧化钾（KOH）溶液，吸收RO2；第二个吸收瓶放焦性没食子酸C6H3(OH)3的碱性溶液，吸收O2（同时也吸收RO2）；第三个吸收瓶放氯化亚铜

11、氨溶液Cu(NH3)2Cl，吸收CO（同时也吸收O2）。,由于后两瓶的吸收剂有双重吸收功能，故操作时必须按1、2、3瓶的次序依次进行，不可颠倒。,测量步骤：,烟气,U形管过滤器 除去灰和杂质,取出100ml烟气,吸收瓶 1,吸收瓶 2,吸收瓶 3,测量出 RO2,测量出 O2,测量出 CO,每次用量筒测得的数值就是干烟气成分的容积百分数。,计算公式：,或,前面已经求出三者的含量：,第五节 燃烧方程式,不完全燃烧方程式,根据前面所求出的各反应方程可推倒出来,其中：燃烧特性系数,系数称为燃料特性系数，它只取决于燃料中C、H、O、N、S，而与M和A无关。由的计算式可知，是一个无因次的比例系数，因此它

12、与燃料分析成分的表示基准也无关。,完全燃烧方程式：,只决定于燃料的特性系数，所以也只决定于燃料的元素组成，也是一个表征燃料特性的特征值。,第六节 运行中过量空气系数的确定,过量空气系数对锅炉的燃烧和经济运行有很大影响，在锅炉运行中，通过烟气分析准确迅速的测量过量空气系数，是保证锅炉安全经济运行的基础。,据过量空气系数的定义，有：,不完全燃烧时的过量空气系数：,完全燃烧时的过量空气系数：,根据前面所讲推导求出,根据,的数值相对较小可忽略不记,过量空气系数与烟气中氧的容积成分O2基本上一一对应，所以在运行中只要知道了烟气中的含氧量O2，就可以知道运行中的过量空气系数。目前，锅炉采用磁性氧量计或氧化

13、锆氧量计来测量烟气中的含氧量O2。,第七节 空气和烟气的焓,要进行锅炉受热面的传热计算，必须知道如何计算空气和烟气的焓。在这里空气和烟气的焓是指在定压条件下，将1kg燃料所需的空气量或所产生的烟气量从0加热到t（空气）或（烟气）时所需的热量，单位为kJ/kg。,一、空气焓,理论空气量的焓,实际空气量的焓,(ct)k1Nm3干空气连同其携带的水蒸气在温度t时的焓（见表4-4）。,二、烟气焓,1理论烟气的焓,2实际烟气的焓,式中 (c)h1kg灰在时的焓,实际烟气焓Iy等于理论烟气焓Ik0 、过量空气焓 （ 1） Ik0和烟气中飞灰焓Ifh之和，即：,第八节 锅炉机组的热平衡,研究锅炉机组的热平衡

14、目的就在于定量计算与分析各项能量的大小，找出引起热量损失的原因，提出减少损失的措施，提高锅炉效率，降低发电成本。,一热平衡方程输入输出锅炉的能量见图32，根据能量平衡原理，可以很容易的写出锅炉的热平衡方程。在讨论各种能量时，均以1kg燃料为基础，所以其单位都为kJkg。,Qr输入锅炉热量,Q1有效利用热,各项热损失,锅炉,锅炉能量示意图：,锅炉机组的热平衡方程：,Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 kJ/kg,q1+q2+q3+q4+q5+q6=100,两边同除Qr,锅炉效率,二、锅炉输入热量 Qr,锅炉输入热量 Qr四部分组成,Qar,net燃料的收到基低位发热量，kJ/kg；,ir燃

15、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。,对于煤粉炉，ir数值相对较小，可以忽略。,2 外来热源加热空气时带入的热量 Qwr,其中： 空气预热器入口处的过量空气系数；Ik0 按加热后空气温度计算的理论空气的 焓，kJ/kg；Ilk0 基准温度下的理论空气焓，kJ/kg。,3 雾化燃油所用蒸汽带入的热量 Qzq,式中 Gzq 雾化1kg燃油所用的蒸汽量，kg/kg；izq 雾化蒸汽在入口参数下的焓，kJ/kg；izq.o 基准温度下饱和汽的焓，kJ/kg。可近似 取为2510kJ/kg。,对于燃煤锅炉，如果燃料和空气都没有利用外界热量进行预热，输入热量Qr=Qar,net。,三.固体不完全燃烧热损失 Q4,损失因素：,概念：固体不完全燃烧热损失是灰中未燃烧或未燃尽的碳造成的热损失和使用中速磨煤机时排出石子煤的热量损失，也称为机械未完全燃烧损失。,燃料性质,燃烧方式、炉膛型式和结构、 燃烧器设计和布置,