锅炉原理第三章热平衡解析

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1、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 燃烧所需要的空气量 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 锅炉机组热平衡试验, 目的 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。,概念 燃料的燃烧是指燃料中的可燃元素与氧气在高温条件下进行的强烈化学反应过程。当烟气中不含可燃物质时称为完全燃烧，否则称为不完全燃烧。, 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

2、是22.41m3； 2）所有空气和其它气体容积的计算单位都是m3，即以0一标准大气压（0.1013MPa）状态下的立方米为单位。,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 12.1kgC+22.41m3O222.41m3CO2, 完全燃烧,（反应方程式）：,1kgC+1.866m3O21.866m3CO2,1kg收到基燃料中含有Car/100Kg,因而1Kg燃料中C完全燃烧时需要1.866Car/100m3,2C+O22CO,即 ：1kgC+0.51.866m3O21.866m3CO,也即：每1kg的C不完全燃烧需要0.5

3、1.866m3的O2并产生1.866m3的CO。,2H2+O22H2O,即 ：1kgH2+5.56m3O211.1m3H2O 也即：每1kg的H燃烧需要5.56m3的O2并产生 11.1m3的H2O。,S+O2SO2,即 ：1kgS+0.7m3O20.7m3SO2,也即： 每1kg的S燃烧需要0.7m3的O2并产 生 0.7m3的SO2。,第二节 燃烧所需要的空气量,一、理论空气量, 概念：,1kg（或1m3）燃料完全燃烧而又无过剩氧存在时所需的空气量称为理论空气量，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,1

4、kg燃料完全燃烧真正需要空气提供的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(锅炉计算中认为空气中只有氧 气和氮气)； 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）。,炉

5、内过量空气系数，一般是指炉膛出口处的过量空气系数 。 太大，增加排烟热损失； 太小，不能保证完全燃烧。,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

6、出口开始，烟道内任意截面处的过量空气系数为：,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 l 炉膛漏风系数 zf 制粉系统漏风系统,例：某锅炉尾部受热面采用双级布置如图示，负压制粉系统。假定、级空气预热器、炉膛和制粉系统的漏风系数 以及炉膛出口过量 空气系数 均已知。试写出第级空气预热器入口处的过量空气系数 。,第三节 燃烧

7、产生的烟气量,一、理论烟气容积,标准状态下，l kg固体及液体燃料在理论空气量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为固体及液体燃料的理论烟气量，即，当=1且完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积。用符号Vy0表示，, 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,1、 理论烟气的组成成分,2理论烟气量的计算,理论烟气量：,理论干烟气量,（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（V 0N2 ）,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

8、论水蒸气体积（V 0H2O ）, 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：,1）燃料中的氢完全燃烧产生的水蒸汽,2）燃料中的水分蒸发形成的水蒸汽,3）随同理论空气量V 0带入的水蒸气，其体积为,dk为1kg干空气带入的水蒸气的量，为干空气的密度1.293kg/m3, 理论水蒸汽量：, 理论烟气量：,CO2、SO2、N2、O2、H2O,其相应的体积分别记为：,实际烟气的组成成分为：,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

9、中：,过量空气：,0.21 的氧,0.79 的氮,水蒸汽,二、完全燃烧时的实际烟气量,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，,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：, 实际烟气量：,三、不完全燃烧时的烟气量, 1、不完全燃烧烟气的成分：,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。,2、二氧化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

10、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。,3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：,四、烟气中三原子气体的容积份额和飞灰浓度,在锅炉辐射换热计算中，要用到三原子气体及水蒸气的容积份额、和分压力、：,，,，,飞灰浓度,fh为烟气携带出炉膛的飞灰占总灰分的质量份额my为1kg燃料的烟气质量 ；P为烟气的总压力,-飞灰浓度。,第四节 烟气分析,目的：在锅炉运行中，烟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

11、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设备都是非常必要的。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（即炉膛出口的过量空气系数大小）也可以了解烟道的漏风情况等。,方法：化学吸收法、电气测量法、红外吸收法及色谱分析法,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：,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

12、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。,+,由烟气 分析仪,由烟气 分析仪,由烟气分析结果计算干烟气体积,由碳的燃烧化学反应式可知，无论是生成二氧

13、化碳还是一氧化碳、二氧化碳兼有，其总容积是相同的 。,+,或,问题：,何谓理论烟气量，它同实际烟气量在成分上有何区别? 试分析平衡通风锅炉沿着烟气流程RO2和O2是如何变化的？ 在奥式气体分析仪中，三个吸收瓶中分别装有什么溶液？在吸收过程中，烟气流经三个吸收剂的顺序可否颠倒？为什么?,第五节 燃烧方程式,燃烧方程式推导的目的：检测烟气成分份额，判断炉内燃烧情况,烟气中CO含量计算,不完全燃烧时烟气中氧的体积,不完全燃烧时烟气中氮的体积,将 代入上式并整理，得：,将,带入上式, 不完全燃烧反应方程式,其中：燃烧特性系数,系数称为燃料的特性系数，它只取决于燃料中C、H、O、N、S，而与M和A无关。

14、由的计算式可知，是一个无因次的比例系数，因此它与燃料分析成分的表示基准也无关。,不完全燃烧方程式的应用,该式 一般用来计算干烟气中一氧化碳的含量,而利用CO含量的多少可以判断燃烧的完全程度 。,完全燃烧反应方程式及RO2最大值,CO=0,完全燃烧=1（O2=0）,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成分，也是一个表征燃料特性的特征值。,对于固体燃料，=0.035-0.15，RO2=18-20,第六节 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：,

15、从干烟气容积成分O2、N2和 CO的定义式中求解V O2 V N2 和VCO,N2=100-(RO2+O2+CO), 不完全燃烧时的过量空气系数：,CO=0, 完全燃烧时的过量空气系数：,根据前面所讲推导求出,根据完全燃烧方程,的值相对较小，可忽略不计，则：,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,(c)k1m3干空气连同其携带的水蒸气在温度t时的焓（见表3-1）。,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Iy0 、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,定义: 在稳定运行状态下，锅炉输入热