第三章燃燒計算和鍋爐機(jī)組熱平衡

第一節(jié)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)第二節(jié)燃燒所需的空氣量計算第三節(jié)燃燒產(chǎn)物計算第四節(jié)煙氣成分和煙氣分析第五節(jié)燃燒方程式第六節(jié)運行中過量空氣系數(shù)的確定第七節(jié)空氣和煙氣的焓第八節(jié)鍋爐機(jī)組的熱平衡燃料燃燒計算主要是計算燃料燃燒所需空氣量、燃燒生成的煙氣量和煙氣的熱焓等。在計算時假定：

1）空氣和煙氣的所有組成成分，包括水蒸氣都是理想氣體，因此，每一千摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積是22.41Nm3；

2）所有空氣和其它氣體容積的計算單位都是Nm3，即以0℃一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（0.1013Mpa）狀態(tài)下的立方米為單位。鍋爐機(jī)組的熱平衡反映了輸入鍋爐熱量的利用與損失狀況，通過熱平衡的研究可以找出提高鍋爐熱效率的途徑。第一節(jié)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)煤的可燃燃燒成分：碳（C）、氫（H）、硫（S）。1.碳的燃燒：C+O2→CO2+407000kJ/kmol（C）（3－1）即：1kgC+1.866Nm3O2→1.866Nm3CO2上式說明，每1kg的C完全燃燒需要1.866Nm3的O2并產(chǎn)生1.866Nm3的CO2。完全燃燒：（反應(yīng)方程式）2C+O2→2CO+123100kJ/kmol（C）（3－2）即：1kgC+0.5×1.866Nm3O2→1.866Nm3CO也即：每1kg的C不完全燃燒需要0.5×1.866Nm3的O2并產(chǎn)生1.866Nm3的CO。不完全燃燒：（反應(yīng)方程式）2H2+O2→2H2O+241200kJ/kmol（H2）（3－3）即：1kgH2+5.56Nm3O2→11.1Nm3H2O也即：每1kg的H燃燒需要5.56Nm3的O2并產(chǎn)生11.1Nm3的H2O。2.氫的燃燒:（反應(yīng)方程式）3、硫的燃燒：（反應(yīng)方程式）S+O2→SO2+334900kJ/kmol（S） （3－4）即：1kgS+0.7Nm3O2→0.7Nm3SO2

也即：每1kg的S燃燒需要0.7Nm3的O2并產(chǎn)生0.7Nm3的SO2。第二節(jié)燃燒所需的空氣量本節(jié)主要介紹三部分內(nèi)容：理論空氣量實際空氣量和空氣過量系數(shù)漏風(fēng)系數(shù)和空氣平衡一．理論空氣量概念：1kg（或1Nm3）燃料完全燃燒時所需的最低限度的空氣量（空氣中的氧無剩余）稱為理論空氣量，其代表符號為V0。求理論空氣量的一般過程：1kg收到基燃料中C、H、S的量（前已講述）C、H、S完全燃燒所需的O2量1kg燃料完全燃燒真正需由空氣提供的O2量1kg燃料燃燒所需的理論空氣量V0理論空氣量：※上式有三點說明：

1）V0是不含水蒸汽的干空氣；

2）V0只決定于燃料的成分，當(dāng)燃料一定時V0即為一常數(shù)；

3）碳和硫的完全燃燒反應(yīng)可寫成通式R+O2→RO2，其中 Rar=Car+0.375Sar?？紤]空氣中氧的容積成分為21%計算二．實際空氣量和過量空氣系數(shù)在鍋爐的實際運行中，為使燃料燃盡，實際供給的空氣量總是要大于理論空氣量，超過的部分稱為過量空氣量。實際空氣量Vk與理論空V0之比，即稱為過量空氣系數(shù)（

用于煙氣量計算，

用于空氣量計算）。顯然，1kg燃料完全燃燒時需要的實際空氣量Vk為：過量空氣量ΔVg等于：對于固態(tài)排渣煤粉爐：當(dāng)燃用無煙煤、貧煤和劣質(zhì)煙煤時約為1.20～

1.25，當(dāng)燃用煙煤和褐煤時約為1.15～1.20。三．漏風(fēng)系數(shù)和空氣平衡對于負(fù)壓運行的鍋爐，外界冷空氣會通過鍋爐的不嚴(yán)密處漏入爐膛以及其后的煙道中，致使煙氣中的過量空氣增加。相對于1kg燃料而言，漏入的空氣量ΔV與理論空氣量V0之比稱為漏風(fēng)系數(shù)，以Δ

表示，即：煙道內(nèi)的過量空氣系數(shù)：漏風(fēng)使煙道內(nèi)的過量空氣系數(shù)沿?zé)煔饬鞒淌侵饾u增大的。從爐膛出口開始，煙道內(nèi)任意截面處的過量空氣系數(shù)為：式中α—爐膛出口與計算煙道截面間，各段煙道漏風(fēng)系數(shù)的總和?？諝忸A(yù)熱器中的過量空氣系數(shù)：空氣預(yù)熱器中，空氣側(cè)壓力比煙氣側(cè)高，所以會有部分空氣漏入煙氣側(cè)，該級的漏風(fēng)系數(shù)△

ky要高些。在空氣預(yù)熱器中：式中：β′Ky

、β″Ky分別為空氣預(yù)熱器進(jìn)口和出口的過量空氣系數(shù)?？紤]到爐膛及制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)，β″Ky與α″1之間關(guān)系為：式中α′1

——爐膛漏風(fēng)系數(shù)

α″1——制粉系統(tǒng)漏風(fēng)系統(tǒng)第三節(jié)

燃燒產(chǎn)生的煙氣量1、理論煙氣的組成成分理論煙氣的組成成分為：其相應(yīng)的體積分別記為：CO2、SO2、N2、H2O各組成成分體積均可根據(jù)燃燒反應(yīng)求出一、理論煙氣量2．理論煙氣量的計算理論煙氣量：理論干煙氣量（1）二氧化碳和二氧化硫的體積VCO2

、VSO2根據(jù)C、S的燃燒反應(yīng)可求出：（2）理論氮氣體積（V0N2

）由兩部分組成：燃料中的氮所占體積理論空氣量中的氮所占的體積（3）理論水蒸氣體積（V0H2O

）四部分組成：燃料中的氫完全燃燒生成的水蒸氣體積：燃料中的水汽化生成的水蒸氣體積：理論空氣量帶入的水蒸氣體積：采用蒸汽霧化等設(shè)備帶入的水蒸氣體積：理論水蒸汽量：理論煙氣量：二．完全燃燒時的實際煙氣量１、完全燃燒時實際煙氣量的組成成分形成實際煙氣量的基本物質(zhì)燃料干空氣量Vk隨Vk進(jìn)入爐膛的水分

CO2、SO2、N2、O2、H2O其相應(yīng)的體積分別記為：實際煙氣的組成成分為：從成分上看比理論煙氣量多了一項自由氧O2。從煙氣的總量上看，多了過量空氣，以及隨其帶入的水蒸氣。其中：過量空氣：0.21的氧0.79的氮水蒸汽2、

完全燃燒時實際煙氣量的計算完全燃燒時煙氣體積：完全燃燒時煙氣中的各成分均假設(shè)為理想氣體，三、不完全燃燒時的煙氣量煙氣的成分：CO2、SO2、N2、O2、H2、CO、CmHn其中H2、CmHn數(shù)量很少一般在工程計算可以忽略。因此燃料不完全燃燒時的煙氣量：其中：與完全燃燒時完全相同，需要重新計算的量。根據(jù)前面所講述的內(nèi)容總結(jié)出實際煙氣中各組成部分的體積表達(dá)式：問題？實際煙氣量：1．二氧化碳與一氧化碳的體積1kg燃料中含碳

燃燒生成CO2

燃燒生成CO這兩部分碳燃燒生成的CO和CO2的體積VCO、VCO2為:可見，如果不完全燃燒產(chǎn)物只有CO，那么不論燃燒是否完全，煙氣中碳的燃燒產(chǎn)物的總?cè)莘e是不變的。2．不完全燃燒時煙氣中氧的體積不完全燃燒時，煙氣中氧的體積等于過量空氣中氧的體積與不完全燃燒少消耗的氧的體積之和，即：求出推導(dǎo)上式的目的并不在于計算不完全燃燒時的干煙氣體積，而在于推導(dǎo)后面的不完全燃燒方程式。第四節(jié)

煙氣成分和煙氣分析1．干煙氣的容積成分不完全燃燒時其中H和CmHn數(shù)量很少，工程計算中可忽略不計一般認(rèn)為不完全燃燒時：即：其中：在鍋爐運行中，煙氣的成分及含量直接反映出爐內(nèi)的燃燒工況。因而，測定煙氣的成分和含量，對于判斷爐內(nèi)燃燒工況、進(jìn)行燃燒調(diào)整以改進(jìn)燃燒熱備都是非常必要的。如果測出了煙氣的成分和含量，不但可以了解燃燒的完全程度（即q3大?。⑷紵臈l件（即大?。┮部梢粤私鉄煹赖穆╋L(fēng)情況等。2．奧氏煙氣分析儀測量原理：化學(xué)吸收法，它是將一定容積的煙氣試樣順序和某些化學(xué)吸收劑相接觸，對煙氣的各組成氣體逐一進(jìn)行選擇性吸收，每次減少的容積即是被測成分在煙氣中所占的容積。吸收劑：第一個吸收瓶放氫氧化鉀（KOH）溶液，吸收RO2；第二個吸收瓶放焦性沒食子酸C6H3(OH)3的堿性溶液，吸收O2（同時也吸收RO2）；第三個吸收瓶放氯化亞銅氨溶液Cu(NH3)2Cl，吸收CO（同時也吸收O2）。由于后兩瓶的吸收劑有雙重吸收功能，故操作時必須按1、2、3瓶的次序依次進(jìn)行，不可顛倒。測量步驟：煙氣U形管過濾器除去灰和雜質(zhì)取出100ml煙氣吸收瓶1吸收瓶2吸收瓶3測量出RO2測量出O2測量出CO每次用量筒測得的數(shù)值就是干煙氣成分的容積百分?jǐn)?shù)。計算公式：或前面已經(jīng)求出三者的含量：第五節(jié) 燃燒方程式

不完全燃燒方程式根據(jù)前面所求出的各反應(yīng)方程可推倒出來其中：燃燒特性系數(shù)β系數(shù)β稱為燃料特性系數(shù)，它只取決于燃料中C、H、O、N、S，而與M和A無關(guān)。由β的計算式可知，β是一個無因次的比例系數(shù)，因此它與燃料分析成分的表示基準(zhǔn)也無關(guān)。完全燃燒方程式：CO=0？完全燃燒α=1(O2=0)？只決定于燃料的特性系數(shù)β，所以也只決定于燃料的元素組成，也是一個表征燃料特性的特征值。第六節(jié)運行中過量空氣系數(shù)的確定

過量空氣系數(shù)對鍋爐的燃燒和經(jīng)濟(jì)運行有很大影響，在鍋爐運行中，通過煙氣分析準(zhǔn)確迅速的測量過量空氣系數(shù)，是保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運行的基礎(chǔ)。據(jù)過量空氣系數(shù)的定義，有：不完全燃燒時的過量空氣系數(shù)：？CO=0完全燃燒時的過量空氣系數(shù)：根據(jù)前面所講推導(dǎo)求出根據(jù)β的數(shù)值相對較小可忽略不記過量空氣系數(shù)與煙氣中氧的容積成分O2基本上一一對應(yīng)，所以在運行中只要知道了煙氣中的含氧量O2，就可以知道運行中的過量空氣系數(shù)。目前，鍋爐采用磁性氧量計或氧化鋯氧量計來測量煙氣中的含氧量O2。第七節(jié)空氣和煙氣的焓要進(jìn)行鍋爐受熱面的傳熱計算，必須知道如何計算空氣和煙氣的焓。在這里空氣和煙氣的焓是指在定壓條件下，將1kg燃料所需的空氣量或所產(chǎn)生的煙氣量從0℃加熱到t℃（空氣）或

℃（煙氣）時所需的熱量，單位為kJ/kg。一、空氣焓理論空氣量的焓實際空氣量的焓(ct)k——1Nm3干空氣連同其攜帶的水蒸氣在溫度t℃時的焓（見表4-4）。二、煙氣焓1．理論煙氣的焓2．實際煙氣的焓式中(c

)h—1kg灰在

℃時的焓實際煙氣焓Iy等于理論煙氣焓Ik0

、過量空氣焓（α－1）Ik0和煙氣中飛灰焓Ifh之和，即：第八節(jié)鍋爐機(jī)組的熱平衡研究鍋爐機(jī)組的熱平衡目的就在于定量計算與分析各項能量的大小，找出引起熱量損失的原因，提出減少損失的措施，提高鍋爐效率，降低發(fā)電成本。一．熱平衡方程輸入輸出鍋爐的能量見圖3－2，根據(jù)能量平衡原理，可以很容易的寫出鍋爐的熱平衡方程。在討論各種能量時，均以1kg燃料為基礎(chǔ)，所以其單位都為kJ／kg。Qr—輸入鍋爐熱量Q1—有效利用熱各項熱損失Q2—排煙熱損失Q3—氣體未完全燃燒熱損失Q4—固體未完全燃燒熱損失Q5—散熱損失Q6—灰渣物理熱損失鍋爐鍋爐能量示意圖：鍋爐機(jī)組的熱平衡方程：Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6kJ/kgq1+q2+q3+q4+q5+q6=100兩邊同除Qr鍋爐效率二、鍋爐輸入熱量Qr鍋爐輸入熱量Qr四部分組成Qar,net—燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；ir——燃料物理顯熱，kJ/kg；Qwr—外來熱源加熱空氣時帶入的熱量，kJ/kg；Qzq—霧化燃油所用蒸汽帶入的熱量，kJ/kg。對于煤粉爐，ir數(shù)值相對較小，可以忽略。2．

外來熱源加熱空氣時帶入的熱量Qwr其中：

β′——空氣預(yù)熱器入口處的過量空氣系數(shù)；

Ik0——按加熱后空氣溫度計算的理論空氣的 焓，kJ/kg；

Ilk0——基準(zhǔn)溫度下的理論空氣焓，kJ/kg。3．

霧化燃油所用蒸汽帶入的熱量Qzq式中

Gzq——霧化1kg燃油所用的蒸汽量，kg/kg；

izq——霧化蒸汽在入口參數(shù)下的焓，kJ/kg；

izq.o——基準(zhǔn)溫度下飽和汽的焓，kJ/kg?？山?取為2510kJ/kg。對于燃煤鍋爐，如果燃料和空氣都沒有利用外界熱量進(jìn)行預(yù)熱，輸入熱量Qr=Qar,net。三.固體不完全燃燒熱損失Q4損失因素：概念：固體不完全燃燒熱損失是灰中未燃燒或未燃盡的碳造成的熱損失和使用中速磨煤機(jī)時排出石子煤的熱量損失，也稱為機(jī)械未完全燃燒損失。燃料性質(zhì)燃燒方式、爐膛型式和結(jié)構(gòu)、燃燒器設(shè)計和布置爐膛溫度、鍋爐負(fù)荷運行有水平、燃料在爐內(nèi)的停留時間和空氣的混合情況固體未完全燃燒熱損失是燃煤鍋爐的主要熱損失之一，一般僅次于排煙熱損失。燃料性質(zhì)煤中灰分和水分越少、揮發(fā)分含量越多、煤粉越細(xì)，則q4越??；燃燒方式、爐膛型式和結(jié)構(gòu)、燃燒器設(shè)計和布置在燃料性質(zhì)相同的條件，爐膛結(jié)構(gòu)合理（有適當(dāng)?shù)母叨群腿莘e），噴燃器的結(jié)構(gòu)性能好，布置位置適當(dāng)，使氣粉有較好的混合條件和較長的爐內(nèi)停留時間，則q4較??；爐膛溫度、鍋爐負(fù)荷爐內(nèi)過量空氣系數(shù)適當(dāng)，爐膛溫度較高時，q4也較小。鍋爐負(fù)荷過高將使煤粉來不及在爐內(nèi)燒透，負(fù)荷過低則爐溫降低，都將使q4增大。四．排煙熱損失Q2概念：排煙熱損失是由于排煙所擁有的熱量隨煙氣排入大氣而未被利用造成的。排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項，大中型鍋爐正常運行時的q2約為（4~8）%組成干煙氣帶走的熱量煙氣所含水蒸氣的顯熱影響鍋爐排煙溫度和排煙容積的因素：燃料的性質(zhì)受熱面的積灰、結(jié)渣或結(jié)垢爐膛出口的過量空氣系數(shù)以及煙道各處的漏風(fēng)當(dāng)煤中的水分和硫分較高時，為了避免或減輕尾部受熱面的低溫腐蝕，必須采用較高的排煙溫度。水分增大，使排煙容積增大受熱面發(fā)生積灰、結(jié)渣或結(jié)垢時，煙氣與受熱面的換熱量減少，排煙溫度就會升高。爐膛出口的過量空氣系數(shù)以及煙道各處的漏風(fēng)增加將增大排煙的容積。五．可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失Q3概念：可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失亦稱化學(xué)未完全燃燒熱損失.。是鍋爐排煙中殘留的可燃?xì)猓–O、H2、CH4等）未燃燒放熱而造成的熱損失，等于煙氣中各種可燃?xì)怏w