锅炉原理第三章热平衡

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+O2→CO212.1kgC+22.41m3O2→22.41m3CO2●完全燃烧（反应方程式）：1kgC+1.866m3O2→1.866m3CO21kg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/100m32C+O2→2CO即：1kgC+0.5×1.866m3O2→1.866m3CO也即：每1kg的C不完全燃烧需要0.5×1.866m3的O2并产生1.866m3的CO。●不完全燃烧：（反应方程式）2H2+O2→2H2O即：1kgH2+5.56m3O2→11.1m3H2O也即：每1kg的H燃烧需要5.56m3的O2并产生11.1m3的H2O。2.氢的燃烧:（反应方程式）3、硫的燃烧：（反应方程式）S+O2→SO2即：1kgS+0.7m3O2→0.7m3SO2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3arararCHS1.866+5.56+0.7m1001001001kg燃料完全燃烧真正需要空气提供的O2量3ararararCHSO1.866+5.56+0.7-0.7,m1001001001001kg燃料燃烧所需的理论空气量V00arararararararar3arararCHSO1=1.866+5.56+0.7-0.70.21100100100100=0.0889C+0.375S+0.265H-0.0333OO=0.0889R+0.265H-,m/kg100V●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+O2→RO2，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k0=(或)VαβV称为过量空气系数（用于烟气量计算，用于空气量计算）。炉内过量空气系数α，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。''1''1''1显然，1kg燃料完全燃烧时需要的实际空气量Vk为：03k=,m/kgVαV过量空气量ΔVg等于：003gk==(1),m/kgΔVVVVα－－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1.15～1.20。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ΔV与理论空气量V0之比称为漏风系数，以Δ表示，即：0VV●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过量空气系数为：ι=+ΣααΔα式中∑△α—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：kykyky式中：β′ky、β″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，β″ky与α″1之间关系为：ky11zf式中Δαl——炉膛漏风系数Δαzf——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Ⅰ、Ⅱ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Ⅰ级空气预热器入口处的过量空气系数。zfl、、、ⅡⅠkyky''1αky'Ⅰ＝？kykykykyky'''llzfⅠⅡⅠⅡⅠⅡ解：ky第三节燃烧产生的烟气量一、理论烟气容积标准状态下，lkg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α=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222２00COSONＨＯ、、、VVVＶ1、理论烟气的组成成分2COV—标准状态下2CO的体积，m3/kg；2SOV—标准状态下2SO的体积，m3／kg；20NV—标准状态下理论2N体积，m3／kg；20HOV—标准状态下理论水蒸气体积，m3／kg。2．理论烟气量的计算理论烟气量：22NHO220003yCOSOm/kgV=V+V+V+V,222ROCOSOVVV2NHO220003yRO,m/kgVVVV02N2R0gyVVVOHO20003ygym/kgV=V+V,理论干烟气量（1）二氧化碳和二氧化硫的体积VCO2、VSO223arCOC=1.866,m/kg100V23arSOS=0.7,m/kg100V222ararROCOSO3ar1.8660.71001001.866,m/kg100CSVVVR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200arN03arN22.4=+0.7928100N=0.8+0.79,m/kg100VVV（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：arH11.1100ararMM22.41.24181001001）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。量，雾化燃油时消耗的蒸汽其中的水蒸汽体积：）、蒸汽雾化燃油带入KgKgGGGwhwhwh/24.11822.44022.4××181000kdρV3）随同理论空气量V0带入的水蒸气，其体积为dk为1kg干空气带入的水蒸气的量，ρ为干空气的密度1.293kg/m3022.4××1.61181000kkdρVd●理论水蒸汽量：●理论烟气量：KgNmWVMHVwhararOH/,24.10161.010024.11001.113002KgNmWVMHVNSCVwhararararary/,24.10161.010024.11001.1179.01008.01007.0100866.13000CO2、SO2、N2、O2、H2O2222COSONOVVVV２ＨＯ、、、、Ｖ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。其中：过量空气：0)1(V0.21的氧0)1(V0.79的氮0)1(V水蒸汽01-0161.0V）（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：222223,m/kgNOHOyCOSOVVVVVV222ROSOCOVVV22223,m/kgNOHOyROVVVVV2O2N2RgyVVVVO23,m/kgHOygyVVV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：2O2N2RgyVVVVO003gygy(1),m/kgVVV0003y11.611,m/kgyVVVdV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：22NOHO2223COCOSOm/kgyV=V+V+V+V+V+V,其中：与完全燃烧时完全相同，需要重新计算的量。222SONHOVVV、、2O2COCOVVV、、2、二氧化碳与一氧化碳的体积1kg燃料中含碳kg100Carkg100C2COar,燃烧生成CO2kg100CCOar,燃烧生成CO这两部分碳燃烧生成的CO和CO2的体积VCO、VCO2为:22ar,CO3COar,CO3COC=1.866,m/kg100C=1.866,m/kg100VV23arCOCOC+=1.866,m/kg100VV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：22ar,co0OC=0.21(α-1)+0.51.866100VV2ar,cocoC=1.866100V203OCO=0.21(α-1)+0.5,m/kgVVV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、：gyROROVVr22，prpRORO22prpVVrOHOHgyOHOH2222，，飞灰浓度ym100fharaAαfh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,μ-飞灰浓度。0k01(1)1.29310011.306100aryarAmdVAV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22222mnCOSONOCOHCH、、、、、、2222COSONOCO、、、、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：2222CO+SO+N+O+CO=100即：2CO2gyCO=100VV2SO2gySO=100VV2O2gyO=100VV2N2gyN=100VVCOgyCO=100VV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