第2章燃料及燃料燃烧计算

能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南第二章燃料及燃料燃烧计算•我国的燃料政策：电站锅炉以燃煤为主，并且尽量燃用劣质煤。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•一、煤的成分•煤的组成成分(元素分析成分)：•碳（Carbon）•氢（Hydrogen）•氧（Oxygen）•氮（Nitrogen）•硫（Sulphur,orSulfur）•灰分（Ash）•水分（Moisture）•分析标准：GB/T476-2001煤的元素分析方法第一节锅炉燃料的成分和主要特性能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南碳是燃料中的主要可燃元素，一般占燃料成分的20%~70%。1kg纯碳完全燃烧生成CO2，放热32866kJ，1kg纯碳不完全燃烧时生成CO，仅放热9270kJ。煤中氢的含量为2%~6%，氢的发热量很高，1kg氢的低位发热量为120370kJ。氧和氮是不可燃成分。氮在高温下形成氮氧化物（NOx），造成大气污染。煤中硫含量一般在1%~5%。1kg硫燃烧后生成9050kJ热量。硫燃烧生成SO2对人体有害，大气中SO2会氧化成SO3并最终形成酸雨，酸雨对工业、农业都有十分不利的影响。硫含量增多，会造成锅炉高、低温受热面烟气侧的腐蚀和堵灰。灰分不仅降低发热量，影响着火及燃烧的稳定性，而且容易形成结渣、沾污、磨损、堵灰，影响锅炉运行的经济性和安全性。水分增加，影响燃料的着火和燃烧速度，增大烟气量，增加排烟热损失，加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰。水分增加也会增加煤粉制备的难度。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南元素分析ultimateanalysis能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南工业分析proximateanalysis•工业分析成分:•水分（Moisture）•挥发分（Volatile）•固定碳（FixedCarbon）•灰分（Ash）•分析标准：GB/T212-2008煤的工业分析方法能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•1水分的测定•煤中水分分为外部水分和内部水分。外部水分是指可以依靠在空气中自然干燥而去除的水分，内部水分是指煤在含有水蒸汽的空气中达到平衡状态时的水分，外部水分和内部水分的总和称为全水分。•测定内部水分时，称取粒度为0.2mm以下的空气干燥煤样（1±0.1）g置于预先通入干燥氮气并已加热到105~110℃干燥箱中，烟煤干燥1.5h，褐煤、无烟煤、烟煤干燥2h，然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•2灰分的测定•称取一定质量的空气干燥煤样，放入马弗炉内，然后以一定速度加热到（815±10）℃，灼烧到恒重，并冷却至室温后称重，以残留物质占煤样原质量的百分数作为灰分。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•3挥发分的测定•称取（1±0.1）g空气干燥煤样，放入带盖的瓷坩锅中，在（900±10）℃的温度下，隔绝空气加热7min，以所失去的质量占煤样原质量的百分数减去该煤样的水分（Mad）即为挥发分。•挥发分实际上是煤中有机物分解而析出的气体产物。挥发分的含量与碳化程度有关，碳化程度很深的无烟煤，挥发分只有2%~10%，而地质年代较浅的褐煤，挥发分可达37%~60%。挥发分的主要成分是各种碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气体，还有少量的O2、CO2、N2等不可燃气体，其热值在17000~71000kJ/kg之间。•挥发分是煤中最有利的可燃成分，对锅炉的工作有很大影响。挥发分着火温度较低，煤颗粒在挥发分析出后成为疏松多孔的焦炭球，易于燃尽，燃烧损失较少。反之，挥发分较少的煤着火困难，也不容易燃烧完全。•故挥发分含量成为煤分类的重要指标。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•4固定碳含量的计算•挥发分析出后，剩下的是焦炭，焦炭就是固定碳和灰分。•固定碳可以按下式计算：FCad=100-(Mad+Aad+Vad)能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南煤的工业分析成分对锅炉工作的影响挥发分•挥发分的成分：各种碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气体。•含量：挥发分实际上是煤中有机物分解而析出的气体产物。挥发分的含量与碳化程度（地质年代）有关，碳化程度很深（地质年代长）的无烟煤，挥发分只有2%~10%，挥发分析出的温度也高。而碳化程度很低（地质年代较短）的褐煤，挥发分可达37%~60%，挥发分析出的温度较低（小于200℃）。•热值：17000~71000kJ/kg之间。地质年代越久含氧越少，挥发分发热量越高，如：无烟煤的挥发分发热量高，而褐煤的挥发分发热量低。•对锅炉的影响：挥发分是煤中最有利的可燃成分，对锅炉的工作有很大影响。挥发分着火温度较低，煤颗粒在挥发分析出后成为疏松多孔的焦炭球，易于燃烬，燃烧损失较少。反之，挥发分较少的煤着火困难，也不容易燃烧完全。故挥发分含量成为煤分类的重要指标。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南水分的影响•低位发热量降低：有效热量减少，着火热增大•炉内温度下降：机械、化学未完全燃烧热损失增加•烟气量增加：排烟热损失，引风机电耗•烟气露点升高：低温受热面积灰、腐蚀•过热汽温升高：水分增加1％→汽温升高约1.5℃•输煤系统：堵煤•制粉系统：热空气量增加（进一步增加着火热）或热风温度升高能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南灰分的影响•发热量下降；•排渣物理显热增加；•理论燃烧温度下降，燃烧速度降低，燃烧稳定性变差，q4增加；•产生灰壳：q4增加；•磨损、积灰、排烟温度升高、q2增加；•造成炉内结渣、高温腐蚀；•制粉系统能耗增加；•造成环境污染；•过热蒸汽温度升高：灰分增加10%→汽温升高5℃能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南二、煤的成分分析基准收到基：以收到状态的煤为基准，包括全部水分和灰分在内的燃煤成分总量，用下标“ar”(asreceived)来表示。（原应用基，如Cy）Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%C+H+O+N+S+A+M=100%能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南空气干燥基：以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，用下标“ad”(airdrybasis)来表示。(原分析基，如Cf)Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%干燥基：以假想无水状态的煤为基准，用下标“d”(drybasis)表示。(原干燥基，如Cg)Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%干燥无灰基：以假想无水、无灰状态的煤为基准，用下标“daf”(dryashfree)表示。(原可燃基，如Cr)Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100％基准转换，表2－1（p16）能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南三、煤的主要特性•1、煤的发热量•高位发热量：Qar,gr是指1kg煤完全燃烧后能够产生的热量，它包括燃烧产物(烟气)中水分的汽化潜热。•低位发热量：Qar,net,p指从高位发热量中扣除了水蒸气的汽化潜热后(2510kJ/kg)的热量。9,,p,,100100()25.1(9)ararHMarnetargrargrararQQrQHM煤发热量的大小取决于煤中可燃质的多少，目前主要依靠氧弹式热量计来测量（GB/T213-2008煤的发热量测定方法,试验）能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南对于折算灰分AZS＞4.0％、折算水分MZS＞8.0％、折算硫分SZS＞0.2％的煤分别称为高灰分煤、高水分煤、高硫分煤。标准煤：不同煤的发热量差别很大，为便于比较与煤发热量有关的经济指标，规定以Qar,net,p＝29310kJ/kg(7000kcal/kg)的煤作为标准煤。若实际煤耗量为B，煤的发热量为Qar,net,p，则折算成标准煤的消耗量Bb为ar,,p29310netbQBB折算成分：随同煤一起进入锅炉的各种杂质的数量对锅炉工作造成的危害程度折合成相同的一定发热量下的含量，更具有可比性。为此引入折算成分的概念。煤的折算成分含量是指对应于4l90kJ/kg(1000kcal/kg)收到基低位发热量的收到基成分含量ar,zsar,zsar,zs,(,)(,)4190,%arararnetarAMSAMSQ能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南2、灰的熔融特性•当燃料在炉内燃烧时，在高温的火焰中心，灰分呈熔化或软化状态，具有粘性。这种具有粘性的灰粒如果接触到受热面管子或炉墙，就会粘结于其上，即所谓结渣。轻者影响受热面传热，重者迫使锅炉停炉打渣。因此燃料灰分熔融性对锅炉设计和正常运行有很大的影响。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•GB/T219-2004《煤灰熔融性的测定方法》把灰样制成三角锥体，锥高为20mm，底边长为7mm的等边三角形，锥体的一棱面垂直于底面。然后将灰锥托板送入放在硅碳管高温炉中加热，以规定的温度升温，炉内保持弱还原性气氛。随时观察灰锥的形态变化，记录灰锥的三个熔融特征温度能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南•变形温度DT（deformationtemperature），锥顶变圆或开始倾斜；•软化温度ST（softeningtemperature），锥顶弯至底或萎缩成球形；•半球温度HT(halfballtemperature)，锥体变化为半球形（用的不多）；•熔化温度FT（fusingtemperature），是指锥体呈流体状态能沿平面流动(也有称为流动温度，fluidtemperature,不确切)。•DT、ST、FT这三个温度表示燃料中灰分的熔化特性，均可称为灰熔点。对大部分煤来说，其灰分的这三个温度约为1000~1600℃，当ST1400℃时，称为具有难熔灰分的煤，当ST1200℃称为具有易熔灰分的煤。•对固态排渣煤粉炉，当灰的软化温度ST1350℃时，造成炉内结渣的可能性不大。为了避免炉膛出口处结渣，炉膛出口烟温应至少比DT低50~100℃。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南影响灰熔点的因素•灰的成分：酸性氧化物、碱性氧化物－纯氧化物灰熔点很高，且恒定。•多种复合化合物的混合物或者共晶体：熔点低且不恒定。•酸性氧化物提高灰熔点，碱性氧化物降低灰熔点•灰中含铁量增加，灰的熔化温度下降含铁量少时（5%)，气氛对灰熔点没有明显影响含铁量大时，氧化性气氛－灰熔点降低慢还原性气氛－灰熔点降低快•总体上，由于灰成分复杂，成灰机理和结构多变，目前灰熔点还难以准确计算和估计。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering山东大学中国济南3、煤的可磨性指数•可磨性指数：煤被磨碎成煤粉的难易程度•全苏联热工研究所（вти）：将