第3燃料燃烧计算和锅炉机组热平衡

13燃料燃烧计算及热平衡§3—1燃烧所需空气量一、理论空气量二、实际空气量三、过量空气系数§3—2燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量二、完全燃烧方程和不完全燃烧方程三、烟气分析及运行过量空气系数的确定§3—3燃烧温度和烟气焓一、燃烧温度及其涵义二、烟气焓值的确定§3—4锅炉的热平衡一、锅炉热效率二、各项热损失三、燃料消耗量2第一节燃烧过程的化学反应燃烧是化学反应。可燃质碳生成二氧化碳，氢生成水蒸气，硫生成二氧化硫，同时放出相应的反应热。即33286022COOCkJ／kg12037022222OHOHkJ／kg905022SOOSkJ／kg燃料完全燃烧时：如果碳不完全燃烧而生成一氧化碳，反应热相应减少，即9270222COOCkJ／kg第一节燃烧过程的化学反应4在进行燃烧计算时，把空气和烟气均看作为理想气体，即每kmol气体在标准状况(0t℃,p=0.1013MPa)下其体积为22.4m3，燃料以1kg燃料油或标准状况下1m3干气体燃料为单位。第一节燃烧过程的化学反应5一、理论空气量1.固体及液体燃料1kg燃料完全燃烧并且燃烧产物(烟气)中无自由氧存在时，所需要的空气量(指干空气)称为理论空气需要量，简称理论空气量，并以标准状态下V0(m3／kg)或LO(kg／kg)来表示。V0(或LO)可根据燃料中C、S、H等可燃元素所需要的氧气量计算得到。第二节燃烧过程的化学反应6碳的分子量为12，每kg碳完全燃烧所需要的氧气量为22.4／12m3(标准状态下)。已知每kg燃料中碳的含量为kgCar100/，因而所需氧气量为100866.1100124.22ararCCm3一、理论空气量1.固体及液体燃料第二节燃烧过程的化学反应7同样可得出氢完全燃烧所需要的氧气量10055.5100008.144.22ararHHm3硫完全燃烧时所需要的氧气量为1007.0100324.22ararSSm3每kg燃料中本身所包含的氧量为1007.0100324.22ararQQm38每kg燃料完全燃烧时，所需要的氧气量为：1007.01007.010055.5100866.1ararararQSHCm3锅炉燃烧所需要的氧气来源于空气。由于空气中氧气的体积百分数为21％，所以，lkg燃料油完全燃烧所需要的理论空气量为一、理论空气量1.固体及液体燃料第二节燃烧过程的化学反应91007.01007.010055.5100866.121.010ararararQSHCVararararOHSC0333.0265.0375.00889.0arararOHK0333.0265.00889.0m3式中arK——每kg燃料中的“当量含碳量”，arararSCK375.0。一、理论空气量1.固体及液体燃料第二节燃烧过程的化学反应10由于标准状态下空气的密度=1.293kg／m3，故用质量表示的理论空气量为arararOHKVL043.0342.0115.0293.100用上式计算燃烧所需要的空气量时，必须知道燃料的元素分析数据。当缺乏燃料的元素分析数据时，可由经验式近似地求出标准状态下的0V值第二节燃烧过程的化学反应一、理论空气量1.固体及液体燃料112.气体燃料标准状态下1m3气体燃料按燃烧反应计量方程完全燃烧所需要的空气量（指干空气）称为气体燃料的理论空气量(m3／m3)。第二节燃烧过程的化学反应一、理论空气量表3-1各种单一可燃气体的燃烧化学反应式12归纳出碳氢化合物的燃烧反应通式。即22242mnnnCHmOmCOHO已知碳氢化合物的分子式，就可由上式求得该碳氢化合物完全燃烧所需要的理论空气量。第二节燃烧过程的化学反应2.气体燃料标准状态下1m3气体燃料按燃烧反应计量方程完全燃烧所需要的空气量（指干空气）称为气体燃料的理论空气量(m3／m3)。13当气体燃料的组成已知时，便可计算出标准状态下气体燃料燃烧所需要的理论空气量0V。22205.145.05.021.01OSHHCnmCOHVnm式中0V——理论空气量(干空气/干燃气)，m3／m3；222,,,,OSHHCCOHnm——燃气中各种可燃组分的体积百分数，％；2O——燃气中氧的容积成分，％。2.气体燃料第二节燃烧过程的化学反应14气体燃料的热值越高，燃烧所需要的理论空气量也越多。当燃气的成分资料不全时，可采用近似式来估算理论空气量的大小。第二节燃烧过程的化学反应2.气体燃料15二、实际空气量、过量空气系数和漏风系数实际送入锅炉的空气量(m3/kg，液体燃料；m3／m3，气体燃料)称为实际空气量，其值一般都大于理论空气量。比理论空气量多出的这一部分空气称为过量空气。实际空气量为理论空气量与过量空气量之和。第二节燃烧过程的化学反应16二、过量空气系数和漏风系数实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用或β表示，即0VV通常所指的过量空气系数是炉膛出口处的值''l，它是一个影响锅炉燃烧工况及运行经济性的非常重要的指标。选择''l作为判断指标，是因为燃料的燃烧过程到炉膛出口处已基本结束。''l偏小时，炉内的不完全燃烧热损失便增大；''l气偏大时，锅炉的排烟热损失又增多。因此，存在一最佳的''l值，使得锅炉的上述热损失之和最小。或0VV第二节燃烧过程的化学反应17二、过量空气系数和漏风系数锅炉的最佳''l数值与燃烧室的结构、燃料种类和燃烧器的型式等有关。燃煤时，通常为1.2～1.3；燃油时，通常为1.05～1.10；燃气锅炉的最佳''l数值通常为1.03～1.10。第二节燃烧过程的化学反应18锅炉为负压燃烧，烟气量随着烟气流程而一路增大。应该指出，空气预热器区段烟道内的漏风，并非来自外界空气，而是来自空气预热器内的空气。各部件所处烟道内漏入的空气量V与理论空气量的比值，称为该烟道的漏风系数，以表示，即0VV三、漏风系数和空气平衡第二节燃烧过程的化学反应19Δα各受热面处烟气侧漏风系数，查表确定；△V为烟道漏风量。为炉膛出口处过剩空气系数，表征炉内燃烧状况的重要物理量，在推荐值范围内选取(39)0VV三、漏风系数和空气平衡第二节燃烧过程的化学反应202kyzf21kykyky为空气预热器出、进口处空气侧过剩空气系数分别为炉膛、制粉系统和空预器漏风系数。zfky、、21kyky、三、漏风系数和空气平衡第二节燃烧过程的化学反应21锅炉各烟道漏风系数的大小取决于负压的大小及烟道的结构型式，一般为0.01～0.1。若锅炉为微正压燃烧，则烟道的漏风系数为零。在保证燃料充分燃尽的前提下，应尽可能降低过量空气系数，即使趋近于1。三、漏风系数和空气平衡第二节燃烧过程的化学反应22第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量燃料燃烧后的产物就是烟气。燃料中的可燃物质被全部燃烧干净，即燃烧所生成的烟气中不再含有可燃物质时的燃烧称为完全燃烧。当只供给理论空气量时，燃料完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气的组成为CO2,SO2,N2和H2O。前三种组成合在一起称为干烟气。包括H2O在内的烟气称为湿烟气。23烟气中的CO2和SO2同属三原子气体，产生的化学反应式也有许多相似之处，并且在烟气分析时常常被同时测出，将它们合并表示，称为三原子气体，用RO2表示。当有过量空气时，烟气中除上述组分外，还含过量的空气，这时的烟气量称为实际烟气量。若燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现CO,CH4和H2等可燃成分。第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量24标准状态下，lkg固体或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燃料的理论烟气量：OHNSOCOyVVVVV22220式中0yV——标准状态下理论烟气量，m3／kg；2COV——标准状态下C02的体积，m3/kg；2SOV——标准状态下SO2的体积，m3／kg；02NV——标准状态下理论N2体积，m3／kg；02OHV——标准状态下理论水蒸气体积，m3／kg。固体和液体燃料第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量25由碳和硫的完全燃烧反应式可知，标准状态下，1kg的碳完全燃烧后产生866.1124.22m3的CO2。标准状态下，1kg硫完全燃烧后产生7.0324.22m3的SO2。所以标准状态下，1kg固体或液体燃料完全燃烧后产生CO2和SO2的体积分别为：第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量26ararCOCCV01866.0100866.12m3／kgararSOSSV007.01007.02m3／kg用2ROV表示三原气体的体积，则arararSOCOROKSCVVV01866.0375.001866.0222第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量（1）二氧化碳和二氧化硫的体积27理论氮气体积02NV包括两部分：1)理论空气量中的氮，其体积为0.790V；2)燃料本身包括的氮。由于1kg燃料含100arNkg的氮，而1kg氮分子的体积为284.22，因此，燃料本身含有氮的体积为ararNN008.0100284.22（m3/kg）。第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量（1）理论氮气体积28所以arNNVV008.079.0002于是，不含有水蒸气的理论干烟气的体积0gyV为ararNROgyNVKVVV008.079.001866.000022（m3/kg）第三节燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量3-1829理论水蒸气的体积来源三个方面：（1）燃料中氢的燃烧由氢的燃烧反应方程可知，标准状态，1kg氢完全燃烧后产生31.11016.224.222m的水蒸气。故1kg燃料中氢燃烧产生的水蒸气的体积为0.111arH(m3／kg)。（3）理论水蒸汽体积第三节燃烧产物及其计算30（2）随燃料带入的水分蒸发后形成的水蒸气。1kg燃料中因水分蒸发形成的水蒸气的体积为ararMM0124.0100184.22，(m3／kg)。第三节燃烧产物及其计算313)随理论空气量带入的水蒸气的体积。设1kg干空气中含有的水蒸气为dk(g／kg)，则标准状态下，lm3干空气中含有的水蒸气的质量为1.293dk(kg)。而标准状态下，水蒸气的密度为804.04.22/18kg／m3，亦即1m3干空气中含有的水蒸气的体积为kkdd61.1804.0293.1(m3)。一般情况下，可取d=10g／kg，则理论空气量0V带入的水蒸气的体积为00161.0V（m3／kg）。32所以，理论水蒸气体积02OHV为000161.00124.0111.02VMHVararOH（m3／kg）当燃用重油时，由于重油的粘度较大，常采用蒸汽进行雾化，雾化蒸汽也喷入炉内，因此，理论水蒸气容积还应考虑雾化用蒸汽。若已知相当于lkg燃料的蒸汽耗量为hG(kg／kg)，则这部分水蒸气的体积为hhGG24.1804.0(m3／kg)。3-19第三节燃烧产物及其计算33所以，对于蒸汽雾化燃油的锅炉，其理论水蒸气容积为：hararOHGVMHV2.10161.00124.0111.0002m3／kg理论烟气量为：000002222OHNROOHgyyVVVVVVm3／kg二、完全燃烧时实际烟气量实际燃烧是在过量空气(α1)条件下进行的，故实际烟气体积中除理论烟气量外，还有过量空气及随过量空气带入的水蒸气。4）雾化燃油的水蒸汽体积3-203-2134实际烟气体积：yVOHgyyVVV2式中yV——实际烟气体积，m3／kg；gyV——实际干烟气体积，m3／kg；它等于理论干烟气体积0gyV与过量空气(α-1)0V（干空气）之和；二、完全燃烧时实际烟气