第2章燃料及燃料燃烧计算精.ppt

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1、第1页，本讲稿共47页一、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,or Sulfur）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第2页，本讲稿共47页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

2、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。第3页，本讲稿共47页元素分析ultimate analysis第4页，本讲稿共47页工业分析proxim

3、ate analysis工业分析成分:水分（Moisture）挥发分（Volatile）固定碳（Fixed Carbon）灰分（Ash）分析标准：GB/T 212-2008煤的工业分析方法第5页，本讲稿共47页1 水分的测定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（10.1）g置于预先通入干燥氮气并已加热到105110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

4、出水分的百分含量。第6页，本讲稿共47页2 灰分的测定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（81510），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。第7页，本讲稿共47页3 挥发分的测定挥发分的测定称取（10.1）g空气干燥煤样，放入带盖的瓷坩锅中，在（90010）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

5、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1700071000kJ/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。第8页，本讲稿共47页4 固定碳含量的计算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)第9页，本讲稿共47页煤的工业分

6、析成分对锅炉工作的影响 u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：1700071000kJ/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

7、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。第10页，本讲稿共47页u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）或热风温度升高第11页，本讲稿共47页u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

8、、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第12页，本讲稿共47页二、煤的成分分析基准 收到基：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”(as received)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%第13页，本讲稿共47页空气干燥基：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”(air dry basis)来表示。(原分析基，如Cf)Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aa

9、d+Mad=100%干燥基：干燥基：以假想无水状态的煤为基准，用下标“d”(dry basis)表示。(原干燥基，如Cg)Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%干燥无灰基：干燥无灰基：以假想无水、无灰状态的煤为基准，用下标“daf”(dry ash free)表示。(原可燃基，如Cr)Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100基准转换，表21（p16）第14页，本讲稿共47页三、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

10、后(2510kJ/kg)的热量。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/T 213-2008 煤的发热量测定方法,试验）第15页，本讲稿共47页对于折算灰分AZS4.0、折算水分MZS8.0、折算硫分SZS0.2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,p29310kJ/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

11、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第16页，本讲稿共47页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。第17页，本讲稿共47页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

12、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 第18页，本讲稿共47页变形温度DT（deformation temperature），锥顶变圆或开始倾斜；软化温度ST（softening temperature），锥顶弯至底或萎缩成球形；半球温度HT(half ball temperature)，锥体变化为半球形（用的不多）；熔化温度FT（fusing temperature），是指锥体呈流体状态能沿平面流动(也有称为流动温度，fluid temperature,不确切)。DT、ST、FT这三个温度表示燃料中

13、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10001600，当ST1400时，称为具有难熔灰分的煤，当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50100。第19页，本讲稿共47页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（86易磨;HGI12，A4050，因而发热量低，Qar,net,p1100012500kJ/kg。这种煤的着火及燃烧均不容易。另

14、外还要考虑受热面积灰和磨损等问题。4褐煤褐煤碳化程度较低，呈褐黑色，尚有清楚木纹，易风化成粉末。褐煤挥发物含量高，有的甚至达60，开始析出挥发分的温度低，易于着火和燃烧；褐煤含碳量不多，但含氧量很高；灰分变化范围很大，A640；水分含量大M2040。褐煤发热量不高Qar,net,p1150021000kJ/kg；焦炭不结焦。此外，在动力燃料中还有泥煤、油页岩和煤矸石等，均属热值很低的低质燃料。第28页，本讲稿共47页工业锅炉行业煤的分类类 别干燥无灰基挥发分Vdaf(%)收到基低位发热量Q net,ar（kJ/kg）石煤和煤矸石I类II类III类544054408370837011300褐煤4

15、0837014650无烟煤I类II类III类5102093020930贫 煤102018840烟煤I类II类III类2020201130015490154901968019680第29页，本讲稿共47页第二节 燃料燃烧计算一、空气需要量1理论空气量理论空气量是指1kg收到基燃料实现完全燃烧理论上必须的干空气量，用符号v0来表示。理论空气量的计算由燃料中各可燃成分（C、H、S）在燃烧时所需空气相加而成，完全燃烧反应如下：C+O2=CO22H2+O2=2H2OS+O2=SO2第30页，本讲稿共47页空气和烟气均认为是理想气体，千摩尔体积22.4m3/kmol，空气中氧体积含量21，空气密度1.29

16、3，烟气密度1.34kg/m3C +OC +O2 2 =CO =CO2 21mol+1mol 1mol1mol+1mol 1mol12g+22.4l 22.4l 12g+22.4l 22.4l 例：例：第31页，本讲稿共47页2过量空气系数在锅炉的实际燃烧过程中，空气与燃料不可能充分理想混合，燃料中可燃元素不可能都有机会与氧分子进行反应。故实际供给的空气量应比理论空气量多一些，以使燃烧反应能在有多余氧的情况下充分进行。实 际 供 给 的 空 气 量Vk（Nm3/kg）与 理 论 空 气 量（Nm3/kg）的比值称为过量空气系数，即：第32页，本讲稿共47页在负压下工作的锅炉机组，外界冷空气会通

17、过锅炉的不严密处漏入炉膛以及其后的烟道中，致使烟气中过量空气增加，相对于1kg燃料而言，漏入空气量与理论空气量之比称为漏风系数，以表示 由于存在漏风，锅炉烟道内的过量空气系数沿烟气流程是逐渐增大的。炉膛后任一烟道截面处的过量空气系数 第33页，本讲稿共47页二、燃烧产物容积1理论烟气容积理论烟气容积是指相应于1kg煤，在供应空气量为理论空气量（1）时，完全燃烧后产物的容积。理论烟气容积的成分包括：煤中碳、硫与氧反应生成的CO2和SO2（合称RO2）；煤中氢与氧反应生成的H2O；煤中水分和空气中水蒸汽转移到烟气中形成的H2O；煤和空气中带入的N2。第34页，本讲稿共47页2实际烟气容积实际烟气容

18、积是指相应于1kg煤，在供应空气量超过理论空气量（1）时，燃烧产物的容积。在这种情况下，烟气中的成分除了RO2、H2O和N2外，还有空气中未参加反应的过剩O2，实际烟气容积可以看作由两部分组成，一部分是相应于理论空气量产生的理论烟气容积，另一部分是过剩空气直接转移到烟气中，这部分容积为：实际烟气容积：上面结果可适用于不完全燃烧第35页，本讲稿共47页烟气构成：第36页，本讲稿共47页3.燃烧计算涉及的其它参数fh飞灰份额，飞灰占总灰分的质量份额。固态排渣煤粉炉取0.95；链条炉取0.2；循环床锅炉取0.20.5。第37页，本讲稿共47页第三节 烟气分析及应用运行中的锅炉，燃料燃烧生成的烟气，其

19、组成和容积是随运行工况的变化而变化的。测定与计算运行锅炉中烟气的成分、烟气容积和过量空气系数，是为了了解炉内的燃烧情况，从而进行燃烧调整及改进燃烧设备。第38页，本讲稿共47页 以以RORO2 2、O O2 2、N N2 2、COCO分别表示干烟气中二氧化碳和二氧化硫、氧、氮分别表示干烟气中二氧化碳和二氧化硫、氧、氮及一氧化碳所占的容积百分数及一氧化碳所占的容积百分数 第39页，本讲稿共47页不完全燃烧方程当烟气中的不完全燃烧产物只有CO时，烟气中各成分的容积百分数与燃料的元素组成成分必定满足的关系式燃料特性系数的物理意义：燃料中自由H和C的比值。燃料中自由氢越多，就越大。可简化为：燃料特性系

20、数第40页，本讲稿共47页完全燃烧方程完全燃烧时，CO=0在燃料值一定时，无论过量空气量如何，干烟气成分测量值应满足上式。如不能满足，则说明烟气分析不准确，或有碳未燃尽，或有CO存在。第41页，本讲稿共47页运行过量空气系数计算 不完全燃烧时 完全燃烧时 第42页，本讲稿共47页第四节 空气和烟气焓的计算不论是空气还是烟气，其焓值均以1 kg计算燃料为准，且都从0算起，即0时各焓值为0。灰焓：理论空气焓值（=1）理论烟气焓值（=1）烟气焓值实际空气焓值（1）第43页，本讲稿共47页例题1燃料燃烧计算.xls例题2焓温表计算.xls第44页，本讲稿共47页锅炉原始数据锅炉原始数据过热蒸汽流量 D

21、gr 2209 t/h过热蒸汽压力 pgr 17.42 Mpa过热蒸汽温度 tgr 541 再热蒸汽流量 Dzr 1858 t/h再热蒸汽压力（进口/出口）pzr1/pzr2 4.03/3.85 Mpa再热蒸汽温度（进口/出口）Tzr1/Tzr2 333/541 给水压力 pgs 18.92 Mpa给水温度 tgs 283 燃烧方式 四角布置、切向燃烧当地大气压：100.7 kpa空气中含水率 10 克/千克干空气制粉系统型式 中速磨煤机正压冷一次风机直吹式再热蒸汽调温方式：摆动式燃烧器习题习题第45页，本讲稿共47页煤质资料煤质资料(设计煤种）：设计煤种）：碳 Car=56.59%氢 Har

22、=2.69%氧 Oar=2.93%氮 Nar=0.94%硫 Sar=0.75%灰分 Aar=29.60%水分 Mar=6.50%挥发分 Vdaf=26.76%低位发热量 Qar,net,p=21280 kJ/kgDT=1210 ST=1430 FT=1480 进行以下计算：进行以下计算：1.燃料燃烧计算燃料燃烧计算2.烟气焓温表计算烟气焓温表计算3.热平衡计算热平衡计算4.炉膛及各受热面传热计算炉膛及各受热面传热计算第46页，本讲稿共47页表1 锅炉各受热面出口的过量空气系数受热面名称炉膛分隔屏过热器后屏过热器末级再热器末级过热器转向室低温再热器省煤器空气预热器过量空气系数（出口）1.21.21.21.21.221.221.241.261.34表2 锅炉各受热面出口的介质压力受热面名称省煤器汽包包复过热器分隔屏过热器后屏过热器末级过热器低温再热器末级再热器介质压力（出口），Mpa18.7018.6718.3418.0517.7017.423.953.85参考数据参考数据第47页，本讲稿共47页