第二章.燃料及燃烧计算课件.ppt

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1、2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,1,第二章. 燃料及燃烧计算,沙鹏,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,2,第一节、燃料的成分及其主要特性,燃料分为：固体燃料、液体燃料和气体燃料。固体燃料主要以煤为主，锅炉燃用的燃料亦称为动力燃料。煤是由多种有机物质和无机物质混合组成的复杂的固体碳氢燃料。由于埋入地下的深度和时间不同，就会形成不同的煤种。其主要分为：褐煤、烟煤和无烟煤三大类。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,3,一、煤的成分及分析基准：（一）煤的组成成分及其性质煤的元素分析的成分包括：碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分，各化学元素成分用质量百分数表示表示，即：

2、Car+ Har+ Oar+ Nar+ Sar+ Aar+ Mar =100 % 1碳是煤中含量最多的可燃元素，发热量较大。每kg纯碳的发热量为32.710KJ/kg。煤中的碳一部分与氢、氧、氮和硫结合成有机化合物，称为挥发性碳，其燃点较低。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,4,而其余呈单质状态的称为固定碳，其燃点较高，不容易着火和燃尽。 2.氢是煤中发热量最高的物质，但煤中氢的含量较少，一般约3-6%左右。完全燃烧时纯氢的发热量120103KJ/kg，氢的燃点低，容易着火。3煤中的氧是不可燃物质，虽可助燃，但其含量较少,可视为杂质。4煤中的氮是不可燃物质，其含量也较少。煤中的氮

3、在高温条件下易生成污染大气的NOx，被视为有害元素。5硫虽然在燃烧时也放出热量，但其燃烧产物SO2和SO3会造成锅炉金属的腐蚀并污染大气，也是有害元素。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,5,煤中的硫常以三种形式存在，即有机硫、硫化铁硫、硫酸盐硫，前两种可燃称为可燃硫，后一种归入灰分称为固定硫。6煤中的灰分为不可燃物质。灰分的存在不仅使单位燃料量的发热量减少，而且影响燃料的着火和燃尽，也是造成锅炉受热面积灰、结渣、磨损的主要因素。7水分会使炉内温度下降，影响燃料的着火，并增大排烟热损失，也会加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰。在自然干燥条件下失去的水分部分称为外部水分，而剩余部分称为内部水

4、分，两部分之和称为全水分也就是收到基水分。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,6,（二）、煤的工业分析 在实验室条件下的煤样，通过分析得出水分、挥发分、固定碳和灰分这四种成分的质量百分数称为工业分析。将自然干燥后的煤粉样取1g左右放入预先加热至1455的干燥箱中干燥1小时后，试样质量减轻的量占原质量的百分数即为空气干燥基水分。 将失去水分的煤样在隔绝空气条件下放入920电炉中加热7分钟后，放入干燥器内冷却至室温后称重可得出空气干燥基挥发分，即： (2-1),2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,7,式中： G原煤样质量，g； G1加热以后剩余质量，g； Mad空气干燥基水分

5、，%。挥发分是煤在加热过程中有机质分解而析出的气体物质。它主要是由各种 CmHn 、 H2 、CO 、H2S等可燃气体组成，还有少量的O2 、CO2 、N2等不可燃气体。 随着煤的碳化程度的不同，挥发分的析出温度不相同，挥发分的成分及含量也不同。由于挥发分对锅炉的工作影响较大，其含量的多少常做为煤的分类的重要依据。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,8,煤在失去水分和挥发分后剩余部分即为焦碳，它包括固定碳和灰分。将煤粉样放在高温炉中，按规定方法升温至81510，并加热1小时，冷却至室温后称重，剩余质量占原煤样质量的质量百分数即为空气干燥基灰分的含量。将原煤粉样中水分、灰分、挥发分扣

6、除后即为空气干燥基固定碳的质量百分数。（三）、煤的成分分析基准及其换算根据煤存在的条件和根据需要而规定的“成分组合”称为分析基准，常用下列四种基准来表示：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,9,1、收到基（原应用基）以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合称为收到基，其中包括全部水分，收到基以下角标ar(as receive)表示。Car +Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%（2-2）2、空气干燥基（原分析基）煤样在实验室规定的温度下自然干燥失去外部水分后，其余的成分组合便是空气干燥基，并以下角称ad(air dry)表示。Cad +Had +Oad +Na

7、d +Sad +Aad +Mad=100%（2-3）,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,10,3、干燥基以假想无水状态煤为基准，以下角称d(dry)表示。由于已不受水分的影响，灰分含量百分数相比较稳定，可用于比较两种煤的含灰量。Cd +Hd +Od +Nd +Sd +Ad=100% （2-4）4、干燥无灰基（原可燃基）以假想无水、无灰状态的煤为基准，以下角称daf(dry ash free)表示。由于不受水分、灰分影响，常用于比较两种煤中的碳、氢、氧、氮、硫成分含量的多少。Cdaf +Hdaf +Odaf +Ndaf +Sdaf=100% （2-5）元素分析成分和工业分析成分的关系

8、如图2-1所示。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,11,元素分析成分和工业分析成分的关系,收 到 基 空气干燥基 干 燥 基 干燥无灰基 C Mf Mad Sr N O H Sly A Chf Cgd 水 分 挥 发 分 固 定 碳 灰 分 焦 炭,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,12,基准换算,各基准间可进行换算，其换算系数K如表2-1所示，换算公式为：x=Kx0 （2-6）,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,13,表2-1中换算系数K不仅可以用于各基准间百分数的换算，也可以用于各基准的高位发热量和挥发分之间的换算。但是，不能用于水分间的换算。而水分之

9、间换算可用下式： （27）式中：Mf外部水分，%。二、煤的主要特性,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,14,（一）、煤的发热量：煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时放出的全部热量。1、高位发热量和低位发热量高位发热量：当发热量中包括煤燃烧后所产生的水蒸汽凝结放出的汽化潜热时，称为高位发热量，用Qgr表示。低位发热量：当发热量中不包括水蒸汽凝结放出的汽化潜热时，称为低位发热量，用Qnet表示。我国在锅炉的有关计算中采用低位发热量。高位发热量与低位发热量之间的关系为：Qar，net=Qar，gr-206Har-23Mar （2-8）,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,15

10、,2、发热量的测定方法及估算：煤的高位发热量可由氧弹式量热仪先测得弹筒发热量Qad，b，再由下式换算为高位发热量：Qad，gr= Qad，b（95Sad，b+Qad，b）（2-9）式中： Qad，gr空气干燥基高位发热量（KJ/kg）； Qad，b空气干燥基弹筒发热量，（KJ/kg）； Sad，b弹筒洗液中测得的含硫量，%； 硝酸生成热的比例系数。 由公式（2-9）得到的空气干燥基高位发热量可根据表2-1的换算系数换算成收到基高位发热量,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,16,量，即： （210）氧弹式量热仪如图22所示，它是取1g左右的煤样放在氧弹中，氧弹中充满氧气后点火燃烧，当

11、燃烧产物冷却至原始温度后，测得的单位质量的煤放出的热量即弹筒发热量。由于过剩氧的作用生成SO3和NOx并溶解在氧弹中的水中形成硫酸和硝酸，而酸的反应会放出热量。因此弹筒发热量比锅炉实际燃烧放出的热量要高，须经公式（2-9）换算成高位发热量后才能使用。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,17,氧弹式测热计,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,18,3、 标准煤和煤的折算成分：为了更准确地比较煤中硫分、水分、灰分的大小，可用折算成分表示硫分、水分、灰分的含量。折算水分： % （211）折算灰分： % （212）折算硫分： % （213）,2022年12月21日星期三,第二章、

12、燃 料,19,当煤中的Mar，zs8%时称为高水分煤；当Aar，zs4%时称为高灰分煤；当Sar，zs0.2%时，称为高硫分煤。标准煤:按照规定，收到基低位发热量为29310KJ/kg的煤为标准煤。折合成标准煤的计算公式：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,20,（一）、煤灰的熔融特性1、灰熔点及其影响因素：煤灰在某一确定的温度下开始融化，称为灰熔点。灰熔点与灰的化学组成、灰周围高温环境介质性质及煤中灰的含量有关。灰中含有SiO2和Al2O3越多，灰熔点越高。比例大于1.18以后，SiO2容易形成共晶体，降低熔点。介质的性质影响大，半还原性气体最易结渣。灰分越多，越易形成共晶体。,

13、2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,21,在煤粉锅炉的燃烧过程中，炉内灰的沉积一般可以分为结渣和沾污两种类型。结渣是指炉内软化或熔化的灰粒碰撞并粘附在水冷壁和主要受热面上生成的渣层；沾污则指煤灰中挥发物质在受热面表面凝结并粘结灰粒形成的沉积灰层。因为煤灰的成分太复杂，各种试验方法得到的判别准则仅适用于少数国家自己的煤种，现介绍几种判别方法如下。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,22,煤灰结渣性的常规判别准则(1)碱酸比判别指数 （214）式中：B煤灰中碱性成分含量； A煤灰中酸性成分含量。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,23,对于固态排渣煤粉炉，当B/A

14、=0.40.7时，为结渣煤；当B/A=0.10.4时，为轻微结渣煤；当B/A0.1时，为不结渣煤。从防止结渣的要求来看，则B/A0.5为宜。对液态排渣炉和旋风炉，B/A0.27时，灰渣的流动性较差。（2）硅比判别指数 式中：Sd 干燥基硫分，%。 当时， 为不结渣煤；研究表明，较大的硅比意味着灰渣有较高的粘度。当 SR65 时，不易结渣；当SR72时，有可能发生严重结渣，因为灰中铁和钙的含量增加会使粘度降低。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,24,（二）灰熔融特性的测定目前普遍采用的煤灰熔融温度测定方法主要为角锥法和柱体法两种，国内采用角锥法。将煤灰制作成底边长为7mm的等边三角

15、形，高为20mm的角锥。将锥体放入半还原性气体的灰熔点测定仪中，以规定的速度升温，观测灰锥在熔融过程中的三个特征温度，来标示煤灰的熔融特性。DT变形温度，灰锥顶端开始变圆或弯曲时的温度；ST软化温度；锥顶变至锥底或变成球形或高度等于或小于底长时对应的温度；FT流动温度；锥体熔化成液体或厚度在1.5mm以下时对应的温度。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,25,灰锥变形实验,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,26,其次，煤灰周围介质的性质对灰熔融性有较大影响。当炉内处于氧化性气氛时，灰中铁呈氧化状态（Fe2O3），熔点较高。在还原性和半还原性气氛中，（Fe2O3）会还原成

16、FeO，并可能与其它氧化物形成共熔体，灰熔点随含铁量的增加而迅速下降。因此，介质气氛不同，会使灰熔点变化200300 。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,27,（三）煤的可磨性指数与磨损指数1、煤的可磨性指数由于煤的机械性质不同，有的煤较难破碎，有的却容易破碎，煤被磨成一定细度的煤粉的难易程度称为煤的可磨性系数。目前国内采用哈德格罗夫（Hardgrove）法测定的哈氏可磨性系数，按下式计算： （221）式中：D74为通过孔径为74m的筛子的煤粉量。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,28,哈氏可磨性系数的测定方法为：将空气干燥后，粒度为0.631.25mm的50g煤样

17、放入如图44所示的哈氏可磨性试验机中。在钢球上施加284N的总作用力，驱动电机进行研磨，旋转60转后，将磨制好的煤粉放入孔径74m的筛子上进行筛分，然后分别称量通过筛子和留在筛子上的煤粉量，将通过量代入公式（47）即可以计算出哈氏可磨性系数。全苏热工所Kkm：在风干状态下，将质量相等的标准燃料核试验燃料，从相同的初始粒度磨制成相同细度的煤粉时，所消耗的能量之比。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,29,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,30,2、煤的磨损指数 煤的磨损指数表示，煤在碾磨的过程中，煤对碾磨设备的研磨部件磨损的强烈程度。我国目前采用的是冲刷磨损指数，记为Ke

18、。用下式计算： 式中： m纯铁试片在煤样由初始状态破碎到R90=25%时的磨损量，mg； 煤样碾磨至R90=25%需要的时间，min； 10标准煤的磨损率10mg/min。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,31,上式中的各项参数按DL465-92煤的冲刷磨损指数试验方法进行测定，试验装置如图45所示。式（48）表示，单位时间内磨损片的磨损量与标准煤样的磨损率之比。 煤的磨损性与冲刷磨损指数的关系如表45所示。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,32,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,33,煤的磨损性和冲刷磨损指数的关系,2022年12月21日星期三,第二章

19、、燃 料,34,三、发电用煤的分类我国煤的分类方法是采用表征煤化程度的干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标并将煤分为：褐煤、烟煤和无烟煤。一般Vdaf10%的煤为无烟煤，Vdaf40%为褐煤，在它们之间的煤为10%Vdaf20%是贫煤，20%Vdaf40%为烟煤。无烟煤可再用干燥无灰基Vdaf和Hdaf分为三小类，划分方法见表2-4。烟煤除用干燥无灰基挥发分划分外,还用工艺性能的指标参数作为划分指标,如表2-5所示。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,35,无烟煤的分类,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,36,烟煤分类,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,37

20、,褐煤除用挥发分分类外,还用透光率PM和含最高内在水分的无灰高位发热量Qgr作为区分褐煤和烟煤的指标,如表2-6所示。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,38,2、发电厂用煤质量标准发电厂用煤质量标准是根据锅炉设计、运行等方面有较大影响的煤质特性制定的，包括干燥无灰基Vdaf、干燥基Ad和Sd、收到基水分Mar、灰的软化温度ST作为主要分类指标，如表2-7所示。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,39,发电煤粉锅炉用煤质量标准（GB 7562-87）,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,40,3、发电厂煤的分类及燃烧特性1、无烟煤无烟煤是煤化程度最深的煤，它有

21、明亮的黑色光泽，硬度高不易研磨。它的含碳量很高，杂质少而发热量较高，大致为21000-25000KJ/kg。但由于挥发分含量较低，难以点燃，燃烧特性差。2、贫煤它的挥发量含量稍高于无烟煤，其着火、燃尽特性优于无烟煤，但仍属于燃烧特性较差的煤种。3、烟煤烟煤具有中等的煤化程度，它的挥发分含量较高，水分和灰分也较少，发热量也较高。烟煤燃点低，容易着火和燃尽。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,41,4、褐煤外观呈褐色，少数为黑褐色甚至黑色，挥发分含量较高，有利于着火。但其灰分和水分较高，发热量较低，一般小于16750KJ/kg。含水分较高的年轻褐煤则燃烧性能较差，而且灰熔点也较低。褐煤

22、在空气中存放极易风化，容易发生自燃。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,42,四、液体燃料和气体燃料（一）液体燃料1、黏度：表征液体燃料流动性能的指标。常用恩氏黏度计测量。重油黏度小于4E。2、闪点及燃点：在常压下，随油温的升高，油表面上蒸发的油气增多，当油气和空气的混合物与明火接触而发生短促闪光时的油温，称为燃油的闪点。燃点是油面上的油气和空气的混合物遇明火能着火的燃烧并持续5s以上的最低油温。3、凝固点：4、硫分及其他有害成分（二）气体燃料,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,43,1、天然气体燃料2、人工气体燃料：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,44

23、,煤的燃烧特性,一、煤的热分解机理 当煤粒被加热到一定温度后，即进入热分解阶段，放出挥发分并形成焦碳。 煤在热分解时放出挥发分的重量和成分与热分解的条件有关，即与加热温升速度、最终温度和在此温度下的持续时间有关。当加热时温升速度大于1104/s时，称为快速热分解；而当加热时温升速度小于2/s时称为慢速热分解；温升速度介于两者之间的为中速热分解。 煤的结构既复杂而且又极不稳定，在热分解过程中的分解方式、热解产物的数量及性质均受外界因素的影响，如升温速度、加热温度、加热时间、周围气体的压力、成分和反应器的形式、煤的颗粒尺寸和流体动力条件等。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,45,二、

24、煤的热重分析 将单位时间内试样损失的质量称为失重率，用符号dW/d表示。记录失重率随温度的变化曲线，称为燃烧失重曲线或挥发分热解失重曲线。 通过热重分析法测定的煤的微分热重曲线DTG也称为燃烧分布曲线，它表示煤样失重率（燃烧速度）随温度变化的规律，是对煤的着火、燃烧性能进行综合判别的依据。不同的煤种当燃烧分布曲线相似时，它们在锅炉中燃烧时的情况也基本相似。图2 4为几种煤的燃烧分布曲线。图中曲线从左到右的第一小峰B是水分析出峰，第二峰D是,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,46,燃烧峰。燃烧峰所围的面积对应于煤的可燃质份额。当峰值偏向低温区而且峰值较高，说明煤的反应能力强，并容易着

25、火燃烧。而燃烧峰的后段越陡燃尽性能越好。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,47,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,48,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。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22.41Nm3；2）所有空气和其它气体容积的计算单位都是Nm3，即以0一标准大气压（0.1013Mpa）状态下的立方米为单位。 锅炉机组的热平衡反映了输入锅炉热量的利用与损失状况，通过热平衡的研究可以找出提高锅炉热效率的途径。,2022年12月21日星期三,第二章、燃

26、料,49,第二节、燃料燃烧计算,燃料的可燃成分是碳（C）、氢（H）、硫（S）。1.碳的燃烧：完全燃烧时： C + O2CO2 + 407000kJ/k mol（C）得：12.1kgC+22.41Nm3O222.41Nm3CO2即 1kgC+1.866Nm3O21.866Nm3CO2 上式说明，每1kgC完全燃烧需要1.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO2。不完全燃烧时，碳与氧的化学反应式为： 2C+O22CO+123100kJ/k mol（C） 可得：212.1kgC+22.41Nm3O2222.41Nm3CO，,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,50,由此得：即 ：

27、1kgC+0.51.866Nm3O21.866Nm3CO也即每1kgC不完全燃烧需要0.51.866Nm3的O2并产生1.866Nm3的CO。2.氢的燃烧: 2H2+O22H2O+241200kJ/k mol（H2）可得：22.016kgH2+22.41Nm3O2222.41Nm3H2O即 1kgH2+5.56Nm3O211.1Nm3H2O也即每1kgH燃烧需要5.56Nm3的O2并产生11.1Nm3的H2O。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,51,3硫的燃烧：S+O2SO2+334900kJ/k mol（S）可得：32kgS+22.41Nm3O222.41Nm3SO2即 1kg

28、S+0.7Nm3O20.7Nm3SO2也即每1kgS燃烧需要0.7Nm3的O2并产生0.7Nm3的SO2。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,52,一、燃烧所需空气量及过量空气系数(一)理论空气量1kg（或1Nm3）收到基燃料完全燃烧时所需的最低限度的空气量（空气中的氧无剩余）称为理论空气量，其代表符号为V0。求理论空气量，必须先求出1kg燃料中的可燃元素C、H、S完全燃烧所需的氧气量，而后再折算成空气量。在第一节已经分别导出了每kg碳、氢、硫完全燃烧所需的氧量，即：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,53,1kg收到基燃料中含碳 kg，完全燃烧需氧 ；1kg收到基燃料

29、中含氢 kg，完全燃烧需氧 ；1kg收到基燃料中含硫 kg，完全燃烧需 氧 ；,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,54,所以，1kg燃料完全燃烧需要的氧气总量为：1kg收到基燃料本身含氧 kg，在标准状态下它的容积为 所以1kg燃料完全燃烧真正需由空气提供的氧量为：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,55,按空气中氧的容积成分为21%计算，则1kg燃料燃烧所需的理论空气量 V0为,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,56,上式有三点说明：1）V0是不含水蒸汽的干空气；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+

30、O2RO2，其中Rar=Car+0.375Sar。由质量表示的理论空气量L0为： L0=1.293V0=0.115(Car+0.375Sar)+0.342Har0.0431Oar , kg/kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,57,（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 称为过量空气系数（用于烟气量计算，用于空气量计算）。显然，1kg燃料完全燃烧时需要的实际空气量Vk为： ，Nm3kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,58,过量空气量Vg等于

31、： ，Nm3/kg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1.201.25，当燃用烟煤和褐煤时约为1.151.20。（三）漏风系数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。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,59,相对于1kg燃料而言，漏入的空气量V与理论空气量V0之比称为漏风系数，以表示，即： 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： 式中 炉膛出口与计算烟道截面间，各段烟道漏风系数的总和。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,60,空气

32、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， 式中： 、 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， 与 之间关系为 式中 炉膛漏风系数 制粉系统漏风系统,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,61,二、燃烧产生的烟气容积计算（一）理论烟气容积燃烧产物中不含可燃物时称为完全燃烧，当=1且完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积。理论烟气的组成成分为：CO2、SO2、N2、H2O，其相应的体积分别记为：因为理论烟气中的各成分均为理想气体，所以：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,62,如果

33、记 ，则上式可写为： 如果用 表示理论干烟气的体积，则上式可写为： 1、二氧化碳和二氧化硫的体积 、,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,63,因而： 2、理论氮气体积（ ） 由两部分组成：燃料中的氮所占体积和理论空气量中的氮所占的体积，即,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,64,3、理论水蒸气体积（ ） 由以下四部分组成：（1）燃料中的氢完全燃烧生成的水蒸气体积：1kg氢完全燃料产生 的水蒸气，1kg燃料中含有 kg的氢，产生的水蒸气体积为：（2）燃料中的水汽化生成的水蒸气体积：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,65,（3）理论空气量带入的水蒸气体积：设1

34、kg干空气中含有的水蒸气为dk(kg/kg)，干空气的密度为1.293kg/Nm3，水蒸气的密度为 ，则每Nm3干空气所含水蒸气的体积为: Nm3,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,66,则理论空气量V0带入的水蒸气体积为1.61dkV0 Nm3。由此可得理论水蒸气体积 为: dk亦即工程热力学所讲湿空气的绝对湿度，通常取d=0.01kg/kg。 （4）采用蒸汽雾化等设备带入的水蒸气体积：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,67,式中 Wwh雾化用蒸汽消耗率，kg/kg。则可得到用蒸汽雾化等设备时的理论水蒸气体积 ： 把上几式相加，就可得理论烟气量：,2022年12月2

35、1日星期三,第二章、燃 料,68,（二）实际烟气容积1、完全燃烧时实际烟气量的组成成分形成实际烟气量的基本物质有：1、燃料、2、干空气量Vk、3、随Vk进入炉膛的水分。分析这些基本物质在燃烧过程中的变化，可以得出完全燃烧时实际烟气的组成成分为：CO2、SO2、N2、O2、H2O，其相应的体积分别记为 ： 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 ，而,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,69,过量空气 中包括0.21 的氧和0.79 的氮。2、完全燃烧时实际烟气量的计算因为完全燃烧时烟气中的各成分均假设为理想气体，所以：如果记 ，

36、则上式可写为：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,70,如果用 表示干烟气的体积，则上式可写为： 1)二氧化碳和二氧化硫的体积 、 1kg燃料中的碳和硫完全燃烧，产生的CO2 和SO2的体积与理论烟气中的完全相同：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,71,2)氮气体积（VN2） VN2由两部分组成：理论氮气量和过量空气中带来的氮气量，即,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,72,3) 氧的体积(Vo2)氧的体积也就是过量空气中包含的氧，即 Vo2 =0.21 ，Nm3/kg （2-23）4) 水蒸气体积（VH2O） 由两部分组成：理论水蒸气量 和随过量空气带入

37、的水蒸气量，即 = +1.61dk ，Nm3/kg将 、 、 的表达式，即代入式（223）中，经整理得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,73,将VN2、Vo2的表达式，即代入 中，经整理得： 三、不完全燃烧时的烟气量当发生不完全燃烧时，烟气的成分除了CO2、SO2、N2、O2、H2O外，还有不完全燃烧产物CO以及H2和CmHn等。其中H和CmHn数量很少，一般工程计算中可忽略不计。因此，当燃料不完,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,74,全燃烧时，可以认为烟气中不完全燃烧产物只有CO。这使得烟气量为： 上式可以写为： 其中为不完全燃烧时的干烟气体积，其表达式为： ，

38、Nm3/kg上式也可写为： ，Nm3/kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,75,在不完全燃烧产生的烟气两中， 与完全燃烧时完全相同，只有 需要重新计算。1、二氧化碳与一氧化碳的体积1kg燃料中含碳 ，假定其中有 的碳燃烧生成CO2，有 的碳燃烧生成CO，即：Car= Car,+Car,CO这两部分碳燃烧生成的CO和CO2的体积VCO、Vco2为:,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,76,由此可见，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。2、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

39、全燃烧少消耗的氧的体积之和，即： Vo2=0.21(-1)V0 +0.5 ，Nm3/kg 其中， 在数值上等于VCO ，所以，,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,77,上式可写成： Vo2=0.21(-1)V0+0.5VCO ，Nm3/kg从上式中解出(-1)V0 ，代入VN2的计算式，即式（324），得： 将上式代入式（332）中，得： ，Nm3/kg（336）,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,78,推导上式的目的并不在于计算不完全燃烧时的干烟气体积，而在于推导后面的不完全燃烧方程式。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，要用到烟气中参与辐射

40、换热的三原子气体（即CO2和SO2）及水蒸气的容积份额 、 和分压力 、 ：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,79,式中：P烟气的总压力。烟气中所含灰粒浓度对辐射换热也有影响，飞灰浓度（kg/kg）指每kg烟气中的飞灰质量，即 ，kg/kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,80,式中：afh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，用下式计算： (340)式中：dk取为0.01kg/kg，1.306V0为1kg燃料燃烧所需空气及所含水分转入烟气的质量（kg/kg）。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,81,第三节、烟气分析,一

41、、烟气分析（一）烟气分析的目的干烟气是一种混合气体，不完全燃烧时，干烟气的组成成分为CO2、SO2、N2、O2、CO、H2、CmHn等。其中H和CmHn数量很少，工程计算中可忽略不计。因此，一般认为不完全燃烧时，干烟气的组成成分为CO2、SO2、O2、N2、CO。以干烟气的各组成成分的代表符号CO2、SO2、O2、N2、CO来代表其相应的容积成分，则有：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,82,CO2+SO2+O2+N2+CO=100 %或写成： RO2+O2+N2+CO=100 %其中 RO2= CO2+SO2 % % % %,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,83,

42、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热备都是非常必要的。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 大小）也可以了解烟道的漏风情况等。 烟气分析的方法很多，有化学吸收法、电气测量法、红外吸收法及色谱分析法等，以下简单介绍奥氏烟气分析仪和RGH-1型烟气全分析仪。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,84,（二）奥氏烟气分析仪用奥氏烟气分析仪的工作原理：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，

43、每次减少的容积即是被测成分在烟气中所占的容积。图2-4是奥氏分析仪的结构简图。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,85,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,86,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）；第三个吸收瓶放氯化亚铜氨溶液Cu(NH3)2Cl，吸收CO（同时也吸收O2）。由于后两瓶的吸收剂有双重吸收功能，故操作时必须按1、2、3瓶的次序依次进行，不可颠倒。测量步骤为：抽取烟气经U形管过滤器，除去其中的灰和杂质，进入量筒，用水准瓶量得烟气量为100ml，关闭进口三通阀。然

44、后将烟气依次进入三个吸收瓶，在每个瓶进行吸收时，,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,87,要将烟气多次反复进出吸收瓶，以便充分吸收。利用两筒可以测得每次吸收后烟气减少的容积，此减少的容积即为被吸收的气体容积。 根据道尔顿分压定律、亨利定律：含有水蒸气的烟气试样被吸入烟气分析以后，一直是和水接触的，所以烟气试样内的水蒸气已达饱和状态。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,88,定温定压条件下，已经饱和的烟气试样中，其水蒸气的容积百分数是定值，即水蒸气和干烟气的容积比例是一定的。在某种气体成分被吸收时，水蒸气也成比例地凝出。这样，每次用量筒测得的数值就是干烟气成分的容积百分数

45、。实验时间需2个小时，不能用于在线监测。且CO测不准，这是因为其含量很少，另外瓶中试剂易分解,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,89,二、运行时烟气容积和一氧化碳含量的计算（一）根据烟气分析结果计算烟气容积据式可写出下列关系式： %或 %或 ，Nm3/kg由于 ，Nm3/kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,90,，Nm3/kg所以 ，Nm3/kg或 ，Nm3/kg,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,91,（二）烟气中的一氧化碳含量的计算由公式： ，Nm3/kg将上式的两边除以Vgy并乘以100，结合RO2、CO 、O2的定义式得： 将式（349）代入上式

46、并整理，得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,92,代入上式并结合得令 ，则上式可写为： 式（352）称为不完全燃烧方程式，由此可得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,93,现代电站锅炉燃烧得都比较充分，所以烟气中的CO的含量很少（CO12），且氯化亚铜氨溶液极不稳定，利用奥氏烟气分析仪不易测准。当RO2和O2测量准确时，可用（353）式通过计算来求出干烟气中一氧化碳的含量。利用CO含量的多少可以判断燃烧的完全程度，CO的含量越小燃烧越完全。 系数称为燃料的特性系数，它只取决于燃料中C、H、O、N、S，而与M和A无关。由的计算式可知，是一个无因次的比例系数，因此它与

47、燃料分析成分的表示基准也无关。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,94,（三）完全燃烧方程式及RO2最大值对于固体燃料，N的含量相对较少，在计算时，Nar常忽略不计。完全燃烧时，CO0，由（352）式得： 或写成 式（354）或式（355）称为完全燃烧方程式。如果烟气分析中测得的RO2和O2满足完全燃烧方程式，说明燃烧是完全的。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,95,如果时完全燃烧，则烟气中无过剩的氧（O20），由式（355）可知，此时烟气中的三原子气体的容积成分将达到其最大值： （356）由于只决定于燃料的特性系数，所以也只决定于燃料的元素组成分，也是一个表征燃料特

48、性的特征值。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,96,（四）运行中过量空气系数的确定 过量空气系数对锅炉的燃烧和经济运行有很大影响，在锅炉运行中，通过烟气分析准确迅速的测量过量空气系数，是保证锅炉安全经济运行的基础。据过量空气系数的定义，有： 据式（335）可得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,97,固体和液体燃料Nar比较小，可忽略不计。因此据式（318）、（325）可得： （359）将式（358）和式（359）代入式（359），得： （360）从干烟气容积成分O2、N2和CO的定义式，即式（346）、（347）、（348）中分别解出Vo2、VN2和Vco并代入式

49、（360）得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,98,（361） 据式（342）可得：N2=100（RO2+O2+CO）将上式代入式（361），得不完全燃烧时的过量空气系数的计算公式为： （362）当完全燃烧时CO=0，由式（362）得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,99,（363）据完全燃烧方程式（354）、（355）可知，将此二式代入式（363），整理后得：将上式分子、分母都处以21RO2，得：,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,100,由于的数值相对较小，在上式中可以忽略不计，于是上式变为： （364） 据完全燃烧方程式有 ，代入上式，得： （

50、365） 由上式知，过量空气系数与烟气中氧的容积成分O2基本上一一对应，所以在运行中只要知道了烟气中的含氧量O2，就可以知道运行中的过量空气系数。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,101,目前，锅炉采用磁性氧量计或氧化锆氧量计来测量烟气中的含氧量O2。,2022年12月21日星期三,第二章、燃 料,102,第四节、空气和烟气焓的计算,要进行锅炉受热面的传热计算，必须知道如何计算空气和烟气的焓。在这里空气和烟气的焓是指在定压条件下，将1kg燃料所需的空气量或所产生的烟气量从0加热到t（空气）或（烟气）时所需的热量，单位为kJ/kg。一、空气焓的计算1、理论空气量的焓hk0据理想气体