燃料及燃料燃烧计算

null第二章 燃料及燃料燃烧计算第二章 燃料及燃料燃烧计算2-1 燃料的成分及其主要特性 2-2 燃料燃烧计算 2-3 烟气分析方法 2-4 空气和烟气焓的计算2-1 燃料的成分及其主要特性2-1 燃料的成分及其主要特性燃料总类核能燃料—可控核裂变与和聚变 有机燃料—以各种形式在自然界存在的碳氢化合物一、煤的成分及分析基准 可燃成分和不可燃成分组成的复杂组合物，结构非常复杂。 各组成元素并不单独游离存在，而是以复杂的化合物存在，成分十分不均匀。 煤的化学分析（元素分析）成分分为： C，H，O，N，S，A(ash)，M(moisture) null可燃成分—C，H，部分S 不可燃成分—N，水分，灰分C： 最主要的可燃质，煤是富含碳的燃料 一般含量：20%~70% 碳含量取决于碳富集程度，炭化及年龄。 燃烧产物主要是CO2 碳的发热量：7800 kcal/kg，4.182×7800 kJ/kg 关于热量单位： kcal（ 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ），kJ（国际）， BTU（英制）…nullH： 发热量很高，达28600 kcal/kg，极易燃烧， 煤中含量很少，仅为2%~5%， 液体燃料中可达到14%， 天然气中最多。O： 1.氧不可燃，且不助燃，氧不以游离状态存在于煤中，与煤中的氢和碳组成化合物，占据部分可燃质，使煤发热量降低。 2.氧的含量1~15%，木柴中的氧含量达到20%~25%。N： 氮是一种不利的元素，在高温环境下，与氧形成氮氧化物，对环境危害极大。 煤中氮的含量~1%。nullS: 部分S属于可燃质， 发热量仅2160 kcal/kg， 对锅炉设备及环境的危害很大， 硫的含量0.2~5%，甚至更高，超过2%，既为高硫煤。null灰分（Ash）： 煤中不可燃矿物杂质，成分十分复杂，大多数煤的灰分含量7%~40%。 1） 可燃物减少， ，着火困难，灰渣量增加，运行操作繁重； 2） ，炉内易结渣，使受热面传热恶化， 3） null水分(Water、Moisture)： 燃料中的主要杂质，约占5~60%。 内部水分（固有水分）105~110 ℃ 外部水分（表面水分）45~50 ℃ 化合水分（结晶水）灰分的一部分 —瓷土Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２．２Ｈ２Ｏ 1） 水分进入炉内吸热汽化成水蒸气，对燃烧不利； 2） 在烟气露点时，水蒸气与SO2、SO3生成亚硫酸和硫酸，造成低温腐蚀； 3） null挥发份： 失去水分的煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度时，煤分解逸出的部分可燃质和矿物质。 主要成分是CO、CO2、CmHn、H2等。 收到基挥发份含量在5%~40%之间。 挥发份的测定 挥发份对煤的着火、燃烧的影响 焦炭的性质——焦结性 焦炭——煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出后固体残余物质。 焦结性——由于煤种不同，焦炭的物理性质、外观等各不相同焦结性状null焦炭结构特征 1）  粉状 2）  粘结 3）  弱粘结 4）  不熔融粘结 5）  不膨胀熔融粘结 6）  微膨胀熔融粘结 7）  膨胀熔融粘结 8）  强膨胀熔融粘结 焦结性对层燃炉燃烧过程的影响 1）粉状焦炭——堆积紧密，妨碍空气流动 ① 烟气流速过大，易被气流携带，形成火床火口； ② 烟气流速过小，燃烧通风不畅，易从通风孔隙中漏入灰坑 2）强焦结性煤——挥发分逸出后，焦炭呈熔融状态，粘结成片 ① 内部固定碳难于空气接触而燃尽； ② 燃烧层通风不畅null煤的成分分析基准及其换算 用各个成分的质量百分数来表示; 水分和灰分所占质量较大，且随外界条件有较大的波动; 采用四种不同的“基”准的质量成分表示: 1.收到基ar； 2.空气干燥基ad； 3.干燥基d； 4.干燥无灰基daf. null1.收到基ar； 表示燃料中全部成分的质量百分数总和 是锅炉燃料燃烧计算的原始依据。 Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% 2.空气干燥基ad； 表示在不含外在水分的条件下，燃料各组成成分的质量百分数总和， 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。 Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%null3. 干燥基d； 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百分数总和 干基中各成分不受水分变化的影响 Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% 4. 干燥无灰基daf； 表示在不含水分和灰分的条件下，干燥无灰燃料各组成成分的质量百分数总和， 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分，各成分不受水分和灰分变化的影响， 煤炭交易。 Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100% null图2-1null二、煤 的主要特性1．燃料的发热量Q：单位质量的固体、液体燃料，在完全燃烧时所放出的热量(kJ/kg)；单位容积的气体燃料在完全燃烧时所发出的热量（kJ/Nm3） 2． 高位发热量 ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量，含所生产水蒸汽汽化潜热，(kJ/kg) 3．低位发热量 ：每公斤燃料完全燃烧后所放出的热量，扣除随烟气带走的水蒸汽的汽化潜热的热量，(kJ/kg) 水分来自：①H与氧的反应；②燃料中的含水量Mar 4．各成分分析的高、低位发热量间的关系 5．发热量的测定：采用氧弹测热仪 6．发热量的计算 null标准煤 单纯以燃煤量的多少来比较不同锅炉的经济性不妥，须折算到统一标准， 标准煤的概念，规定低位发热量为7000kcal/kg（或者kJ/kg，MJ/kg）的煤为标准煤， 将发热量不是7000 kcal/kg的煤统一折算到7000 kcal/kg来进行比较。 用于计算和比较标准煤耗等null折算水分、折算灰分与折算硫分的概念 硫分、灰分与水分对锅炉工作的影响 1）降低煤的发热量 2）降低燃烧温度，不利于燃料的着火与燃烧 3）增加烟气容积，排烟温度升高，排烟损失增加， 锅炉效率下降 4）加剧锅炉受热面的低温腐蚀与积灰 5）增加通风电耗。 采用折算成分的目的 比较锅炉燃烧不同煤时，带入炉内的水、灰和硫的质量。 定义：每送入炉内1MJ热量，随燃料带入炉内的某成分的质量。null折算成分的表达式 要产生同样的热量，带入锅炉的灰量取决于煤灰分含量与发热量， 与灰分含量成正比，与发热量成反比。 采用此比例式来代表带入的灰量， 因该比值很小，故乘1000。 折算水分 折算灰分 折算硫分 null灰的熔融特性 炉膛内温度很高，煤中灰颗粒一般呈熔化或软化状态，对锅炉工作影响极大。 对锅炉的主要危害是造成锅炉受热面结渣，传热恶化，掉渣灭火或事故。 灰分成分不同，发生熔化的温度也不同。 高熔点成分+低熔点成分，无固定的熔点， 灰分的组成：SiO2、Al2O3、各种氧化铁、CaO、MgO、K2O、Na2O等，不是单一物质，无固定熔点，采用角锥法测定特征温度 将灰制成特定形状的灰堆，加热升温1300℃以上，采用三个特征温度来表示灰的熔融特性。 变形温度DT，软化温度ST，流动温度FT 灰的熔融特性判别 长渣，短渣 null变形温度：测试角锥开始变园或弯曲时的温度 软化温度：灰锥顶弯曲道平盘上或呈半球形时的温度 流动温度：灰锥熔融倒在平盘上，并开始流动时的温度 煤的可磨性——衡量煤的机械强度的特性 可磨性系数：以风干状态下的硬质标准煤（一般以难磨的无烟煤Kkm=1为基准）与待磨煤在相同颗粒度的情况下，磨制成相同细度的煤粉，各自电耗量之比。 为易磨煤 为难磨煤 煤的磨损指数null三、发电用煤的分类 根据煤的燃烧特性， 以挥发份、灰分、水分、硫分和灰熔融特性作为主要的分类指标， 以煤的发热量作为辅助分类指标 无烟煤：Vdaf≤10%，含碳最多，发热量高，难以 点燃； 贫煤： Vdaf =10~20%，灰分较多； 烟煤： Vdaf =20~40%，含碳多，灰、水少，发热量高 褐煤： Vdaf >40%，水分与灰分高，发热量低，着火 与燃烧容易。 VAMST分类标准 null四、液体燃料和气体燃料 锅炉燃用的液体燃料主要是重油和渣油。 重油——是石油提炼汽油、煤油和柴油后的剩余物， 渣油——是进一步提炼后的剩余物。 重油 重油的成分与煤一样，也是由碳、氢、氧、氮、硫和灰分、水分组成。它的主要元素成分是碳和氢，其含量甚高(Car=81~87%，Har=11~14%)，而灰分、水分的含量很少，其发热量高而稳定,通常 = 40600~43100kJ/kg。null燃料油的特性指标 1）粘度 粘度是液体对其自身流动具有的阻力，是表征流动性能的特性指标。粘度大，流动性能差，在管内输送时阻力就大，装卸和雾化都会发生困难。 恩氏粘度——是以200ml试验重油在温度为t℃时，从恩氏粘度计中流出的时间与 200ml温度为20℃的蒸馏水从同一粘度计中流出的时间之比。 （1）重油的粘度和它的成分、温度、压力有关。加热温度愈高，重油的粘度愈小。因此，重油在运输、装卸和燃用时都需要预热。 （2）通常要求油喷嘴前的重油温度在100℃以上，粘度不大于4。null2）闪点和燃点 闪点——在大气压下，重油表面油气和空气的混合物在标准条件下接触明火时，发生短暂的闪光（一闪即灭）现象的最低油温。 燃点——当油面上的油气与空气的混合物遇明火能着火持续燃烧（持续时间不少于5s）的最低油温。 重油的上闪点为80~130℃，燃点比闪点高10～30℃。 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标，因此燃料油的预热温度必须低于闪点。对于敞口容器中的油温至少应比闪点低10℃，对于封闭的压力容器和管道内的油温则可不受此限。 3）凝固点——重油在倾斜45º的试管中，经过1min不发生流动变化的最低温度。 重油凝固点与所含石蜡含量有关,含蜡量越高,油的凝固点越高。null气体燃料 气体燃料的种类null气体燃料的主要成分 1）天然气 甲烷约占80~98%，其次是烷属重碳氧化合物和H2S，还含有少量N2、CO2、H2O和矿物杂质，发热量很高， = 33490~37680kJ/Nm3。 2）高炉煤气 是炼铁的副产品，产量大。可燃气体CO约占20~30%，H2约占5~15%；惰性气体CO2约占5~15%，N2约占45~55%， =4200~6300 kJ/Nm3。 Aar含量高达60~80g/Nm3。 3）焦炉煤气 是冶金企业炼焦的副产品，H2月占46~61%，CH4=21~30%，N2=7~8%，CO2=2~3%, =16300~17200 kJ/Nm3。 4）液化石油气2-2 燃料燃烧计算2-2 燃料燃烧计算一、燃烧所需空气量及过量空气系数计算前提 1．空气量与烟气量的计算均以1kg燃料的收到基为基础； 2．空气和烟气的所有组成成分（包括水蒸汽，分压很小），均可作理想气体，每摩尔气体在标准状态的容积是22.4Nm3； 3. 空气中只有O2和N2成分，其容积比为： 4. 气体容积计算的单位均为Nm3/kg。 null理论空气量 null过量空气系数、实际空气量和漏风系数 1）过量空气系数——燃烧时实际供给空气量与理论空气量之比： 炉膛出口处过量空气系数为平均值，与燃烧设备、燃料种类、燃烧方式等有关。层燃炉 ； 室燃炉 。 2）实际空气量： Nm3/kg 3）漏风系数 锅炉运行时，炉中处于负压工作状态，炉外冷空气从炉墙、门孔几个受热面贯穿墙处漏入炉内，使炉内过量空气系数烟烟气流程逐渐增大，其值为： null要点 烟气侧：炉膛后直至排烟处，过量空气系数逐渐增大， 烟气侧过量空气系数α， 存在一个最佳的过量空气系数，通常用炉膛出口的过量空气系数表示; 空气侧：由锅炉送风机开始，均为正压， 空气侧过量空气系数β; β逐渐减小，向外的漏风逐渐减少null二、燃烧产生的烟气容积计算null理论烟气量 计算理论烟气量中的各项气体的容积： 1、三原子气体烟气量 2、理论氮气量 3、理论水蒸气量 null1、三原子气体烟气量null2、理论氮气量null3、理论水蒸气量 （1）由煤中的水分 （2）煤中氢元素转换的水分 （3）由理论空气量V0带入的水分，即相对于每kg燃煤带入的水蒸气容积 0.0161dV0 Nm3/kg null实际烟气量 过量空气中的水蒸气容积每kg燃料燃烧后产生的烟气的质量null三原子气体的容积份额 在辐射换热计算中，三原子气体RO2，H2O均参与辐射换热。烟气中的飞灰浓度 对辐射换热有较大的作用，即每kg烟气中飞灰的质量。 afh—烟气携带出炉膛的飞灰占总灰量的份额 （afh=0.85~0.95）。 2-3 烟气分析方法2-3 烟气分析方法烟气分析的目的 对于一台正在运行中的锅炉，如何知道实际送入锅炉的空气量？如何知道空气量是否合适？锅炉燃烧调整？ 答案：通过实时、在线监测锅炉过量空气系数。 炉膛出口及烟道各处的过量空气系数？烟气分析测出某处的烟气成分，再由过量空气系数的计算式算出。null理论上烟气分析成分 1）α=1，每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分： RO2、N2、H2O； 2）α>1，每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分： RO2、N2、H2O、O2； 3）α>1，每kg燃料不完全燃烧时产生的烟气成分： RO2、N2、H2O、O2、CO； 烟气分析仪 1）奥氏分析仪 KOH或NaOH溶液吸收RO2 ，（%） 焦性没食子酸的碱性溶液吸收O2及RO2，（%） 氯化亚铜氨溶液吸收CO及O2，（%） 2）色谱层析仪 3）红外线烟气分析仪2-4 空气和烟气焓的计算2-4 空气和烟气焓的计算焓值的概念与计算 描述流动介质进行能量交换的关系时，焓是最有用和有效的； 单位质量的物质所含的全部热能，仅与状态有关，而与途径无关； 实际计算中需要知道燃烧产物（常压）的温度与焓值间的关系； 水蒸气则需要根据温度和压力来求得焓值； 前人均已经制成表格、图线或程序。null空气、烟气焓值的定义 相应于1公斤收到基燃料的空气（或烟气），由温度0℃加热到θ℃所需要的热量，称为空气的焓或烟气的焓。 单位：kJ/kg，kcal/kg。 空气焓 ：每标准立方米干空气连同其相应的水蒸汽在温度θ℃时的焓，kJ/Nm3，可以查表得到。null烟气焓 混合气体的焓等于各组成气体焓的和，外加灰分的焓。理论烟气焓 ：1m3的成分在温度θ ℃时的焓值，查表。 烟焓表 通过燃烧产物的焓值的计算，列出焓值与温度对应的表格（编程计算），是锅炉热力计算的基础：即，