第二章燃料及燃料燃燒計(jì)算 2 1燃料的成分及其主要特性2 2燃料燃燒計(jì)算2 3煙氣分析方法2 4空氣和煙氣焓的計(jì)算 2 1燃料的成分及其主要特性 燃料總類 核能燃料 可控核裂變與和聚變有機(jī)燃料 以各種形式在自然界存在的碳?xì)浠衔?一 煤的成分及分析基準(zhǔn)可燃成分和不可燃成分組成的復(fù)雜組合物 結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 各組成元素并不單獨(dú)游離存在 而是以復(fù)雜的化合物存在 成分十分不均勻 煤的化學(xué)分析 元素分析 成分分為 C H O N S A ash M moisture 可燃成分 C H 部分S不可燃成分 N 水分 灰分 C 最主要的可燃質(zhì) 煤是富含碳的燃料一般含量 20 70 碳含量取決于碳富集程度 炭化及年齡 燃燒產(chǎn)物主要是CO2碳的發(fā)熱量 7800kcal kg 4 182 7800kJ kg關(guān)于熱量單位 kcal 工程 kJ 國際 BTU 英制 H 發(fā)熱量很高 達(dá)28600kcal kg 極易燃燒 煤中含量很少 僅為2 5 液體燃料中可達(dá)到14 天然氣中最多 O 1 氧不可燃 且不助燃 氧不以游離狀態(tài)存在于煤中 與煤中的氫和碳組成化合物 占據(jù)部分可燃質(zhì) 使煤發(fā)熱量降低 2 氧的含量1 15 木柴中的氧含量達(dá)到20 25 N 氮是一種不利的元素 在高溫環(huán)境下 與氧形成氮氧化物 對環(huán)境危害極大 煤中氮的含量 1 S 部分S屬于可燃質(zhì) 發(fā)熱量僅2160kcal kg 對鍋爐設(shè)備及環(huán)境的危害很大 硫的含量0 2 5 甚至更高 超過2 既為高硫煤 灰分 Ash 煤中不可燃礦物雜質(zhì) 成分十分復(fù)雜 大多數(shù)煤的灰分含量7 40 1 可燃物減少 著火困難 灰渣量增加 運(yùn)行操作繁重 2 爐內(nèi)易結(jié)渣 使受熱面?zhèn)鳠釔夯?3 水分 Water Moisture 燃料中的主要雜質(zhì) 約占5 60 內(nèi)部水分 固有水分 105 110 外部水分 表面水分 45 50 化合水分 結(jié)晶水 灰分的一部分 瓷土 1 水分進(jìn)入爐內(nèi)吸熱汽化成水蒸氣 對燃燒不利 2 在煙氣露點(diǎn)時(shí) 水蒸氣與SO2 SO3生成亞硫酸和硫酸 造成低溫腐蝕 3 揮發(fā)份 失去水分的煤樣在隔絕空氣的條件下加熱到一定溫度時(shí) 煤分解逸出的部分可燃質(zhì)和礦物質(zhì) 主要成分是CO CO2 CmHn H2等 收到基揮發(fā)份含量在5 40 之間 揮發(fā)份的測定揮發(fā)份對煤的著火 燃燒的影響焦炭的性質(zhì) 焦結(jié)性焦炭 煤在隔絕空氣加熱時(shí) 水分蒸發(fā) 揮發(fā)分析出后固體殘余物質(zhì) 焦結(jié)性 由于煤種不同 焦炭的物理性質(zhì) 外觀等各不相同焦結(jié)性狀 焦炭結(jié)構(gòu)特征1 粉狀2 粘結(jié)3 弱粘結(jié)4 不熔融粘結(jié)5 不膨脹熔融粘結(jié)6 微膨脹熔融粘結(jié)7 膨脹熔融粘結(jié)8 強(qiáng)膨脹熔融粘結(jié)焦結(jié)性對層燃爐燃燒過程的影響1 粉狀焦炭 堆積緊密 妨礙空氣流動(dòng) 煙氣流速過大 易被氣流攜帶 形成火床火口 煙氣流速過小 燃燒通風(fēng)不暢 易從通風(fēng)孔隙中漏入灰坑2 強(qiáng)焦結(jié)性煤 揮發(fā)分逸出后 焦炭呈熔融狀態(tài) 粘結(jié)成片 內(nèi)部固定碳難于空氣接觸而燃盡 燃燒層通風(fēng)不暢 煤的成分分析基準(zhǔn)及其換算用各個(gè)成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示 水分和灰分所占質(zhì)量較大 且隨外界條件有較大的波動(dòng) 采用四種不同的 基 準(zhǔn)的質(zhì)量成分表示 1 收到基ar 2 空氣干燥基ad 3 干燥基d 4 干燥無灰基daf 1 收到基ar 表示燃料中全部成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和是鍋爐燃料燃燒計(jì)算的原始依據(jù) Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 100 2 空氣干燥基ad 表示在不含外在水分的條件下 燃料各組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和 是實(shí)驗(yàn)室煤質(zhì)分析所用煤樣的成分組成 Cad Had Oad Nad Sad Aad Mad 100 3 干燥基d 表示在不含水分的條件下干燥燃料各組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和干基中各成分不受水分變化的影響Cd Hd Od Nd Sd Ad 100 4 干燥無灰基daf 表示在不含水分和灰分的條件下 干燥無灰燃料各組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和 干燥無灰基中只包含燃料的可燃成分 各成分不受水分和灰分變化的影響 煤炭交易 Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf 100 圖2 1 二 煤的主要特性 1 燃料的發(fā)熱量Q 單位質(zhì)量的固體 液體燃料 在完全燃燒時(shí)所放出的熱量 kJ kg 單位容積的氣體燃料在完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量 kJ Nm3 2 高位發(fā)熱量 每公斤燃料完全燃燒后所放出的熱量 含所生產(chǎn)水蒸汽汽化潛熱 kJ kg 3 低位發(fā)熱量 每公斤燃料完全燃燒后所放出的熱量 扣除隨煙氣帶走的水蒸汽的汽化潛熱的熱量 kJ kg 水分來自 H與氧的反應(yīng) 燃料中的含水量Mar4 各成分分析的高 低位發(fā)熱量間的關(guān)系5 發(fā)熱量的測定 采用氧彈測熱儀6 發(fā)熱量的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)煤單純以燃煤量的多少來比較不同鍋爐的經(jīng)濟(jì)性不妥 須折算到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)煤的概念 規(guī)定低位發(fā)熱量為7000kcal kg 或者kJ kg MJ kg 的煤為標(biāo)準(zhǔn)煤 將發(fā)熱量不是7000kcal kg的煤統(tǒng)一折算到7000kcal kg來進(jìn)行比較 用于計(jì)算和比較標(biāo)準(zhǔn)煤耗等 折算水分 折算灰分與折算硫分的概念硫分 灰分與水分對鍋爐工作的影響1 降低煤的發(fā)熱量2 降低燃燒溫度 不利于燃料的著火與燃燒3 增加煙氣容積 排煙溫度升高 排煙損失增加 鍋爐效率下降4 加劇鍋爐受熱面的低溫腐蝕與積灰5 增加通風(fēng)電耗 采用折算成分的目的比較鍋爐燃燒不同煤時(shí) 帶入爐內(nèi)的水 灰和硫的質(zhì)量 定義 每送入爐內(nèi)1MJ熱量 隨燃料帶入爐內(nèi)的某成分的質(zhì)量 折算成分的表達(dá)式要產(chǎn)生同樣的熱量 帶入鍋爐的灰量取決于煤灰分含量與發(fā)熱量 與灰分含量成正比 與發(fā)熱量成反比 采用此比例式來代表帶入的灰量 因該比值很小 故乘1000 折算水分 折算灰分 折算硫分 灰的熔融特性爐膛內(nèi)溫度很高 煤中灰顆粒一般呈熔化或軟化狀態(tài) 對鍋爐工作影響極大 對鍋爐的主要危害是造成鍋爐受熱面結(jié)渣 傳熱惡化 掉渣滅火或事故 灰分成分不同 發(fā)生熔化的溫度也不同 高熔點(diǎn)成分 低熔點(diǎn)成分 無固定的熔點(diǎn) 灰分的組成 SiO2 Al2O3 各種氧化鐵 CaO MgO K2O Na2O等 不是單一物質(zhì) 無固定熔點(diǎn) 采用角錐法測定特征溫度將灰制成特定形狀的灰堆 加熱升溫1300 以上 采用三個(gè)特征溫度來表示灰的熔融特性 變形溫度DT 軟化溫度ST 流動(dòng)溫度FT灰的熔融特性判別長渣 短渣 變形溫度 測試角錐開始變園或彎曲時(shí)的溫度軟化溫度 灰錐頂彎曲道平盤上或呈半球形時(shí)的溫度流動(dòng)溫度 灰錐熔融倒在平盤上 并開始流動(dòng)時(shí)的溫度煤的可磨性 衡量煤的機(jī)械強(qiáng)度的特性可磨性系數(shù) 以風(fēng)干狀態(tài)下的硬質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)煤 一般以難磨的無煙煤Kkm 1為基準(zhǔn) 與待磨煤在相同顆粒度的情況下 磨制成相同細(xì)度的煤粉 各自電耗量之比 為易磨煤為難磨煤煤的磨損指數(shù) 三 發(fā)電用煤的分類根據(jù)煤的燃燒特性 以揮發(fā)份 灰分 水分 硫分和灰熔融特性作為主要的分類指標(biāo) 以煤的發(fā)熱量作為輔助分類指標(biāo)無煙煤 Vdaf 10 含碳最多 發(fā)熱量高 難以點(diǎn)燃 貧煤 Vdaf 10 20 灰分較多 煙煤 Vdaf 20 40 含碳多 灰 水少 發(fā)熱量高褐煤 Vdaf 40 水分與灰分高 發(fā)熱量低 著火與燃燒容易 VAMST分類標(biāo)準(zhǔn) 四 液體燃料和氣體燃料鍋爐燃用的液體燃料主要是重油和渣油 重油 是石油提煉汽油 煤油和柴油后的剩余物 渣油 是進(jìn)一步提煉后的剩余物 重油重油的成分與煤一樣 也是由碳 氫 氧 氮 硫和灰分 水分組成 它的主要元素成分是碳和氫 其含量甚高 Car 81 87 Har 11 14 而灰分 水分的含量很少 其發(fā)熱量高而穩(wěn)定 通常 40600 43100kJ kg 燃料油的特性指標(biāo)1 粘度粘度是液體對其自身流動(dòng)具有的阻力 是表征流動(dòng)性能的特性指標(biāo) 粘度大 流動(dòng)性能差 在管內(nèi)輸送時(shí)阻力就大 裝卸和霧化都會(huì)發(fā)生困難 恩氏粘度 是以200ml試驗(yàn)重油在溫度為t 時(shí) 從恩氏粘度計(jì)中流出的時(shí)間與200ml溫度為20 的蒸餾水從同一粘度計(jì)中流出的時(shí)間之比 1 重油的粘度和它的成分 溫度 壓力有關(guān) 加熱溫度愈高 重油的粘度愈小 因此 重油在運(yùn)輸 裝卸和燃用時(shí)都需要預(yù)熱 2 通常要求油噴嘴前的重油溫度在100 以上 粘度不大于4 2 閃點(diǎn)和燃點(diǎn)閃點(diǎn) 在大氣壓下 重油表面油氣和空氣的混合物在標(biāo)準(zhǔn)條件下接觸明火時(shí) 發(fā)生短暫的閃光 一閃即滅 現(xiàn)象的最低油溫 燃點(diǎn) 當(dāng)油面上的油氣與空氣的混合物遇明火能著火持續(xù)燃燒 持續(xù)時(shí)間不少于5s 的最低油溫 重油的上閃點(diǎn)為80 130 燃點(diǎn)比閃點(diǎn)高10 30 閃點(diǎn)是防止油發(fā)生火災(zāi)的一個(gè)重要指標(biāo) 因此燃料油的預(yù)熱溫度必須低于閃點(diǎn) 對于敞口容器中的油溫至少應(yīng)比閃點(diǎn)低10 對于封閉的壓力容器和管道內(nèi)的油溫則可不受此限 3 凝固點(diǎn) 重油在傾斜45 的試管中 經(jīng)過1min不發(fā)生流動(dòng)變化的最低溫度 重油凝固點(diǎn)與所含石蠟含量有關(guān) 含蠟量越高 油的凝固點(diǎn)越高 氣體燃料氣體燃料的種類 氣體燃料的主要成分1 天然氣甲烷約占80 98 其次是烷屬重碳氧化合物和H2S 還含有少量N2 CO2 H2O和礦物雜質(zhì) 發(fā)熱量很高 33490 37680kJ Nm3 2 高爐煤氣是煉鐵的副產(chǎn)品 產(chǎn)量大 可燃?xì)怏wCO約占20 30 H2約占5 15 惰性氣體CO2約占5 15 N2約占45 55 4200 6300kJ Nm3 Aar含量高達(dá)60 80g Nm3 3 焦?fàn)t煤氣是冶金企業(yè)煉焦的副產(chǎn)品 H2月占46 61 CH4 21 30 N2 7 8 CO2 2 3 16300 17200kJ Nm3 4 液化石油氣 2 2燃料燃燒計(jì)算 一 燃燒所需空氣量及過量空氣系數(shù) 計(jì)算前提1 空氣量與煙氣量的計(jì)算均以1kg燃料的收到基為基礎(chǔ) 2 空氣和煙氣的所有組成成分 包括水蒸汽 分壓很小 均可作理想氣體 每摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的容積是22 4Nm3 3 空氣中只有O2和N2成分 其容積比為 4 氣體容積計(jì)算的單位均為Nm3 kg 理論空氣量 過量空氣系數(shù) 實(shí)際空氣量和漏風(fēng)系數(shù)1 過量空氣系數(shù) 燃燒時(shí)實(shí)際供給空氣量與理論空氣量之比 爐膛出口處過量空氣系數(shù)為平均值 與燃燒設(shè)備 燃料種類 燃燒方式等有關(guān) 層燃爐 室燃爐 2 實(shí)際空氣量 Nm3 kg3 漏風(fēng)系數(shù)鍋爐運(yùn)行時(shí) 爐中處于負(fù)壓工作狀態(tài) 爐外冷空氣從爐墻 門孔幾個(gè)受熱面貫穿墻處漏入爐內(nèi) 使?fàn)t內(nèi)過量空氣系數(shù)煙煙氣流程逐漸增大 其值為 要點(diǎn)煙氣側(cè) 爐膛后直至排煙處 過量空氣系數(shù)逐漸增大 煙氣側(cè)過量空氣系數(shù) 存在一個(gè)最佳的過量空氣系數(shù) 通常用爐膛出口的過量空氣系數(shù)表示 空氣側(cè) 由鍋爐送風(fēng)機(jī)開始 均為正壓 空氣側(cè)過量空氣系數(shù) 逐漸減小 向外的漏風(fēng)逐漸減少 二 燃燒產(chǎn)生的煙氣容積計(jì)算 理論煙氣量計(jì)算理論煙氣量中的各項(xiàng)氣體的容積 1 三原子氣體煙氣量2 理論氮?dú)饬? 理論水蒸氣量 1 三原子氣體煙氣量 2 理論氮?dú)饬?3 理論水蒸氣量 1 由煤中的水分 2 煤中氫元素轉(zhuǎn)換的水分 3 由理論空氣量V0帶入的水分 即相對于每kg燃煤帶入的水蒸氣容積0 0161dV0Nm3 kg 實(shí)際煙氣量過量空氣中的水蒸氣容積 每kg燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣的質(zhì)量 三原子氣體的容積份額在輻射換熱計(jì)算中 三原子氣體RO2 H2O均參與輻射換熱 煙氣中的飛灰濃度對輻射換熱有較大的作用 即每kg煙氣中飛灰的質(zhì)量 afh 煙氣攜帶出爐膛的飛灰占總灰量的份額 afh 0 85 0 95 2 3煙氣分析方法 煙氣分析的目的對于一臺(tái)正在運(yùn)行中的鍋爐 如何知道實(shí)際送入鍋爐的空氣量 如何知道空氣量是否合適 鍋爐燃燒調(diào)整 答案 通過實(shí)時(shí) 在線監(jiān)測鍋爐過量空氣系數(shù) 爐膛出口及煙道各處的過量空氣系數(shù) 煙氣分析測出某處的煙氣成分 再由過量空氣系數(shù)的計(jì)算式算出 理論上煙氣分析成分1 1 每kg燃料完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣成分 RO2 N2 H2O 2 1 每kg燃料完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣成分 RO2 N2 H2O O2 3 1 每kg燃料不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣成分 RO2 N2 H2O O2 CO 煙氣分析儀1 奧氏分析儀KOH或NaOH溶液吸收RO2 焦性沒食子酸的堿性溶液吸收O2及RO2 氯化亞銅氨溶液吸收CO及O2 2 色譜層析儀3 紅外線煙氣分析儀 2 4空氣和煙氣焓的計(jì)算 焓值的概念與計(jì)算描述流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行能量交換的關(guān)系時(shí) 焓是最有用和有效的 單位質(zhì)量的物質(zhì)所含的全部熱能 僅與狀態(tài)有關(guān) 而與途徑無關(guān) 實(shí)際計(jì)算中需要知道燃燒產(chǎn)