物质平衡及热平衡.ppt

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1、第四章第四章物质平衡及热平衡物质平衡及热平衡41燃烧所需空气量燃烧所需空气量一、理论空气量一、理论空气量二、实际空气量二、实际空气量三、过量空气系数三、过量空气系数42燃烧产物及其计算燃烧产物及其计算一、理论烟气量和实际烟气量一、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三、烟气分析及运行过量空气系数的确定43燃烧温度和烟气焓燃烧温度和烟气焓一、一、燃烧温度及其涵义燃烧温度及其涵义二、二、烟气焓值的确定烟气焓值的确定44锅炉的热平衡锅炉的热平衡一、锅炉热效率一、锅炉热效率二、各项热损失二、各项热损失三、燃料消耗量三

2、、燃料消耗量41 41 燃烧所需空气量燃烧所需空气量燃烧是化学反应。燃烧是化学反应。可燃质可燃质碳生成二氧化碳，碳生成二氧化碳，氢生成水蒸气，氢生成水蒸气，硫生成二氧化硫，硫生成二氧化硫，同时放出相应的反应热。即同时放出相应的反应热。即燃料完全燃烧时：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，即如果碳不完全燃烧而生成一氧化碳，反应热相应减少，即一、理论空气量一、理论空气量1.固体及液体燃料固体及液体燃料同样可得出氢完全燃烧所需要的氧气量同样可得出氢完全燃烧所需要的氧气量硫完全燃烧时所需要的氧气量为硫完全燃烧时所需要的氧气量为每每kg燃料中本身所包含的氧量为燃料中本身所包含

3、的氧量为每每kg燃料完全燃烧时，所需要的氧气量为：燃料完全燃烧时，所需要的氧气量为：锅炉燃烧所需要的氧气来源于空气。由于空气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中氧气的体积百分数为21，所以，所以，lkg燃料油燃料油完全燃烧所需要的理论空气量为完全燃烧所需要的理论空气量为2.气体燃料气体燃料标准状态下标准状态下1m3气体燃料按燃烧反应气体燃料按燃烧反应计量方程完全燃烧所需要的空气量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（指干空气）称为气体燃料的理论空气量气量(m3m3)。表表4-1各种单一可燃气体的燃烧化学反应式各种单一可燃气体的燃烧化学反应式归

4、纳出碳氢化合物的燃烧反应通式。即归纳出碳氢化合物的燃烧反应通式。即已已知知碳碳氢氢化化合合物物的的分分子子式式，就就可可由由上上式式求求得得该该碳碳氢氢化化合合物物完完全全燃燃烧烧所所需需要要的的理理论空气量。论空气量。气体燃料的热值越高，燃烧所需要的理论空气体燃料的热值越高，燃烧所需要的理论空气量也越多。气量也越多。当燃气的成分资料不全时，可采用近似式来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。估算理论空气量的大小。二、实际空气量、过量空气系数和漏风系数二、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实际送入锅炉的空气量(m3/kg，液体燃料；，液体燃料；m3m3

5、，气体燃料，气体燃料)称为实际空气量，其值称为实际空气量，其值一般都大于理论空气量。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比理论空气量多出的这一部分空气称为过量空气。空气。实际空气量为理论空气量与过量空气量之和。实际空气量为理论空气量与过量空气量之和。二、过量空气系数二、过量空气系数和漏风系数和漏风系数许多锅炉为负压燃烧，烟气量随着烟气流程而一路增许多锅炉为负压燃烧，烟气量随着烟气流程而一路增大。大。应该指出，空气预热器区段烟道内的漏风，并非来自应该指出，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。外界空气，而是来自空气预热器内的空气。锅锅炉

6、炉各各烟烟道道漏漏风风系系数数的的大大小小取取决决于于负负压压的的大大小小及及烟烟道道的的结结构构型型式式，一一般般为为0.010.010.10.1。若若锅锅炉炉为为微微正正压压燃燃烧烧，则则烟烟道道的的漏漏风风系系数为零。数为零。在保证燃料充分燃尽的前提下，应尽可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，即使趋近于能降低过量空气系数，即使趋近于1。42 42 燃烧产物及其计算燃烧产物及其计算 一、理论烟气量和实际烟气量一、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，即燃烧所燃料中的可燃物质被全部燃烧干净，即燃烧所生成的

7、烟气中不再含有可燃物质时的燃烧称为生成的烟气中不再含有可燃物质时的燃烧称为完全燃烧。完全燃烧。当只供给理论空气量时，燃料完全燃烧后产生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。的烟气量称为理论烟气量。理论烟气的组成为理论烟气的组成为CO2,SO2,N2和和H2O。前三种前三种组成合在一起称为干烟气。组成合在一起称为干烟气。包括包括H2O在内的烟气称为湿烟气。在内的烟气称为湿烟气。烟气中的烟气中的CO2和和SO2同属三原子气体，产生的化同属三原子气体，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

8、为三时常常被同时测出，将它们合并表示，称为三原子气体，用原子气体，用RO2表示。表示。当有过量空气时，烟气中除上述组分外，还含当有过量空气时，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。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，烟气中还将若燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现出现CO,CH4和和H2等可燃成分。等可燃成分。标标准准状状态态下下，l kg固固体体或或液液体体燃燃料料在在理理论论空空气气量量下下完完全全燃燃烧烧时时所所产产生生的的燃燃烧烧产产物物的的体体积积称称为为燃燃料料的的理理论论烟烟气量：气量：固体和液体燃料固体和液体燃料

9、理论水蒸气的体积来源三个方面：理论水蒸气的体积来源三个方面：3)随理论空气量带入的水蒸气的体积。随理论空气量带入的水蒸气的体积。设设1kg干空气中含有的水蒸气为干空气中含有的水蒸气为d(gkg)，则标准则标准状态下，状态下，lm3干空气中含有的水蒸气的质量为干空气中含有的水蒸气的质量为1.293d(kg)。实际燃烧是在过量空气实际燃烧是在过量空气(1)条件下进行的，条件下进行的，故实际烟气体积中除理论烟气量外，还有过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。量空气及随过量空气带入的水蒸气。气体燃料气体燃料燃燃气气中中各各可可燃燃组组分分单单独独燃燃烧烧后后产产生生的

10、的理理论论烟烟气量可通过燃烧反应式来确定。气量可通过燃烧反应式来确定。具体可见有关教材。具体可见有关教材。由于三原子气体、水蒸气对炉内辐射换热具有由于三原子气体、水蒸气对炉内辐射换热具有明显的影响，在进行燃烧产物计算时，还需计明显的影响，在进行燃烧产物计算时，还需计算三原子气体、水蒸气的容积份额、分压力。算三原子气体、水蒸气的容积份额、分压力。二、完全燃烧方程和不完全燃烧方程二、完全燃烧方程和不完全燃烧方程锅炉实际运行中，往往有不完全燃烧产物锅炉实际运行中，往往有不完全燃烧产物(一氧化碳、氢、碳氢化合物等一氧化碳、氢、碳氢化合物等)存在于烟存在于烟气中。气中。氢及碳氢化合物通常含量极少，可不考

11、虑，氢及碳氢化合物通常含量极少，可不考虑，而一氧化碳含量则不能忽略。而一氧化碳含量则不能忽略。烟气量一般是借助于烟气分析仪来确定的，烟气量一般是借助于烟气分析仪来确定的，即通过烟气分析测定各种成分的容积份额，即通过烟气分析测定各种成分的容积份额，并据此计算出干烟气量，同时用计算的方并据此计算出干烟气量，同时用计算的方法求出烟气中的实际水蒸气容积，然后计法求出烟气中的实际水蒸气容积，然后计算出烟气的总容积。算出烟气的总容积。用烟气分析仪测定的是干烟气中各种成分的容用烟气分析仪测定的是干烟气中各种成分的容积份额：积份额：由碳的燃烧化学反应式可知，无论是生由碳的燃烧化学反应式可知，无论是生成二氧化碳

12、还是一氧化碳、二氧化碳兼成二氧化碳还是一氧化碳、二氧化碳兼有，其总容积是相同的，即有，其总容积是相同的，即代人上式，得代人上式，得由由上上式式计计算算出出的的干干烟烟气气容容积积与与水水蒸蒸气气容容积之和即为不完全燃烧时的烟气总容积。积之和即为不完全燃烧时的烟气总容积。当当不不考考虑虑烟烟气气中中含含量量极极微微的的氢氢及及碳碳氢氢化化合合物物时时，不不完完全全燃燃烧烧时时的的烟烟气气成成分分可可表表示为示为RO2+O2+CO十十N2=100其其中中，三三原原子子气气体体与与氧氧所所占占干干烟烟气气的的份份额可由烟气分析仪测定。额可由烟气分析仪测定。三原子气体、一氧化碳和水蒸气生成时所消耗的三

13、原子气体、一氧化碳和水蒸气生成时所消耗的氧，可根据它们的燃烧化学反应式予以确定，即氧，可根据它们的燃烧化学反应式予以确定，即此式称为不完全燃烧方程式。此式称为不完全燃烧方程式。表示有不完全燃烧产物且只考虑一氧化碳表示有不完全燃烧产物且只考虑一氧化碳时，烟气中各种成分的容积份额与燃料中时，烟气中各种成分的容积份额与燃料中元素组成成分之间应满足的关系。元素组成成分之间应满足的关系。因因此此，当当烟烟气气中中剩剩余余氧氧为为零零(即即=1)=1)时时，烟烟气气中中RORO2 2值达到最大，即值达到最大，即锅炉运行时的过量空气系数锅炉运行时的过量空气系数可根据烟气分析可根据烟气分析的结果予以确定。的结

14、果予以确定。由于燃料中的氮含量很少，燃烧后燃料释放出由于燃料中的氮含量很少，燃烧后燃料释放出来的氮的容积远小于烟气中氮的容积，即来的氮的容积远小于烟气中氮的容积，即完全燃烧时，干烟气的组分为完全燃烧时，干烟气的组分为R02+O2十十N2=100，即即N2=100(R02+O)，于是，上式成为于是，上式成为当通过烟气分析测出当通过烟气分析测出RO2和和O2之后，便可之后，便可由上式求得过量空气系数。由上式求得过量空气系数。不完全燃烧时，烟气中的氧既来自过量空不完全燃烧时，烟气中的氧既来自过量空气，也来自理论空气中由于碳不完全燃烧气，也来自理论空气中由于碳不完全燃烧而未消耗的氧。若不完全燃烧产生中

15、仅考而未消耗的氧。若不完全燃烧产生中仅考虑虑CO时，未消耗的氧的体积份额为时，未消耗的氧的体积份额为0.5CO，即过量空气中的氧应为烟气分析测定的即过量空气中的氧应为烟气分析测定的氧减去氧减去0.5CO。因此因此此时，干烟气中氮的容积份额为此时，干烟气中氮的容积份额为43 43 燃燃烧烧温度和烟气温度和烟气焓焓燃燃料料和和空空气气送送入入炉炉内内进进行行燃燃烧烧，它它们们带带入入的热量包括两部分：的热量包括两部分：其其一一是是由由燃燃料料和和空空气气带带入入的的物物理理显显热热(燃燃料和空气的热焓料和空气的热焓)；其二是燃料的化学热量其二是燃料的化学热量(发热值发热值)。如果燃烧过程在绝热条件

16、下进行，上述如果燃烧过程在绝热条件下进行，上述两种热量全部用于加热烟气本身，则烟气两种热量全部用于加热烟气本身，则烟气所能达到的温度称为热量计温度。所能达到的温度称为热量计温度。标准状态下，燃料燃烧前后的热平衡方程式为标准状态下，燃料燃烧前后的热平衡方程式为如果在热平衡方程式中扣除化学不完如果在热平衡方程式中扣除化学不完全燃烧全燃烧(包括包括CO2和和H2O的分解吸热的分解吸热)而损失的热量和机械不完全燃烧而损而损失的热量和机械不完全燃烧而损失的热量后（即燃烧为实际状态），失的热量后（即燃烧为实际状态），全部热量用来加热烟气后所获得的烟全部热量用来加热烟气后所获得的烟气温度称为气温度称为理论燃

17、烧温度理论燃烧温度或绝热火焰温度。或绝热火焰温度。理理论论燃燃烧烧温温度度的的高高低低与与燃燃料料的的热热值值、燃燃烧烧产产物物的的热热容容量量、燃燃烧烧产产物物的的数数量量、燃燃料料与与空空气气的的温温度度和和过量空气系数等因素有关。过量空气系数等因素有关。一般说来，理论燃烧温度随燃料的热值的增大而一般说来，理论燃烧温度随燃料的热值的增大而增大。增大。当燃料中含有较多的重烃时，由于热值增高，理当燃料中含有较多的重烃时，由于热值增高，理论燃烧温度也增高。论燃烧温度也增高。但是，有时热值较低的燃料的理论燃烧温度可能但是，有时热值较低的燃料的理论燃烧温度可能高于热值较高的燃料的理论燃烧温度。这主要

18、是高于热值较高的燃料的理论燃烧温度。这主要是燃烧产物的数量和比热等因素起了主要作用。燃烧产物的数量和比热等因素起了主要作用。若若过过量量空空气气系系数数太太小小，由由于于燃燃烧烧不不完完全全，不不完完全燃烧热损失增大，使得理论燃烧温度降低。全燃烧热损失增大，使得理论燃烧温度降低。若若过过量量空空气气系系数数太太大大，则则增增加加了了燃燃烧烧产产物物的的数数量，使燃烧温度也降低。量，使燃烧温度也降低。因因此此，为为了了提提高高燃燃烧烧温温度度，应应在在保保证证完完全全燃燃烧烧的前提下尽量降低过量空气系数的数值。的前提下尽量降低过量空气系数的数值。预预热热空空气气和和燃燃料料均均可可提提高高理理论

19、论燃燃烧烧温温度度。由由于于燃燃烧烧时时空空气气量量比比燃燃料料量量大大，预预热热空空气气对对提提高高理理论燃烧温度的影响更为明显。论燃烧温度的影响更为明显。由于吸热和散热，炉膛内的实际燃烧温度比理由于吸热和散热，炉膛内的实际燃烧温度比理论燃烧温度要低得多。论燃烧温度要低得多。二、烟气焓值的确定二、烟气焓值的确定在在锅锅炉炉的的热热力力计计算算或或热热工工试试验验时时，常常常常需需要要根根据据烟烟气气的的温温度度求求得得烟烟气气的的焓焓或或者者由由烟烟气的焓求得烟气的温度。气的焓求得烟气的温度。烟气焓的计算是以烟气焓的计算是以1kg固体及液体燃料或标固体及液体燃料或标准状态下准状态下1m3气体

20、燃料为基础进行计算的，气体燃料为基础进行计算的，并且以并且以0作为起算点。作为起算点。烟气焓值等于理论烟气焓、过量空气焓和飞灰烟气焓值等于理论烟气焓、过量空气焓和飞灰焓之和。焓之和。各种成分的平均定压比热见表各种成分的平均定压比热见表4-8.4444锅炉的热平衡锅炉的热平衡一、锅炉热效率一、锅炉热效率1.1.锅炉热平衡锅炉热平衡 在稳定运行状态下，锅炉输入热量与输出热量及在稳定运行状态下，锅炉输入热量与输出热量及各项热损失之间的热量平衡。各项热损失之间的热量平衡。热平衡是以热平衡是以1 1kgkg固体或液体燃料，或固体或液体燃料，或00、0.1 0.1 MPa MPa 的的1 1m m3 3气

21、体燃料为基础进行计算的。气体燃料为基础进行计算的。通过热平衡可知锅炉的有效利用热量、各项热损通过热平衡可知锅炉的有效利用热量、各项热损失，从而计算锅炉效率和燃料消耗量。失，从而计算锅炉效率和燃料消耗量。一般的热平衡方程式为一般的热平衡方程式为 用方程右侧各项热量占输入热量的比值百分数用方程右侧各项热量占输入热量的比值百分数来表示，则为来表示，则为 锅炉输入热量是由锅炉范围以外输入的热量，锅炉输入热量是由锅炉范围以外输入的热量，不包括锅炉范围内循环的热量。不包括锅炉范围内循环的热量。各项热量的计算公式为：各项热量的计算公式为：2.2.锅炉有效利用热锅炉有效利用热二、各项热损失二、各项热损失CO、

22、H2、CH4等可燃气体未燃烧放热就随烟气离等可燃气体未燃烧放热就随烟气离开锅炉而造成的热损失，也称化学不完全燃烧损失。开锅炉而造成的热损失，也称化学不完全燃烧损失。锅炉运行中可用下式计算。锅炉运行中可用下式计算。3.排烟热损失排烟热损失排烟物理显热造成的热损失，等于排烟焓与入排烟物理显热造成的热损失，等于排烟焓与入炉空气焓之差。炉空气焓之差。影响散热损失的主要因素有：锅炉影响散热损失的主要因素有：锅炉外表面积的大小、外表面温度、炉外表面积的大小、外表面温度、炉墙结构、保温隔热性能及环境温度墙结构、保温隔热性能及环境温度等。等。三、燃料消耗量三、燃料消耗量 大型煤粉燃烧锅炉和循环流化床锅炉的燃烧

23、大型煤粉燃烧锅炉和循环流化床锅炉的燃烧效率可达到效率可达到98%99%以上。以上。四、我国热效率计算方法同其他国家计算方法的比较四、我国热效率计算方法同其他国家计算方法的比较不同的锅炉热力计算方法，对热损失的界定是不同的。不同的锅炉热力计算方法，对热损失的界定是不同的。以上介绍的是前苏联以上介绍的是前苏联1973年锅炉热力计算标准方法和年锅炉热力计算标准方法和我国采用的方法。我国采用的方法。随着同世界其他国家之间工业与技术交流及合作的发随着同世界其他国家之间工业与技术交流及合作的发展，掌握锅炉热力计算的我国国家标准同其他国家的展，掌握锅炉热力计算的我国国家标准同其他国家的标准之间的差别是非常有意义的。主要有标准之间的差别是非常有意义的。主要有ASMEPTC4.1标准及德国标准及德国DIN标准。标准。80年年代代我我国国三三大大锅锅炉炉厂厂从从美美国国燃燃烧烧工工程程公公司司（CE）引引进进锅锅炉炉设设计计制制造造技技术术后后，所所生生产产的的引引进进型型300MW、600MW、锅锅炉炉采采用用的的是是CE公公司司的的计计算算方方法法。该该方方法法是是根根据据美美国国机机械械工工程程师师学学会会动动力力试试验验规规程程（ASMEPTC4.1）.