第二节 燃料特性与热工计算

FC
ad
= 100 % − M
ad
− A ad − V ad
一. 锅炉使用的燃料
煤的发热量：
1.) 煤的高位发热量（Qgr） 煤的高位发热量（
S Qgr .v.ad = Qdt .v.ad − 94.2 wad + aQdt .v.ad
(
)
将煤燃烧后所产生的水蒸气的潜热计入时称为煤的高位 发热量。 2.) 煤的低位发热量（Qnet）： 煤的低位发热量（
第二节 燃料特性与热工计算
一. 锅炉使用的燃料 二. 燃烧计算与热平衡计算
(一) 锅炉燃烧计算 (二) 锅炉热平衡计算 燃烧过程 传热过程
第二节
燃料特性与热工计算 学习要求
通过本节的学习,同学们要掌握和了解的知识: 1. 要了解燃料的基本组成成分(元素)及其对燃烧 的影响; 2. 要掌握锅炉的燃烧及热平衡计算
f f M H Qnet .v.ad = Qgr .v.ad − 25( wad + 9wad )
不计水蒸气时的潜热称为煤的低位发热量。
一. 锅炉使用的燃料
我国在有关锅炉计算中以煤的低位发热量为准。 我国在有关锅炉计算中以煤的低位发热量为准。 煤的发热量测定: 煤的发热量测定: 煤的发热量由氧弹测热器测定。 煤的发热量换算: 煤的发热量换算:
干燥无灰基（daf） 除去水分、灰分。
Cdaf + H daf + Odaf + N daf + S daf = 100%
一. 锅炉使用的燃料
四种基准之间存在一定关系，可以相互转换。
x = Kx
0
一. 锅炉使用的燃料
一. 锅炉使用的燃料
(四) 燃料的性质 1.煤的基本性质、成分及发热量 (1)煤的基本性质 动力煤以依据挥发分多少,并考虑煤的水分及灰分而分为 无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤.
一. 锅炉使用的燃料
5. 灰分 灰分(A) 灰分是燃料中不可燃的矿物质,其主要成分为
(锌)SiO2、(铅)Al2O2、(铁)Fe2O3、(钙)CaO、(镁)MgO、 (磷)P2O5、(钾)K2O、Na2O等. 灰分存在对燃烧的不利因素: 灰分存在对燃烧的不利因素: A. 使燃料的发热量降低; B. 影响燃料中的挥发物的析出和着火燃烧; C. 增加了锅炉锅炉受热面积灰、结渣、磨损和腐蚀的可 能性,并且严重污染环境. 灰分是影响燃料质量的重要指标; 灰分的含量差别很大, 气体燃料基本上无灰, 固体燃料一般含灰分的质量分数为8%～35%,有的高达 50%～60%.
二.燃烧计算与热平衡计算
在锅炉实际运行中的过量空气系数通过测量烟气中的三原子 气体、氧量和可燃气体的体积分数计算：
α = ϕ O 2 − 0 . 5ϕ CO 100 − (ϕ RO 2 + ϕ O 2 + ϕ CO
21
21 − 79
ϕ 式中： O 2
)
— 烟气中氧气的体积分数（%） —烟气中一氧化碳的体积分数（%） —烟气中三原子气体的体积分数（%）
一. 锅炉使用的燃料
一. 锅炉使用的燃料
（二）燃料的组成
固体燃料的主要成分是碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)、灰 分(A)及水分(M). 液体燃料的成分也是碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)、灰分 (A)及水分(M)，但是碳和氢含量较高. 气体燃料有天然气和人造气，天然气分气田气和油田伴生 气，气田气主要成分为甲烷；油田气成分除甲烷外，还有丙 烷、丁烷等烷烃类。
一. 锅炉使用的燃料
6. 水分 水分(M)
其质量分数变化很大,少则百分之几,多则可达40%～ 50%. 水分增加会降低燃烧室温度,影响燃料的着火,增加烟气容 积,加剧低温腐蚀和灰堵.
一. 锅炉使用的燃料
(三)燃料成分的基准及其换算
煤的元素分析和工业分析应严格按照国家标准规定进行， 煤的元素分析和工业分析应严格按照国家标准规定进行，并可用几种 基准来表示： 基准来表示： 收到基（ar） 它是以入炉煤为基准;
0
=
= 0 . 0889 K
ar
+ 0 . 265 H
ar
− 0 . 0333 O ar
式中：Kar=Car+0.375Sar 为1㎏燃料中的“当量含碳量”。 1m3干气体燃料的理论空气量：
L0 = 1.293V 0 = 0.115K ar + 0.342 H ar − 0.043Oar
二.燃烧计算与热平衡计算
Oad = 100% − (Cad + H ad + N ad + S ad + Aad + M ad )
煤的工业分析成分： 工业分析的形式表达，即除了灰分、和水分之外，把可燃质部分分成挥发 分（V）和固定碳（FC）两部分，如图2-5所示。工业分析的内容还包括 了表示煤的技术使用价值的参数 — 发热值Q。 工业分析测出水分、灰分、挥发分后，固定碳按下式计算：
理论烟气量：
0 0 0 0 Vy0 = Vgy + VH 2O = VRO 2 + VN 2 + VH 2O
实际烟气量：
Vy = VRO 2 + VN 2 + VO 2 + VH 2O
0 0 = VRO 2 + VN 2 + VH 2O + 1.016(α − 1)V 0
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一. 锅炉使用的燃料
1. 2. 3.
4.
碳(C),碳元素包括固定碳(挥发分放出剩下的纯碳)和挥发 分中的碳(包括CH2、C2H4、CO等中的碳). 氢(H) ,以碳氢化合物的状态存在,在气体和液体燃料中的 氢的含量要高的多. 氧(O)和氮(N) ,氧以游离状态和化合物状态存在,氧与燃 料中一部分碳和氢组成化合物了可以燃烧的碳氢元素,使 燃料中的可燃元素相对减少,发热量下降. 氮的质量分数虽然只有0.5%～2.5%,但它是有害元素. 硫(S) 硫在煤中常以有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫的形式 存在,前两种硫均能燃烧放出少量热量,而硫酸盐硫不能参 与燃烧
第二节 燃料特性与热工计算
一. 锅炉使用的燃料
（一）燃料的分类 （二）燃料的组成 （三）燃料成分的基准及其换算 （四）燃料的性质
一. 锅炉使用的燃料 （一）燃料的分类
核燃料 有机燃料 燃料是一种由有机可燃物、不可燃无机矿物质(灰分)和水分 等物质组成的复杂的混合物。 有机燃料可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料
一. 锅炉使用的燃料
2. 生物质 生物质由C、H、O、N、S、P、K、A和M等成分组成,是空 气中的CO2、水和太阳光通过光合作用的产物。 生物质的特性：挥发分高，炭活性高，硫、氮的质量分数 低（Sad=0.1%～1.5%,Nad=0.5%～3.0%),灰分低，但磷、钾 的质量分数高，燃烧后对金属壁面的腐蚀和灰的粘结较严重。 生物质分为四类： 木本植物、草本植物、水生植物和肥料。 密度为400～900㎏/m3, 发热量为17600～22600kJ/㎏. 表2-7几种生物质的工业成分和元素成分。
二.燃烧计算与热平衡计算
(一)燃烧计算 确定燃料燃烧所需的空气量、烟气产物、烟气量以及它们焓 值; (二)锅炉热平衡计算 确定锅炉的各项热损失、锅炉效率以及燃料消耗量.
二.燃烧计算与热平衡计算
燃烧反应: 碳(C): 氢(H2):
C + O 2 → CO 2 + 32860 kJ / kg
2 H 2 + O2 → 2 H 2O + 120370kJ / kg
2.
实际空气量、过量空气系数和漏风系数
过量空气系数：实际空气量与理论空气量的比值。它是一个影响锅炉燃 烧工况及运行经济性的非常重要的指标。
用于烟气量计算
α=
β=
V V0
V V0
用于空气量计算
炉膛出口的过量空气系数取值： 燃煤锅炉 1.2～1.3 燃油锅炉 1.05～1.10 燃气锅炉 1.03～1.10
ϕCO
ϕ RO 2
二.燃烧计算与热平衡计算
漏风系数： 锅炉各部件所在烟道处漏入的空气量∆v与理论空气量的比值，称为 该烟道的漏风系数∆α： ∆V ∆α = 0 V 烟道漏风系数的大小取决于负压得大小及烟道的结构形式，一般为 0.01～0.1。
二.燃烧计算与热平衡计算
3.
固体及液体燃料理论烟气量和实际烟气量
一. 锅炉使用的燃料
4. 气体燃料
天然气和人工气体。主要可燃成分：甲烷（C2 H6) 、氢气 (H2) 、一氧化碳(CO) 、乙烯(C2 H4)、硫化氢(H2 S)等，不主 要可燃成分：二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和少量的氧 气（O2）。 天然气体燃料：气田气、油田气、煤田气。 气田气：90%以上甲烷，低位热值为35000～39000kJ/m3; 油田气: 80%以上甲烷， 煤田气：50%以上甲烷，低位热值为13000～19000kJ/m3 人工气体燃料：气化炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气和转炉 煤气、液化石油气、油制气、沼气
一. 锅炉使用的燃料
一. 锅炉使用的燃料
3.
燃料油
锅炉常用的燃油：柴油和重油。 柴油一般用于中、小型工业锅炉和生活锅炉，重油多用于电站锅炉的 点火及低负荷运行时的稳燃。 特性指标： 黏度 ： 用恩氏黏度E 表示 凝固点： 表征燃油丧失流动性能时的温度 闪点及燃点 ：在常压下，油气与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混合物遇 到明火能着火燃烧并持续燃烧5s以上的最低油温。 硫含量：低硫油（Sar<0.5%) 、中硫油（Sar<0.5%～2%) 和高硫油 （Sar> 2%) 。 灰分：在重油中的灰分虽少，但灰分中常含有钒、钠、钾、钙等的化 合物，其燃烧产物的熔点很低，约为600℃，对于壁温高于610℃的受 热面会产生高温腐蚀。
煤种
干燥无灰 基挥发分 (%) 10
碳(%)
灰分 (%)
水分
发热量 (kJ/kg) 21000 ～ 32500
其他
无烟煤
40 (95)
不高
不高
挥发分析出温度 高,着火和燃尽 困难 易着火和燃尽, 对高灰分劣质烟 煤则不然 燃烧特性优于无 烟煤,但仍属反 应性能差的煤.
烟煤
20～45
40～60
45～ 50
硫(S): S + O2 → SO2 + 9050kJ / kg 当燃烧中空气不足或混合不好,则燃料中的碳产生不完全 燃烧而生成一氧化碳,所放出的反应热也相应减少:
2C + O2 → 2CO + 9270kJ / kg
二.燃烧计算与热平衡计算
1.
固体及液体燃料的理论空气量
1kmol 气体在标准状态下（t=273.15K,p=0.1013MPa),其体积为 22.4m3。1㎏固体及液体燃料或标态下1m3干气体燃料为单位，所需 理论空气量：
20000～ 30000
贫煤
10～20 (14～20) 40 以 上 10 ～ 40 10000 ～ 20000
褐煤
40～50
挥发分析出温度 低,易着火和燃 烧
一. 锅炉使用的燃料
（2）煤的成分 煤的元素分析成分： 煤可燃质中的碳、氢、氧、氮和硫，以及不可燃的灰分、水分构成对煤的 煤可燃 元素分析成分。 元素分析测出碳、氢、氮和硫，氧质量分数可计算出：
V 1 C ar H ar S O 1 . 866 + 5 . 55 + 0 . 7 ar − 0 . 7 ar 0 . 21 100 100 100 100 = 0 . 0889 (C ar + 0 . 375 S ar ) + 0 . 265 H ar − 0 . 0333 O ar
燃料燃烧后生成的产物即为烟气，如果烟气中没有可燃物质称之为完全燃烧。 当给理论空气量时，燃烧产生的烟气量称之为理论烟气量。 当有过量空气时，燃烧产生的烟气量称之为实际烟气量。 理论烟气的组成为CO2，SO2，N2和H2O。其中CO2，SO2同属三原子气体。 当不完全燃烧时，气体中还将含有CO，CH4和H2等可燃成分。
C ar + H ar + Oar + N ar + S ar + Aar + M ar = 100%
空气干燥基（ad） 以风干状态煤为基准；
Cad + H ad + Oad + N ad + S ad + Aad + M ad = 100%
干燥基（d） 除去全部水分；
Cd + H d + Od + N d + S d + Ad = 100%
对高位发热量来说,水分只是占据了重量的一定份额而使发热量降低. 但由于低位发热量,水分不仅占据了重量的一定份额而且还要吸收汽化 潜热. 在各种“基”的高位发热量之间,可以直接乘上换算系数(表2-6)进行换 算. 对于低位发热量则不然,应将低位发热量先化为已知基的高位发热量, 再按表2-6化成欲求基的高位发热量,再求出其低位发热量.