第三章 锅炉物质平衡和热平衡热能与动力工程热能与动力工程第一节 燃烧所需空气量及过量空气系数 慨念：理想气体慨念：理想气体标准状态标准状态22.4Nm3/kg一、理论空气量一、理论空气量定义：定义：1燃料完全燃烧、无剩余氧燃料完全燃烧、无剩余氧 表示：表示：Vo ，Nm3/kg 推导：以碳的完全燃烧为例推导：以碳的完全燃烧为例 热能与动力工程热能与动力工程1kg收到基燃料含有 碳，完全燃烧时需要的氧量为：同样可得到：1kg燃料中含有氧量为：由此可得：热能与动力工程热能与动力工程所以，所以，1kg应用基燃料完全燃烧的理论空气量为应用基燃料完全燃烧的理论空气量为当量碳量当量碳量以上所计算的空气量都是干空气量！以上所计算的空气量都是干空气量！热能与动力工程热能与动力工程定义：定义：二、实际供给空气量及过量空气系数二、实际供给空气量及过量空气系数 表示：表示：“过量空气系数过量空气系数”、“过量空气量过量空气量”n炉膛出口过量空气系数炉膛出口过量空气系数 的作用及的作用及最佳值最佳值与燃料种类、燃烧方式以及燃烧设备的完善程度有关热能与动力工程热能与动力工程炉膛出口固态排渣煤粉炉中，无烟煤和贫煤的炉膛出口过量空气系数为1.25，而烟煤与褐煤则为1.20。思考：这是为什么？热能与动力工程热能与动力工程第二节 烟气成分及其烟气量的计算 一、烟气成分一、烟气成分 当当 =1并且完全燃烧时，烟气由并且完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、N2和和H2O组成，组成，其容积为其容积为当当 1并且完全燃烧时，烟气由并且完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、O2 、 N2和和H2O组成，其容积为组成，其容积为热能与动力工程热能与动力工程当当 1且不完全燃烧时，烟气由且不完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、CO、O2 、 N2和和H2O组成，其容积为组成，其容积为二、二、根据燃烧化学反应计算烟气容积根据燃烧化学反应计算烟气容积计算思路：计算思路： 实际烟气容积实际烟气容积=理论烟气容积理论烟气容积+过量空气容积（干）过量空气容积（干）+过量空气带入过量空气带入的水蒸气容积的水蒸气容积 或：实际烟气容积或：实际烟气容积=干烟气容积干烟气容积+水蒸气容积水蒸气容积热能与动力工程热能与动力工程（一）理论烟气容积（一）理论烟气容积定义：定义： =1并且燃料完全燃烧并且燃料完全燃烧计算：计算：（1）VRO2 的计算的计算热能与动力工程热能与动力工程（2）理论氮容积的计算）理论氮容积的计算 理论氮容积理论氮容积=理论空气中的氮理论空气中的氮+燃料中的氮燃料中的氮（3）理论水蒸气容积的计算）理论水蒸气容积的计算燃料中的氢生成的水蒸气燃料中的氢生成的水蒸气热能与动力工程热能与动力工程燃料中的水分生成的水蒸气燃料中的水分生成的水蒸气理论空气量带入的水蒸气理论空气量带入的水蒸气“空气含湿量空气含湿量dk”是指是指1kg干空气带入的水蒸气量，单位为干空气带入的水蒸气量，单位为g/kg干空气。干空气。 每标准立方米干空气带入的水蒸气容积为：每标准立方米干空气带入的水蒸气容积为：热能与动力工程热能与动力工程理论空气量带入的水蒸气容积为理论空气量带入的水蒸气容积为对于固体燃料，理论水蒸气容积为上述三部分之和，即对于固体燃料，理论水蒸气容积为上述三部分之和，即（二）实际烟气容积（二）实际烟气容积热能与动力工程热能与动力工程或者烟气的质量热能与动力工程热能与动力工程三、运行锅炉的烟气分析及计算运行锅炉的烟气分析及计算 成分：CO2、SO2、O2、CO、N2CO2SO2O2CO+N2=100%其中：CO2VCO2 / Vgy VSO2VSO2 / Vgy .热能与动力工程热能与动力工程烟气分析分析设备：奥氏分析仪顺序：RO2、O2、CO热能与动力工程热能与动力工程四、烟气中三原子气体、水蒸气容积份额和灰粒浓度烟气中三原子气体、水蒸气容积份额和灰粒浓度 （一）三原子气体容积份额及分压力（一）三原子气体容积份额及分压力（二）水蒸气容积份额及分压力（二）水蒸气容积份额及分压力热能与动力工程热能与动力工程（三）灰粒浓度（三）灰粒浓度3-2热能与动力工程热能与动力工程第三节 燃烧方程式 一、完全燃烧方程式及一、完全燃烧方程式及RO2最大值最大值 定义：定义： 1、CO=0 完全燃烧方程式为完全燃烧方程式为热能与动力工程热能与动力工程由式（由式（3-36）可以看出，当燃料的）可以看出，当燃料的 值一定时，无论过量空气值一定时，无论过量空气量如何，干烟气成分都应满足该式。如不满足，可能有以下几量如何，干烟气成分都应满足该式。如不满足，可能有以下几种情况：种情况： （1）烟气分析不准确；）烟气分析不准确；（2）有碳未燃尽；）有碳未燃尽；（3）烟气中有）烟气中有CO存在存在; （4）(2)、(3)同时存在。同时存在。在有在有CO存在时，若无未燃尽碳存在时，若无未燃尽碳,可用式可用式 （3-41）计算）计算CO . 如烟气分析完全而准确，则可用式如烟气分析完全而准确，则可用式 （3-36）求出）求出 值，并与用值，并与用式式 （3-37）求出的）求出的 值相比较，从而判断有无未燃尽碳存在。值相比较，从而判断有无未燃尽碳存在。燃料特性系数燃料特性系数热能与动力工程热能与动力工程二、不完全燃烧方程式二、不完全燃烧方程式 定义：燃料不完全燃烧时，各烟气成分之间的关系。定义：燃料不完全燃烧时，各烟气成分之间的关系。 表达：燃料的元素成分、烟气分析所得各烟气成分。表达：燃料的元素成分、烟气分析所得各烟气成分。热能与动力工程热能与动力工程第四节 根据烟气成分求过量空气系数及烟气焓 一、运行时过量空气系数的计算一、运行时过量空气系数的计算 运行时过量空气系数可以由烟气分析结果加以确定。运行时过量空气系数可以由烟气分析结果加以确定。 推导思路：利用过量空气系数的定义式和烟气成分的定义式推导思路：利用过量空气系数的定义式和烟气成分的定义式得到只包含烟气分析结果的计算公式得到只包含烟气分析结果的计算公式。推导过程要点：推导过程要点：热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 氧公式与二氧化碳公式的比较氧公式与二氧化碳公式的比较如图如图3-2所示，当所示，当 燃料成分燃料成分改变时，二改变时，二 氧化碳的含量也氧化碳的含量也随着发生变化，同一含量对随着发生变化，同一含量对应的过量空气系数差别较大，应的过量空气系数差别较大，不能正确不能正确 指导锅炉运行，容指导锅炉运行，容易引起误操作。而用烟易引起误操作。而用烟 气中气中过剩氧量来监视过剩氧量来监视 过量空气系过量空气系数大小，则燃料成分改变的数大小，则燃料成分改变的影影 响就很小。响就很小。 热能与动力工程热能与动力工程二、漏风系数的计算二、漏风系数的计算锅炉的通风方式：锅炉的通风方式：（1）锅炉通风的任务）锅炉通风的任务送入燃料燃烧需要的空气，排出燃送入燃料燃烧需要的空气，排出燃烧产生的烟气。烧产生的烟气。（2）锅炉通风的方式）锅炉通风的方式主要采用主要采用“平衡通风平衡通风”，即同时，即同时使用送风机和引风机，炉膛保持使用送风机和引风机，炉膛保持微负压微负压 的方式；另外还有的方式；另外还有“负压通风负压通风”和和“正压通风正压通风”的方式。的方式。（3）平衡通风的特点）平衡通风的特点锅炉不向外喷火焰和冒烟气，但会锅炉不向外喷火焰和冒烟气，但会有空气从未密封处或密封不严密处漏入炉膛内，从而使烟气有空气从未密封处或密封不严密处漏入炉膛内，从而使烟气沿烟气流程的过量空气系数不断增大。沿烟气流程的过量空气系数不断增大。热能与动力工程热能与动力工程“漏风系数漏风系数”的定义的定义漏风系数的表达式及其确定方法：漏风系数的表达式及其确定方法：某级受热面的漏风系数，可以根据烟气分析结果，利用以下某级受热面的漏风系数，可以根据烟气分析结果，利用以下公式进行计算。公式进行计算。热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程第五节 空气、烟气焓及焓温表热能与动力工程热能与动力工程一、焓值的概念与计算一、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；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；单单位位质质量量的的物物质质所所含含的的全全部部热热能能，仅仅与与状状态态有有关关，而而与与途途径径无关；无关；实实际际计计算算中中需需要要知知道道燃燃烧烧产产物物（常常压压）的的温温度度与与焓焓值值间间的的关关系；系；水蒸汽则需要根据温度和压力来求得焓值；水蒸汽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。前人均已经制成表格、图线或程序。热能与动力工程热能与动力工程二、空气、烟气焓值的定义二、空气、烟气焓值的定义相应于相应于1公斤收到基燃料的空气（或烟气），由温公斤收到基燃料的空气（或烟气），由温度度0加热到加热到所需要的热量，称为空气的焓或所需要的热量，称为空气的焓或烟气的焓。烟气的焓。单位：单位：kJ/kg，kcal/kg热能与动力工程热能与动力工程三、空气焓的计算三、空气焓的计算 每每标标准准立立方方米米干干空空气气连连同同其其相相应应的的水水蒸蒸汽汽在在温温度度时的焓，时的焓，kJ/Nm3，可以查表得到。可以查表得到。每公斤空气含有每公斤空气含有10克水。克水。热能与动力工程热能与动力工程四、烟气焓的计算四、烟气焓的计算1. 烟气的组成烟气的组成VyVy0VRO2V0N2V0H2O(-1)V0标米干空气的湿空气/公斤热能与动力工程热能与动力工程2烟气焓的组成烟气焓的组成热热力力学学：混混合合气气体体的的焓焓等等于于各各组组成成气气体体焓焓的的和和，外加灰分的焓。外加灰分的焓。IyIy0IRO2= VRO2I0N2= V0N2I0H2O= V0H2O(-1)I0=(-1)V0Ifh热能与动力工程热能与动力工程3理论烟气焓理论烟气焓 1m3的成分在温度时的成分在温度时的焓值，查表。的焓值，查表。热能与动力工程热能与动力工程4. 飞灰热焓值飞灰热焓值Ifh热能与动力工程热能与动力工程五、烟焓表五、烟焓表热能与动力工程热能与动力工程燃料的化学能转变为蒸汽的热能，一定存在有效利用热和燃料的化学能转变为蒸汽的热能，一定存在有效利用热和损失的热量。损失的热量。第六节 锅炉热平衡 热能与动力工程热能与动力工程一、热平衡的定义一、热平衡的定义送送入入锅锅炉炉的的燃燃料料拥拥有有热热量量等等于于锅锅炉炉的的有有效效输输出出热热量量加加上各项热损失。上各项热损失。目目的的：确确定定锅锅炉炉有有效效利利用用热热，各各项项热热损损失失，锅锅炉炉热热效效率率，燃燃料料消消耗耗量量，运运行行水水平平，原原因因及及改改进进措措施施，新新产产品的鉴定等。品的鉴定等。方法：通过锅炉机组的热平衡试验。方法：通过锅炉机组的热平衡试验。现现代代电电站站锅锅炉炉的的效效率率为为90%左左右右，容容量量越越大大、效效率率越越高。高。热能与动力工程热能与动力工程二、热平衡方程式二、热平衡方程式相应于每公斤固体及液体燃料：相应于每公斤固体及液体燃料：kJ/kg（美美国国ASME以以每每磅磅燃燃料料的的发发热热量量，德德国国以以单单位位时时间间内内所所用用燃料的发热量，燃料的发热量，kJ/s）热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热平衡的另一种表示式热平衡的另一种表示式通常用送入热量的百分比来表示：通常用送入热量的百分比来表示：热能与动力工程热能与动力工程三、锅炉的热效率三、锅炉的热效率正平衡表达式：正平衡表达式：反平衡表达式：反平衡表达式：热能与动力工程热能与动力工程四、送入锅炉的热量四、送入锅炉的热量热能与动力工程热能与动力工程五、机械不完全燃烧损失五、机械不完全燃烧损失q4 灰渣中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失；灰渣中未燃烧或未燃尽的碳粒引起的损失； 未燃尽碳粒随烟气排出炉外而引起的热损未燃尽碳粒随烟气排出炉外而引起的热损失失热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程讨论讨论在锅炉运行中，在锅炉运行中， 可以取样测得，可以取样测得， 可以查表，或做灰平衡实验得到可以查表，或做灰平衡实验得到锅炉的设计中，根据燃料的种类及燃烧方式直接锅炉的设计中，根据燃料的种类及燃烧方式直接选用：选用：0.55%大小取决于：燃料的种类（挥发份与灰分等），大小取决于：燃料的种类（挥发份与灰分等），煤粉的细度，过量空气系数，炉膛的结构（决定煤粉的细度，过量空气系数，炉膛的结构（决定了停留时间），锅炉的运行方式，炉膛的温度了停留时间），锅炉的运行方式，炉膛的温度（负荷）等（负荷）等热能与动力工程热能与动力工程对空气量和烟气量的影响对空气量和烟气量的影响假定送入锅炉的燃煤量假定送入锅炉的燃煤量B中，有中，有 的燃料根的燃料根本没有燃烧，即没有产生烟气量，也不需要空本没有燃烧，即没有产生烟气量，也不需要空气量，气量，实际上参加燃烧的不是实际送入的燃料量实际上参加燃烧的不是实际送入的燃料量B，而是计算燃料量而是计算燃料量Bj热平衡计算用实际燃料量热平衡计算用实际燃料量B，计算空气量和烟，计算空气量和烟气量时用气量时用Bj热能与动力工程热能与动力工程六、化学不完全燃烧损失六、化学不完全燃烧损失由由于于锅锅炉炉排排烟烟中中CO，H2，CH4等等可可燃燃气气体体的的存存在，所引起的热损失。在，所引起的热损失。热能与动力工程热能与动力工程讨论讨论电站锅炉可燃气体很小；电站锅炉可燃气体很小；对煤粉炉：对煤粉炉： =0；气体或液体燃料炉：气体或液体燃料炉： =0.5；层燃炉：层燃炉： =0.51.0热能与动力工程热能与动力工程七、排烟损失七、排烟损失由于排出锅炉的烟气焓高于进入锅炉时的冷空气由于排出锅炉的烟气焓高于进入锅炉时的冷空气焓而造成的热损失。焓而造成的热损失。热能与动力工程热能与动力工程影响排烟损失的主要因素：影响排烟损失的主要因素：1排烟温度：排烟温度： 温度高温度高，则损失大，提高，则损失大，提高10C，损失增加约，损失增加约1%；温温度度低低，则则金金属属的的消消耗耗大大，流流动动的的阻阻力力大大，还还可可能能造造成成受受热热面面金金属属的的低温腐蚀低温腐蚀。2排烟的容积：排烟的容积：主要决定于过量空气系数的选取：主要决定于过量空气系数的选取：过量空气系数大过量空气系数大，风机的消耗大，排烟损失增大；不完全燃烧损失小，风机的消耗大，排烟损失增大；不完全燃烧损失小过量空气系数小过量空气系数小，则可能不完全燃烧损失增大，则可能不完全燃烧损失增大。热能与动力工程热能与动力工程排烟温度与过量空气系数是一个经济技术综合考虑的参数排烟温度与过量空气系数是一个经济技术综合考虑的参数存在一个最佳存在一个最佳过量空气系数q，%qq3+q4q2最佳热能与动力工程热能与动力工程八、散热损失八、散热损失锅炉的外表面温度高于环境的温度而向外界通过锅炉的外表面温度高于环境的温度而向外界通过大空间自然对流和辐射换热。大空间自然对流和辐射换热。散热损失与锅炉的容量成反比散热损失与锅炉的容量成反比散热损失与锅炉的负荷成反比散热损失与锅炉的负荷成反比q5，%De热能与动力工程热能与动力工程九、炉渣带出的物理热损失及冷却热损失九、炉渣带出的物理热损失及冷却热损失热能与动力工程热能与动力工程十、锅炉的热效率和燃料消耗量的计算十、锅炉的热效率和燃料消耗量的计算计算煤耗：计算煤耗：Bj=B(1-q4/100)热能与动力工程热能与动力工程锅炉总的有效利用热，锅炉总的有效利用热，kcal/h，kJ/h各焓值按相应的温度和压力查表各焓值按相应的温度和压力查表热能与动力工程热能与动力工程