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1、第三章第三章 燃料燃烧计算和热平衡计算燃料燃烧计算和热平衡计算燃烧过程化学反应燃烧所需空气量燃烧产生烟气量烟气分析锅炉机组的热平衡第三章第三章 燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算基本假设：基本假设：1.空气、烟气均为理想气体，每kmol体积等于22.4Nm3；2.空气中只有O2和N2成分，其容积比为：；3.每kg燃料都是在完全燃烧的条件下计算；4.燃烧所需的空气为干空气。一一 、燃烧过程的化学反应、燃烧过程的化学反应 第三章二、理论空气量：根据上面的分析，1kg燃料完全燃烧所需要的氧气总量：1kg燃料中本身含氧Oar/100kg,标准状态下体积为：所以1kg燃料中完全燃烧真正需要由空气提供的氧：燃料
2、的燃烧计算燃料的燃烧计算2过量空气系数、实际空气量和漏风系数过量空气系数、实际空气量和漏风系数1）过过 量量 空空 气气 系系 数数 燃 烧 时 实 际 供 给 空 气 量 与 理 论 空 气 量 之 比 。炉内燃烧过程都在炉膛出口处结束，所以过量空气系数指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）实际空气量：Nm3/kg3）漏风系数）漏风系数锅炉运行时，炉中处于负负压压工工作作状状态态，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，第三章漏风系数：漏风系数：各受热面漏风量：各受热面漏风量
3、：Nm3/kg 为炉膛出口处过剩空气系数，表征炉内燃烧状况的重为炉膛出口处过剩空气系数，表征炉内燃烧状况的重要物理要物理 量，在推荐值范围内选取量，在推荐值范围内选取 为空气预热器出、为空气预热器出、进口处空气侧过剩空气系数进口处空气侧过剩空气系数 分别为炉分别为炉膛、制粉系统和空预器漏风系数膛、制粉系统和空预器漏风系数二、燃烧产物计算二、燃烧产物计算二、燃烧生成烟气量二、燃烧生成烟气量完全燃烧时烟气成分是：CO2、SO2、H2O、O2、N21理论理论烟气量烟气量的计算的计算(=1)不含有不含有O2Nm3/kg第三章CO2和和SO2：根据前面的化学反应方程式理理论水蒸气体水蒸气体积理论水蒸气体
4、积有四个理论水蒸气体积有四个来源来源：第一个来源第一个来源：氢燃烧生成水蒸气氢燃烧生成水蒸气第二个来源第二个来源：燃料中的水气化燃料中的水气化生成的水蒸气容积生成的水蒸气容积每千克燃料中本身含水，水的分子量是18，因此这些水相当于：空气中的氮空气中的氮和煤本身含有的氮煤本身含有的氮Nm3/kg(两个来源两个来源)氮气体积：氮气体积：第三个来源第三个来源：理论干空气量带入的水蒸气容积：理论干空气量带入的水蒸气容积：标准状态下，标准状态下，1kg干空气中含有的水蒸气为干空气中含有的水蒸气为d(g/kg),一般取一般取10.干空气密度干空气密度1.29 kg/m3，水蒸气密度为，水蒸气密度为0.80
5、4 kg/m3，则每，则每m3干空气所含水蒸气的体积为：干空气所含水蒸气的体积为：第四个来源第四个来源：采用蒸汽雾化设备等带入的水蒸气体积，喷入的水蒸气采用蒸汽雾化设备等带入的水蒸气体积，喷入的水蒸气 的质量为的质量为Wwh，水蒸气体积，水蒸气体积:Nm3/kg因此理论水因此理论水蒸气体积：蒸气体积：燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算2实际烟气量的计算实际烟气量的计算(1)含有过量含有过量O21）过量空气中氧容积：Nm3/kg2）过量空气中氮容积：Nm3/kg3）过量空气中水蒸汽容积：Nm3/kg4）实际烟气量实际烟气量理论烟气量与过量空气之和理论烟气量与过量空气之和Nm3/kg第二章综上：理论烟气
6、体积为：理论烟气体积为：3.不完全燃烧时烟气量不完全燃烧时烟气量不完全燃烧时，烟气的成分除了CO2、SO2、N2、O2等，还有不完全燃烧产物CO、H2、CmHn等，其中，H2、CmHn等工程上含量很少，一般可以忽略不计。因此烟气量只加CO。锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 一、烟气分析的目的一、烟气分析的目的 在锅炉运行时，通过烟气取样分析，计算出CO、，从而了解和掌握锅炉实际燃烧情况，便于制定合理的燃烧调整及燃烧设备的改进方案，从而提高燃烧效率和锅炉热效率。炉膛出口过量空气系数 有一最佳值：qmin=q2+q3+q4第二章也就是说以上三个热损失最小时对应的过量空气系数，为
7、最佳过量空气系数原因分析：1）过量空气系数增加，烟气量增大，排烟热损失增大）过量空气系数增加，烟气量增大，排烟热损失增大二、理论上烟气分析成分二、理论上烟气分析成分 1 每kg燃料完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O；2）过量空气系数减小，固体不完全热损失和气体不完全过量空气系数减小，固体不完全热损失和气体不完全 热损失增大。热损失增大。锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 2 燃料完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2；3 燃料不完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2、CO；三、烟气分析仪器及测定三、烟气分析仪器及测定1烟气分析仪烟气分析
8、仪1）奥氏分析仪）奥氏分析仪KOH或NaOH溶液吸收RO2，(%)焦性没食子酸的苛性钾溶液吸收O2及RO2，（%）氯化亚铜氨溶液吸收CO及O2，（%）第二章锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 2）色谱层析仪）色谱层析仪3）红外线烟气分析仪）红外线烟气分析仪2测定：（由锅炉实验完成）测定：（由锅炉实验完成）四、烟气成分测定的计算四、烟气成分测定的计算 1.；2.3.；4.五、烟气分析结果的应用五、烟气分析结果的应用1烟气量的计算烟气量的计算第二章锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 Nm3/kg2烟气中烟气中CO含量的计算含量的计算1）燃料特性系数）燃料特性系数
9、只与燃料的可燃成分有关，与燃料的水分、灰分无关，也不随应用基、分析基、干燥基即可燃基等而变化。2）不完全燃烧方程式）不完全燃烧方程式 3）CO含量的计算含量的计算%第二章四、烟气中CO含量计算干烟气中可燃气体成分很少，如果略去氢气，甲烷及烷烃化合物，则可以按下式估计CO含量：根据根据不完全燃烧方程式不完全燃烧方程式 式中式中 为燃料特性系数为燃料特性系数 锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 4）不完全燃烧）不完全燃烧RO2的计算的计算%5）完全燃烧方程式）完全燃烧方程式 6）在理论空气下完全燃烧时，）在理论空气下完全燃烧时，则，则%3过量空气系数的计算过量空气系数的计算1）不
10、完全燃烧时的计算 第二章锅炉运行时烟气分析及其应用锅炉运行时烟气分析及其应用 2）完全燃烧时）完全燃烧时的计算的计算 3）完全燃烧时）完全燃烧时的近似计算的近似计算在锅炉实际运行时，CO的含量一般都不高，可是为完全燃烧，而干烟气中的氮气接近 79%，即N2=79%，则：在锅炉实际运行中，常采用O2和RO2表监控第二章如果忽略烟气中的氮和硫，则有：五、五、RO和和 的确定的确定当完全燃烧时，CO0，则：因此：运行中如果发现运行中如果发现RO2的值过小，就意味着空气量过多。或者的值过小，就意味着空气量过多。或者炉墙、烟道漏风过大。炉墙、烟道漏风过大。如果如果a1，则上式氧含量为零，烟气中三原子气体
11、达到最大值。，则上式氧含量为零，烟气中三原子气体达到最大值。六、过量空气系数的确定 完全燃烧方程式：完全燃烧方程式：l l、且完全燃烧：且完全燃烧：CO=0 CO=0=1=1、且完全燃烧：且完全燃烧：CO=0CO=0，O O2 2=0=0 运行中过剩空气系数及运行中过剩空气系数及运行中过剩空气系数及运行中过剩空气系数及烟气容积的确定烟气容积的确定烟气容积的确定烟气容积的确定4/4RORO2 2、O O2 2 可由烟气分析或相关仪表测定可由烟气分析或相关仪表测定 过剩空气系数过剩空气系数 完全燃烧且不计完全燃烧且不计燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算1理论空气的焓理论空气的焓每kg固体(液体)燃料燃烧
12、时所需理论空气量，在等压下，从0加热到 所需要的热量，单位kJ/kgkJ/kg（查表3-5）2理论烟气的焓理论烟气的焓每kg固体(液体)燃料燃烧后所生成理论烟气量，在等压下，从0加热到 所需要的热量，单位kJ/kgkJ/kg式中等由表2-10查取（pp.29）3实际烟气焓实际烟气焓1）烟气中过量空气的焓：kJ/kg2）实际烟气的焓：kJ/kg 第二章三、空气和烟气的焓三、空气和烟气的焓 燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算afh入炉燃料灰分随烟气带出的灰分重量比，称飞灰份额，层燃炉afh0.20.3，煤粉炉afh0.850.9。只有当燃料中灰分很大时，才需加以考虑，即：第三章3.有烟气再循环时烟气焓的
13、计算有烟气再循环时烟气焓的计算 4.再循环率定义：再循环率定义：焓焓 温温 表表 烟气的焓值烟气的焓值 取决于取决于燃料种类、过剩空气系数及烟气温度燃料种类、过剩空气系数及烟气温度 作用：作用：由（由（、）查焓温表可很快确定烟气温度查焓温表可很快确定烟气温度 ；由（由（、）查表可很快确定烟气焓查表可很快确定烟气焓 焓温表焓温表 对给定的燃料和各受热面前、后的过剩空气系数对给定的燃料和各受热面前、后的过剩空气系数计算出计算出该受热面对应烟气温度该受热面对应烟气温度 范围内的烟气焓范围内的烟气焓 ，制成的烟气（，制成的烟气（）表）表 锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 固体不完全燃烧热损
14、失固体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失排烟热损失排烟热损失 锅炉机组的热平衡锅炉机组的热平衡散热损失散热损失其它热损失其它热损失锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 锅锅炉炉热热平平衡衡是研究燃料的热量在锅炉中利用的情况，有多少被有效利用，有多少变成了热量损失，这些损失又表现在哪些方面以及它们产生的原因。研究的目的是为了有效地提高锅炉热效率热热效效率率是锅炉的重要技术经济指标，它表明锅炉设备的完善程度和运行管理的水平。提高锅炉热效率以节约燃料，是锅炉运行管理的一个重要方面。为了全面评定锅炉的工作状况，必须对锅炉进行测试，这种试验称为锅锅炉炉的的热热平平衡衡(或或
15、热热效效率率)试试验验。通过测试进行分析概括了解锅炉热效率的影响因素得出较先进的运行经验数据，作为设计锅炉和改进运行的可靠依据。一、锅炉热平衡一、锅炉热平衡1锅炉热平衡方程式锅炉热平衡方程式锅炉热平衡是以lkg固体燃料或液体燃料(气体燃料以1Nm3)为单位组成热量平衡的。1kg燃料带入炉内的热量及锅炉有效利用热量和损失热量之间的关系可参考图 锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 锅炉热平衡的公式可写为：锅炉热平衡的公式可写为：kJkg (3-la)Qr每公斤燃料带入锅炉的热量，kJ/kg；Q1锅炉有效利用热量kJ/kg；Q2排出烟气带走的热量，称为锅炉排烟热损失，kJ/kgQ3未燃完可
16、燃气体所带走的热量，称为气体不完全燃烧热损失（化学不完全烧热损失），kJ/kg；Q4未燃完的固体燃料所带走的热量，称为固体不完全燃烧热损失（机械不完全燃烧热损失），kJ/kg；Q5锅炉散热损失，kJ/kg；Q6灰渣物理热损失及其他热损失，kJ/kg。Qr Q5 Q2 Q6 Q3 Q4 Q1 锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 如果在等式(3-la)两边分别除以Qr，则锅炉热平衡就以带入热量的百分数来表示，即：2燃料带入锅炉的热量燃料带入锅炉的热量Qr它由以下几个部分组成：Qnet,ar:燃料的收到基低位发热量燃料的收到基低位发热量,kj/kg1）燃料的物理显热）燃料的物理显热 ir（
17、1）固体燃料应用基比热：）固体燃料应用基比热：kJ/kg（2）液体燃料应用基比热：）液体燃料应用基比热：kJ/kg 2）蒸汽带入热）蒸汽带入热Qzq当用蒸汽雾化重油或喷入锅炉蒸汽时考虑式中2500排烟中蒸汽焓近似值，kJ/kg锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 3）外外来来热热量量Qwl当用锅炉范围以外的废气、废热等来预热空气时考虑一般情况下：二、锅炉热效率二、锅炉热效率1锅炉正平衡热效率锅炉正平衡热效率1）锅炉有效利用热量Qgl 2）锅炉每小时有效利用热量Qgl kJ/kgkJ/h（1）饱和蒸汽焓：r-汽化潜热，kJ/kgW-蒸汽湿度蒸发量排污水焓给水焓排污水量锅炉热平衡及锅炉热效
18、率锅炉热平衡及锅炉热效率 1）锅炉有效利用热量Qgl 2）锅炉每小时有效利用热量Qgl kJ/kgkJ/h（1）饱和蒸汽焓：r-汽化潜热，kJ/kgW-蒸汽湿度kJ/h式中igs，ips锅炉给水和排污水焓，kJ/kg；干饱和蒸汽的焓，kJ/kg；i1，i2锅炉进、出热水的焓，kJ/kg；所以，kJ/h（2）热水锅炉每小时有效利用热量Qgl2锅炉反平衡热效率锅炉反平衡热效率%锅炉正平衡只能求得锅炉的热效率，不能据此研究和分析影响锅炉热效率的种种因素，以寻求提高热效率的途径。而反平衡则是依据对各种热损失的测定来计算其锅炉热效率。对小型锅炉而言，一般以正平衡为主，反平衡为辅。对于大型锅炉，由于不易准
19、确测定燃料消耗量，其锅炉热平衡主要靠反平衡求得。排烟损失气体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失散热损失其他热损失锅炉热平衡及锅炉热效率锅炉热平衡及锅炉热效率 r-汽化潜热，kJ/kgW-蒸汽湿度热平衡试验在精度上有一定要求：(1)只进行正平衡试验，要求应进行两次测试偏差在4%以内(2)同时进行正、反平衡实验时，两种方法测试偏差应在5%以内(3)只以反平衡法进行测定时，两次测试偏差应在6%以内3锅炉的毛效率及净效率锅炉的毛效率及净效率锅炉的毛效率通常所指的锅炉效率都是毛效率锅炉的净效率 是在毛效率基础上扣除锅炉自用汽和电能消耗后的效率。式中自用汽和自用电能消耗所相当的锅炉效率降低值Dz自用汽消
20、耗量，t/h；Nz自用电耗量，kWh/hb生产每度电的标准煤，kg/kWh，取0.407kg/kWh 固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失q4 一、形成一、形成灰渣损失 ：未参与燃烧或未燃尽的碳粒与灰渣一同落入灰斗所造成的损失。漏煤损失 ：部分燃料经炉排落入灰坑造成的损失。对于煤粉炉，则飞灰损失 ：未燃尽的碳粒随烟气带走所造成的损失二、影响因素二、影响因素1燃料特性对燃料特性对q4的影响的影响 当燃用灰分含量高和灰分熔点低的煤时，它的固态可燃物被灰包裹，难以燃尽，灰渣损失大。当燃用挥发物低而焦结性强的煤时，燃烧过程主要集中在炉排上，燃烧层温度高，较易形成熔渣，阻碍通风，既加重司炉拨火的工作
21、量，又增加灰渣损失。当燃用水分低，焦结性弱而细末又多的煤时，特别是在提高燃烧强度而增强通风的情况下，飞灰损失就增加。固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失q4 2燃烧方式对燃烧方式对q4的影响：的影响：不同燃烧方式的q4数值差别很大，如机械威风力抛煤机炉的飞灰损失就较链条炉大。煤粉炉没有漏煤损失，但它的飞灰损失却比层燃炉大得多。沸腾炉在燃用石煤或煤矸石时，飞灰损失将更大。3炉子结构对炉子结构对q4的影响的影响 层燃炉的炉拱，二次风以及炉排的大小，长短和通风孔隙的大小等对燃烧都有影响。如炉排的通风孔隙较大面又燃用细末多的燃料时，漏煤损失就会有较大的增加。煤粉炉炉膛的高低、燃烧器布置的位置等也对
22、燃烧有影响。如炉膛尺寸过小，烟气在炉内的流程及停留时间过短，燃料来不及燃尽而被烟气带走，使飞灰损失增大。4锅炉运行工况对锅炉运行工况对q4的影响的影响 运行时锅炉负荷增加，相应地穿过燃料层和炉膛的气流速度迅速增加，以致飞灰损失也加大。此外，层燃炉运行时的煤层厚度、链条炉炉排速度以及风量分配，煤粉炉运行时的煤粉细度及配风操作等对q4也有影响。过量空气系数对q4也有影响，如 太低，q4会增加，而随稍增，则q4会有所降低。固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失q4 三、固体不完全燃烧热损失的测定和计算三、固体不完全燃烧热损失的测定和计算1测定数据测定数据在锅炉正常运行工况下，定时收集 、（kg/h
23、）)取样分析：(1)可燃物百分数：Rhz、Rlm、Rfh(%)；(2)可燃物的发热量：（kJ/kg）2计算公式计算公式（kJ/kg）%（kJ/kg）（kJ/kg）（kJ/kg）固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失q4 3灰平衡方程灰平衡方程热平衡试验中，飞灰量很难准确测定，一般通过灰平衡方法解决。灰平衡方法解决。灰平衡灰平衡：进入炉内燃料的总灰量应等于灰渣、漏煤及飞灰灰渣、漏煤及飞灰之和 令：,则：灰平衡方程为：灰平衡方程为：上式两边分别乘以 固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失%气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失q3 q3 一、气体不完全燃烧热损失的形成一、气体不完全燃烧热损失
24、的形成 q3是由于部分CO、H2、CH4等可燃气体未燃烧放热就随烟气排出所造成的。二、影响因素二、影响因素 1炉子结构的影响炉子结构的影响炉膛高度不够或炉膛体积太小，烟气流程过短，使烟气中一些可燃气体未能燃尽而离开炉子，增大q3损失。当炉内水冷壁布置过多时，会使炉膛温度过低，不利于燃烧反应，也会增大q3损失。2燃料特性的影响燃料特性的影响一般挥发份高的燃料，在其它条件相同时，q3损失相对要大一些。3燃烧方式的影响燃烧方式的影响炉子的过量空气系数、二次风的引入和分布以及炉内气流的混合与扰动等都影响q3的大小。a取得过小；a取得过大；层燃炉燃料层过厚；当负荷增加时气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧
25、热损失q3 q3 三、气体不完全燃烧热损失的测定及计算三、气体不完全燃烧热损失的测定及计算1测定用烟气分析方法测出 （Nm3/kg燃料）2计算公式%式中：，Nm3/kg燃料：是考虑固体不完全燃烧的修正；实际燃烧的燃料量CO2、H2、CH4：干烟气中CO、H2、CH4的容积百分数，由热平衡试验通过验器分析仪测得。由于实际运行中，烟气中H2、CH4的含量极少，可忽略不计，计算简化：气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失q3 q3 3缺少元素成分资料时缺少元素成分资料时 排烟热损失排烟热损失q2 排烟热损失排烟热损失：是指由排烟所带走的热量损失，烟气离开锅炉排入大气时，其温度比进入锅炉的空气温度高
26、很多。一、形成及其影响因素一、形成及其影响因素 影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟容积1排烟温度排烟温度排烟温度越高，排烟热损失越大。一般排烟温度每提高1215，q2 q2将提高1%。排烟温度过低经济上是不合理的，甚至技术上是不允许的。（1）因尾部受热面处于低温烟道，烟气与工质的传传热热温温差差小小，传热较弱，若排烟温度降得过低，传热温差也就更小，换热所需金属受热面就大大增加。（2）为了避免尾部受受热热面面的的腐腐蚀蚀，排烟温度也不宜过低。当然用含硫分较高的燃料时，排烟温度相应要高一些。因此必须根据燃料与金属耗量进行技术经济比较来合理确定排烟温度。供热锅炉的排烟温度在150200范围内。
27、排烟热损失排烟热损失q2 2排烟容积排烟容积影响排烟容积大小的因素有炉膛出口过量空气系数，烟道各处漏风量及燃料所含水分。如炉墙及烟道漏风严重，过量空气系数大，燃料水分高，则排烟容积就大，排烟损失就增加。为了减少排烟损失，必须尽力设法减少炉墙烟道各处的漏风，在锅炉安装施工时应重视炉墙，烟道等砌筑的严密性。3锅炉最佳过量空气系数的确定锅炉最佳过量空气系数的确定炉膛出口过量空气系数的大小，应注意到它不仅与q2有关，还与q3、q4有关。减小出口过量空气系数，q2可以降低，但q3、q4会增加。所以合理的值应使q2、q3、q4三项热损失的总和最小，即：所对应的出口过量空气系数排烟热损失排烟热损失q2 经验
28、公式：%二、计算公式二、计算公式散热损失散热损失q5 一、形成一、形成(1)炉墙砌制质量及保温材料的性能(2)层燃炉操作情况，如拨火、观火、清炉、投煤等二、影响因素二、影响因素(1)炉体表面积(2)炉体表面温度(3)炉墙结构形式（光管式比水膜式大）(4)炉墙保温层性能(5)周围环境温度(6)锅炉负荷大小散热损失散热损失q5 三、计算公式三、计算公式1计算式中：锅炉散热表面积，m2；锅炉散热表面的放热系数，W/m2锅炉散热表面的温度，2查图当锅炉实际蒸发量与额定量相差超过25%时，实际散热损失为：%其中：查图值，%D、D锅炉的额定蒸发量和实际蒸发量，t/h散热损失散热损失 q5四、保温系数四、保
29、温系数保保温温系系数数表示烟气在烟道中的放热量有多少被烟道中的受热面所吸收，也就是说烟气在烟道中的放热量和保温系数的乘积等于烟道受热面的吸热量。其它热损失其它热损失q6 一、组成一、组成%二、灰渣物理显热损失二、灰渣物理显热损失由于锅炉中排出的灰渣及漏煤的温度一般在600800造成的热损失。层燃炉：；煤粉炉：固态排渣当，液态排渣：；沸腾炉：kJ/kg%其它热损失其它热损失 q6 三、冷却热损失三、冷却热损失是锅炉冷却部件所用的冷却水未进入锅炉汽水系统时造成的热损失。%式中：Hlq：面向炉膛的水冷面积；m2；116103：无测定数据时，假定每m2水冷面积所吸收的热量，W/m2Qgl：锅炉每小时有效吸热量，W。