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1、第三章 锅炉的物质平衡与热平衡第1页/共67页锅炉中所发生的过程遵守物质不灭和能量守恒规律。送入锅炉的燃料通过燃烧放出热量并将燃料中的可燃质转变为二氧化碳、二氧化硫和水蒸气等燃烧产物。锅炉的物质平衡指的是锅炉输入物质与输出物质之间的平衡。通过物质平衡可计算出燃料燃烧所需要的空气量及燃料燃烧所产生的烟气量等。燃料燃烧放出的热量不能全部被利用，能被有效利用的部分称为有效利用热，没能被利用的部分就是热损失。锅炉的热平衡指的是在稳定工况下锅炉的输入热量和有效利用热及各项损失之间的平衡。通过热平衡可以求出锅炉的热效率、燃料消耗量和燃烧温度，也可以找出提高锅炉效率的途径。第2页/共67页第一节 锅炉的物质
2、平衡锅炉输入物质与输出物质之间的平衡燃料的燃烧计算燃料的燃烧计算，就是计算燃料燃烧时所需要的空气量和生成的烟气量第3页/共67页一、燃料燃烧所需要的空气量计算（一）理论空气量 计算假设：按每kg燃料完全燃烧计算m3/kg(燃料);烟气中CO含量不大，设计计算时按完全燃烧考虑。空气量是指不含水蒸汽的干空气;空气和烟气各组分，包括水蒸气在内，均按理想气体考虑（标准状态下，1Kmol气体体积为22.4m3）;空气仅由体积成分为79：21的N2和O2混合组成第4页/共67页“理论空气量”的定义：1kg收到基(应用基）燃料完全燃烧，而又无剩余氧存在时所需要空气量。Vok,m3/Kg1.1kg固体和液体燃
3、料完全燃烧所需要的理论空气量为第5页/共67页Vok的经验公式(P35)Vok 与Qnet,ar呈线性关系，因为发热量高的煤，所含可燃元素成分C、H、S较多，故Vok 较大。2.气体燃料的燃烧理论空气量标准状态下1m3气体燃料完全燃烧又无过剩氧时所需要的空气量,称为气体燃料所需理论空气量.燃气中各种可燃组分的体积百分数，燃气中氧的体积百分数，。第6页/共67页（二）过量空气系数为了使燃料在炉内尽可能燃烧完全，实际送入炉内的空气量大于理论空气量一般指炉膛出口处的过量空气系数 ,它的最佳值与燃料种类，炉子结构、燃烧方式有关，燃煤锅炉一般在1.21.3,燃油锅炉1.051.1,燃气锅炉1.031.1
4、.漏风系数漏入的空气量与理论空气量的比值锅炉运行时，炉膛、烟道处于负压工作状态，炉外冷空气从炉墙、门孔几个受热面贯穿墙漏入炉内，使炉内过量空气系数烟烟气流程逐渐增大。第7页/共67页二、燃烧生成的烟气量计算（一）烟气成分的组成燃料中可燃元素为C、H、S，如供给Vok，又是完全燃烧，这时烟气所具有的体积称为理论烟气量，Voy，m3/Kg。烟气中只有CO2、SO2、H2O、N2。当供给实际空气量Vk(1)，增加了（-1）Vok，即O2、N2、H2O。理论烟气量和过量空气之和为实际烟气量Vy，m3/Kg第8页/共67页（二）理论烟气量Voy的计算供给V0k，燃料完全燃烧，烟气体积Voy，包括三原子气
5、体RO2的体积，理论氮气的体积，理论水蒸气的体积。按燃料中的可燃元素的完全燃烧反应方程式进行计算第9页/共67页（三）实际烟气量Vy的计算在由过量空气，且不认为有不完全燃烧及其产物，则实际烟气量中尚应包括过量空气中的氧气、氮气及水蒸气1）过量空气中氧容积：2）过量空气中氮容积：3）过量空气中水蒸汽容积：4）实际烟气量理论烟气量与过量空气之和第10页/共67页第二节 锅炉热平衡的组成 锅炉热平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。热效率是锅炉的重要技术经济指标，它表明锅炉设备
6、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，这种试验称为锅炉的热平衡(或热效率)试验。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。第11页/共67页一、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1m3)为单位组成热量平衡的。以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来建立热量收支平衡关系热平衡第12页/共67页Qr每kg燃料带入锅炉的热量，kJ/kgQ1锅炉有效利用热量，kJ/kgQ2排烟热损失，kJ/k
7、gQ3化学（气体）不完全燃烧热损失，kJ/kgQ4机械（固体）不完全燃烧热损失，为未燃烧完的固体燃料带走的热量，kJ/kgQ5锅炉散热损失，为锅炉外表向空气的散热量，kJ/kgQ6灰渣物理热损失及其他热损失，kJ/kg第13页/共67页第14页/共67页二、1kg燃料带入锅炉的热量Qr燃煤锅炉Qr=Qnet.ar还应在带入锅炉的热量中计入以下几种热量固体燃料水分高，虽未经预热，应计入燃料物理显热ir(KJ/Kg)采用蒸汽雾化的燃油锅炉应计入雾化蒸汽带入热量Qzq(KJ/Kg)采用外来热源预热空气应计入预热空气的热量Qwl(KJ/Kg)Qr=Qnet.ar+ir+Qza+Qwl第15页/共67页
8、两端同除以Qrq1+q2+q3+q4+q5+q6100q2q3q4q5q6第16页/共67页三 锅炉热效率锅炉热效率可用热平衡实验方法测定，包括正平衡实验和反平衡实验实验必须在锅炉稳定运行工况下进行从冷炉生火到带负荷运行需要的热稳定时间轻型炉墙 8小时重型炉墙 24小时正式实验前，锅炉应比较稳定带负荷运行2小时左右。实验期间负荷波动10%第17页/共67页1、正平衡法锅炉效率有效利用热量Q1按下式计算Qgl锅炉煤小时有效吸热量，kJ/hB 每小时燃料消耗量，kJ/h第18页/共67页蒸汽锅炉蒸汽锅炉每小时有效吸热量Qgl供热锅炉一般都是定期排污，为简化测定工作，在热平衡测试期间可不进行排污当锅
9、炉产生饱和蒸汽时，蒸汽干度一般都小于1，湿蒸汽焓iq：第19页/共67页热水锅炉每小时吸收的热量Qgl第20页/共67页锅炉效率正平衡测定需要测得的参数：燃料消耗量B(kg/h)燃料应用计低位发热量Qnet,ar(kJ/Kg)对于蒸汽锅炉；锅炉蒸发量D、锅炉出口蒸汽压力和温度，给水温度热水锅炉：每小时加热水量，锅炉进、出水的压力和温度蒸汽湿度 采用蒸汽和炉水碱度方法获得燃料消耗量和蒸汽（热水）流量测量误差较大，导致正平衡一般有较大误差第21页/共67页2、反平衡法研究和分析影响锅炉热效率的种种因素各项损失，以寻求提高热效率的途径测定各项热损失q2q6,反求热效率，称为反平衡法。大容量锅炉煤耗大
10、，难以测准，从误差理论上讲，测定数值较小的各项热损失且容易做到测定值的相对误差较小，反推的锅炉热效率就比较准确第22页/共67页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，由于不易准确测定燃料消耗量，其锅炉热平衡主要靠反平衡求得。第23页/共67页热平衡方程热平衡方程自然水循环原理Q Qr rQ Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4f hf hQ Q5 5Q Q4 4l zl zQ Q6 6第24页/共67页3、锅炉的
11、毛效率及净效率锅炉的净效率是在毛效率gl基础上扣除锅炉自用汽和电能消耗后的效率由于自用汽和自用电能消耗所相当的锅炉效率降低值，可按下式计算第25页/共67页D2自用汽耗汽量，t/hN2自用电耗量,kWh/hb生产每度电的标准煤耗量，kg/kW.h降低锅炉自用汽的途径提高热力除氧器效率回收排污热量降低锅炉自用电能的途径采用较低的过量空气系数，减小风机的风量和风压，降低烟、风道和燃烧器的阻力合理选择给水泵型号，减小给水管道阻力，降低给水泵电耗量第26页/共67页四、锅炉的热损失 1.固体不完全燃烧损失1)、固体不完全燃烧热损失q4的形成和计算进入炉膛的燃料中，有一部分没有参与燃烧或温燃尽而被排出炉
12、外所形成的热损失灰渣损失Qhz（heat loss of slag）未参加燃烧或未燃尽的碳粒与灰渣一同落入灰斗所造成的热损失漏煤损失Qlm(heat loss of slack)少量燃料（未燃或未燃尽）经炉排空隙落入灰坑所造成的热损失飞灰损失Qfh（heat loss of ash）未燃尽的碳粒随烟气带走所造成的热损失，落到烟道受热面中，部分从烟囱逸散到周围大气环境第27页/共67页固体不完全燃烧损失各项的表达式：第28页/共67页灰平衡法进入炉内燃料的总灰量应等于灰渣、漏煤及飞灰中的灰量之和有关公式的推导（自学）测定Ghz、Glm后，利用式（3-15a）和式（3-15b）求得hz、lm，进而
13、求得fh，而Chz，Clm，Cfh由取样分析获得，最后使用式（3-18b）进行q4的计算第29页/共67页上节课内容理论空气量和理论烟气量的计算第30页/共67页锅炉热平衡方程式锅炉热平衡方程式 q q1 1=Q=Q1 1 /Q /Qr r 100 100 式中 输入热量 Q Q1 1 有效利用热 Q Q2 2 排烟损失 Q Q3 3 化学不完全燃烧热损失 Q Q4 4 机械不完全燃烧热损失 Q Q5 5 散热损失 Q Q6 6 其他热损失第31页/共67页2)影响固体不完全燃烧损失的因素a.燃料特性的影响与燃料含的水分、挥发分、灰分、焦结特性有关燃用灰分高、灰熔点低的煤灰裹碳灰渣损失挥发分少
14、和结焦性强的煤，燃烧过程主要集中在炉排上，是炉排温高，形成熔渣，阻碍通风灰渣损失水分少、结焦性弱而又细末多的煤，负荷增大时，增强鼓风量会导致飞灰损失增加 第32页/共67页b.燃烧方式的影响沸腾炉 煤粉炉 机械风力抛煤机炉 链条炉(飞灰损失)c.炉子结构的影响 A.层燃炉炉拱延长炭粒在炉膛的停留时间飞灰损失二次风延长炭粒在炉膛的停留时间飞灰损失炉排长短、大小煤种要求灰渣损失通风空隙大小 漏煤损失 B.悬燃炉炉膛高度、燃烧器布置位置、断面积流动速度飞灰损失第33页/共67页d.锅炉运行工况的影响层燃炉：煤层厚度、链条炉炉排速度及风量分配 1）负荷增加，汽流速度增大，飞灰损失加大 2）运行时的过量
15、空气系数的影响,较小时，随着的增大，固体不完全燃烧热损失不断减小；当较大时，随着 的增大，固体不完全燃烧热损失会逐渐增加。第34页/共67页煤粉炉：受煤粉细度及配风操作的影响 锅炉负荷过高时，单位时间送入炉内的煤粉量和空气量都增加，风粉运动速度升高，煤粉停留时间缩短，使固体不完全燃烧热损失增大；锅炉负荷较低时，炉膛温度降低，燃烧反应速度减小，使固体不完全燃烧热损失增大。煤粉细度：煤粉颗粒越细小，则煤粉细度的数值越小，固体不完全燃烧热损失越小。第35页/共67页降低固体不完全燃烧热损失的措施1).设计合理的炉膛和喷燃器结构2).保持适当的空气过量空气系数3).使燃料在炉膛内有足够的停留空间4).
16、加强燃料与空气的混合5).保持锅炉在一定的负荷下运行，有足够高的炉膛温度第36页/共67页在进行锅炉设计时，q4可参照有关规范的推荐数据选取。一般，对于固态排渣煤粉炉，燃用无烟煤时q4=46%；贫煤q4=2%；烟煤q4=1 1.5%；褐煤q4=0.5 1%。第37页/共67页2 气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失的测定及计算由于部分可燃气体（CO、H2、CH4等）未燃烧放热就随燃气排出所造成的损失热损失的数值应为烟气中各可燃气体容积与它们的容积发热量乘积的总和考虑烟气中H2、CH4等气体很少，剩下CO第38页/共67页于是将 代入上式，得第39页/共67页在热平衡实验中：RO2、CO有烟
17、气分析求得q4由实验求得Sar、Car为元素分析成分Qr实测在没有燃料元素分析成分时，可用下列经验公式计算q3：Q3=3.2CO、CO在烟道同一测点处取样测出的过量空气系数和CO的体积百分数第40页/共67页影响气体不完全燃烧热损失的因素1.炉子结构炉膛高度不够或炉膛体积太小，烟气流程过短，使烟气中的一些可燃气体未能燃尽而离开炉子,增大q3当炉内水冷壁布置过多时，炉温降低,增大q32.燃料特性一般挥发分高的燃料，在其他条件相同时，q3损失相对要大一些3.燃烧过程的组织过量空气系数（），过小导致缺氧，过大又会造成炉膛温度下降二次风的引入和分布炉内气流的混合与扰动第41页/共67页4.运行操作燃料
18、层过厚，燃料层上部会形成还原区，CO等增多，q3增大负荷增加时，可燃气体在炉内停留时间减少，也会使q3减小第42页/共67页降低气体不完全燃烧损失的措施1).保持足够的空气量，使烟气中的CO2值)（或O2值）保持适当，负荷变化时及时调整风量。2).加强炉内气流的混合与扰动，层燃炉应在拱的结构、二次风的风量、风压分布等方面予以重视。3).减小炉膛漏风，维持炉膛有较高的温度4).层燃炉根据煤中选择不同的煤层厚度，适当减薄还原区的厚度第43页/共67页气体不完全燃烧热损失的选取固态排渣和液态排渣煤粉炉 q30 卧式旋风炉 q30.5 燃油炉、燃气炉 q30.5 烧高炉煤气的锅炉 q31.5推荐值按有
19、关规范查取第44页/共67页3.排烟热损失排烟热损失的测定及计算排烟热损失的测定及计算烟气离开锅炉排入大气时，烟气温度比进入锅炉的空气温度要高很多，排烟所带走的热量损失简称为排烟热损失，它也是锅炉较大的一项热损失第45页/共67页Ipy排烟焓，kJ/kg 由烟气离开锅炉最后一个受热面处的烟气排烟温度py和该处的过量空气系数py所决定。热平衡实验时，py 值可由热电偶电位差计测定，设计计算时，py值是选定的py排烟出的过量空气系数，设计计算时，py是选定的。热平衡试验时，py值可由烟气分析仪测定气体成分，然后计算求得I0lk理论冷空气焓，KJ/Kg第46页/共67页V0lk每kg燃料完全燃烧时所
20、需要的理论空气量，Nm3/Kg(c)lk每Nm3干空气连同其带入的10kg水蒸气在温度为时的焓，kJ/Nm3，查有关表格第47页/共67页在热平衡实验时，为了简化计算，也可用下列经验公式：m、n计算系数，随燃料种类而异装有省煤气，q2=612%对于无省煤器时，往往高达20%以上第48页/共67页排烟热损失的影响因素排烟温度 排烟温度越高，排烟热损失越大。排烟温度过低，技术上不允许近代大型电站锅炉的排烟温度约为110160,带尾部受热面的供热锅炉,排烟温度应控制在160200 范围内。排烟容积 排烟容积大，排烟热损失增加 影响排烟容积大小的因素有炉膛出口过量空气系数、烟 道各处的漏风量及燃料所含
21、水分。第49页/共67页4 散热损失形成形成(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(1)炉体表面积(2)炉体表面温度(3)炉墙结构形式(4)炉墙保温层性能(4)周围环境温度(5)锅炉负荷大小第50页/共67页计算公式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第51页/共67页额定容量下锅炉的散热损失第52页/共67页保温系数保温系数 保温系数表示烟气在烟道中的放热量有
22、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。第53页/共67页5 其他热损失一、组成%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%第54页/共67页三、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/m2 Qgl：锅炉每小时有效吸热量，W。第55页/共67页第三节 燃料消耗量两种表述方法1.实际燃料消耗量B2.计
23、算燃料消耗量Bj=B（1-q4/100）在锅炉热力计算中，燃料所需空气量和燃烧生成的烟气量均按计算燃料消耗量来计算第56页/共67页第四节 锅炉烟气分析及其结果的应用在锅炉实际运行中，由于各种原因燃料是不可能达到完全燃烧的，也即烟气中将含有CO、H2、碳氢化合物等可燃气体。锅炉的燃烧工况和各受热面烟道的漏风情况也会与设计工况有所不同。为了验证和判断锅炉实际运行工况，需要对正在运行的锅炉进行烟气成分分析。作用：判别燃烧工况的好坏和漏风情况，进行燃烧调整和采取相应的改进措施，提高锅炉运行的经济性。第57页/共67页一、烟气分析目的 在锅炉运行时，通过烟气取样分析，计算出CO、RO2 、，从而了解和
24、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58页/共67页二、理论上烟气分析成分1.每kg燃料完全燃烧（且无过剩氧存在）时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O；2 燃料完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2；3 3 燃料不完全燃烧时产生的烟气成分：RO2、N2、H2O、O2、CO；第59页/共67页三、烟气分析仪器及测定1烟气分析仪1）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，（
25、%）2）色谱层析仪3）红外线烟气分析仪2测定：（由锅炉实验完成）第60页/共67页四、烟气成分测定的计算1.2.3.4.第61页/共67页五、烟气分析结果的应用1烟气量的计算2烟气中CO含量的计算1）燃料特性系数只与燃料的可燃成分有关，与燃料的水分、灰分无关，也不随收到基(应用基）、空气干燥基（分析基）、干燥基即干燥无灰基（可燃基）等而变化。2）不完全燃烧方程式3）CO含量的计算第62页/共67页4）不完全燃烧dafO2的计算5）完全燃烧方程式6）在理论空气下完全燃烧时，则3过量空气系数的计算 1）不完全燃烧时的计算第63页/共67页2）完全燃烧时的计算3）完全燃烧时的近似计算 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64页/共67页本章问题1.理论空气量如何计算？2.理论烟气量如何计算？3 什么叫锅炉平衡？锅炉输入、输出热量组成有哪些？4 锅炉热效率如何计算？5 锅炉热损失包括哪些？它们的影响因素和改进措施有哪些？6.为什么要进行烟气分析？第65页/共67页下课了！下课了！下课了下课了!第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页