[发明专利]一种考虑锅炉碳燃尽程度的过量空气系数计算方法

权利要求书

1.一种考虑锅炉碳燃尽程度的过量空气系数计算方法，其特征在于，它包括:

(a)锅炉不完全燃烧方程的确定环节

当锅炉燃料不完全燃烧时，烟气的成分除了CO₂、SO₂、O₂、N₂、NO_x和H₂O外，还有不完全燃烧产物CO、H₂和C_mH_n等，其中H₂和C_mH_n数量较少，一般在工程计算中忽略不计，因此，当燃料不完全燃烧时，可以认为烟气中的不完全燃烧气体仅有CO。此时不完全燃烧的干烟气的容积可表示为

式中：V_gy为单位质量燃料燃烧产生的干烟气体积，m³/kg；为单位质量燃料产生的二氧化碳的体积，m³/kg；为单位质量燃料产生的二氧化硫的体积，m³/kg；V_CO为单位质量燃料产生的一氧化碳的体积，m³/kg；V_NO为单位质量燃料产生的一氧化氮的体积，m³/kg；为单位质量燃料产生的氮气的体积，m³/kg；为单位质量燃料产生的氧气的体积，m³/kg，方程(1)可进一步表示为

其中，

烟气中的氮气主要来源于2部分：1)燃料中的氮元素形成的氮气容积；2)随送入锅炉的实际空气量中所含的氮气容积，此外，应考虑氮气在锅炉中形成NO_x所消耗掉的氮气，即在锅炉内发生如下的化学反应，

N₂+O₂→2NO (3)

在方程(3)中，将有0.5V_NO的氮气容积在炉内转化为NO_x，因此，烟气中实际的氮气容积可表示为

式中：N_ar为燃料收到基氮，％；α为锅炉出口过量空气系数；V⁰为理论空气量，m³/kg；为单位质量燃料形成的理论氮气容积，m³/kg，

其中，理论空气量为

V^o＝0.0889(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar (5)

式中：C_ar为燃料收到基碳，％；S_ar为燃料收到基硫，％；H_ar为燃料收到基氢，％；O_ar为燃料收到基氮，％，

不完全燃烧时，烟气中的氧气来源于3部分：1)过量空气中氧气的容积；2)燃料中碳不完全燃烧形成CO少消耗的氧气；3)没有参与燃烧的碳颗粒少消耗的氧气，另外干烟气中氧气容积的计算还应该考虑N₂形成NO_x所多消耗的氧气，

其中，过量空气中的氧气容积可表示为

燃料中碳的燃烧方程可表示为

C+O₂→CO₂ (7)

2C+O₂→2CO (8)

从方程(7)和方程(8)可以看出，相对于同样数量的碳颗粒燃烧形成CO₂，当燃烧形成CO时，将少消耗氧气0.5V_CO，假设每千克燃料中有x kg碳颗粒没有参与燃烧，那么从方程(7)可知，烟气中的氧气将会多出1.866x m³的氧气，另外，从方程(3)可知，N₂形成NO_x将会多消耗氧气0.5V_NO，因此，当燃料不完全燃烧时，烟气中氧气的容积可表示为

单位质量燃料的干烟气容积可表示为

式中：RO₂为SO₂和CO₂的总容积占干烟气容积的百分比，％；CO为一氧化碳占干烟气容积的百分比，％，

将方程(9)、(10)和方程(4)代入方程(2)中，经整理可得

式中：O₂为氧气占干烟气容积的百分比，％；NO为一氧化氮占干烟气容积的百分比，％，

令100x＝b，将方程(5)代入方程(11)中，可进一步整理得

21＝RO₂+O₂+0.605CO+0.5NO

式中：b为单位质量燃料中未完全燃烧碳颗粒所占的百分比，％，

在方程(12)中，令

则不完全燃烧方程(12)可进一步表示为

21＝(1+β)(RO₂+CO)+O₂-0.395CO+0.5NO (14)

方程(14)为考虑燃烧生成一氧化氮气体多消耗氧气和生成一氧化碳气体少消耗氧气的不完全燃烧方程式，该方程式的推导建立了燃料不完全燃烧程度和烟气中气体成分之间的数量关系，通过方程(14)可进一步推导出过量空气系数的计算方法，

(b)锅炉过量空气系数确定环节

依据过量空气系数的定义，有

式中：V_k为实际空气量，m³/kg；ΔV_g为过量空气量，m³/kg，

由方程(9)可得到过量空气容积为

方程(16)可进一步变形为

由方程(4)可得

由于燃料中的氮元素含量较少，忽略0.008N_ar，方程(18)可进一步变形为

将方程(17)和方程(19)代入方程(15)中，进一步整理可得

因锅炉实际运行中烟气中一氧化氮和一氧化碳含量较少，故工程计算中可忽略不计，由此方程(20)可进一步变形为

在忽略烟气中一氧化氮和一氧化碳气体后，将方程(10)代入方程(21)中，并忽略燃料中的硫元素，可进一步整理得

定义为燃料碳的燃尽系数，即已燃烧的碳量与收到基碳量之比，则故方程(22)可表示为

若忽略燃料燃烧形成烟气中一氧化氮和一氧化碳的含量，则方程(14)可表示为

21＝(1+β)RO₂+O₂ (24)

将方程(24)代入方程(23)可得

方程(25)即为考虑碳不完全燃烧程度后的过量空气系数的计算方法，该方法建立了过量空气系数和碳燃尽程度之间的函数关系，该方程既可用于过量空气系数的准确计算，也为锅炉内碳燃尽程度的在线计算提供了可能，由于燃料系数β的值通常在0.04-0.16之间，可依据实际煤种确定β，

方程(25)即为简化后的过量空气系数的计算方法。可以看出，在煤种燃料系数β一定的情况下，过量空气系数不仅与烟气中氧含量有关，还与碳的燃尽程度有关，碳的燃尽程度越高，过量空气系数计算值越大。