煤燃烧烟气余热发电量的计算

2012-07-04付保荣林红良段钱胜李志

船电技术 2012年1期

付保荣林红良段钱胜李志

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430223）

0 引言

煤在燃烧进行生产并消耗能源的同时,也产生大量的余热余能，本文主要研究煤燃烧生成的烟气余热利用发电量的计算方法和过程。煤的成分对生成的烟气有重要影响，通过煤种的元素分析即可算出燃烧所需的理论空气量和实际烟气量，同时还可以分析出烟气中的组分及各自的体积或质量分数。烟气的热量计算主要是按照理想气体的定压摩尔比热容进行积分求和得出。为了便于工程计算，文中取四次多项式来表示比热容与温度的关系。为了计算发电量，对不同温度段的烟气给出了科学合理的发电效率值，计算出的发电功率再与汽轮机输出功率系列表进行匹配即得出最终的发电功率。

1 烟气余热发电量的计算流程

煤燃烧烟气余热利用发电功率的计算主要通过以下几个步骤完成的：

(1)煤生成烟气的分析。不同煤种的组成成分不一样，产生的烟气成分也不相同，另外；燃烧设备取用的空气过量系数也是影响烟气成分的一个主要因素；最后，通过给定煤的成分以及设定的空气过量系数计算出烟气量[1,2]。

(2)烟气焓值分析。烟气焓值分析必须给定烟气进、排口的温度，综合考虑上一步计算得出的烟气成分，分别计算烟气在进、排口的焓值。

(3)发电量的计算。首先根据烟气进、排口的焓值计算出焓差；再根据烟气量计算出烟气可利用的余热量；然后根据烟气进口的温度判断出余热的品质及对应发电效率，计算出发电功率；最后根据汽轮机的发电功率系列表确定输出电量。

2 不同煤种产生的烟气分析

煤的组成和结构比较复杂，是由可燃成分和不可燃成分组成的混合物，其可燃成分用元素分析的有机成分表示，不可燃成分指的是灰分、水分以及 SO2、CO2等气体[3]。煤的元素分析指其元素组成，是研究煤的变质程度、计算煤的发热量、估算煤的干馏产物的重要指标，也是工业中以煤作燃料时生成烟气余热量计算的基础。

煤中除无机矿物质和水分以外，其余都是有机质。由于组成煤的基本结构单元是以碳为骨架的多聚芳香环系统，在芳香环周围有碳、氢、氧及少量的氮和硫等原子组成的侧链和官能团。如羧基（-COOH）、羟基（-OH）和甲氧基（-OCH3）。说明了煤中有机质主要由碳、氢、氧和氮、硫等元素组成。表1展示了几种常见煤种的C、H、O、N、S等含量。

计算煤燃烧所用的空气量和生成的烟气量时，把空气和烟气均看成理想气体。所以，在标准状态（p≈0.1 MPa，T=0 ℃）下，1 kmol气体的体积为22.4 m3；另外，烟气产量的计算以1 kg煤为标准进行；计算中所使用到的体积均指标准状况下的，非标状况下的体积应注明压力、温度；同时，燃烧所需的空气中氧气的体积分数为21%，氮气的体积分数为79%，空气含水率极低（约10 g/m3）。

燃料的燃烧是燃料中可燃元素与氧气在高温条件下进行的高速放热化学反应过程。1 kg燃料完全燃烧时所需的最小空气量称为理论空气量，以V0（Nm3/kg）表示。它通过燃料中的可燃元素（C，H，S）燃烧化学反应方程式求得按表2。

表1 常见煤种的成分

表2 三燃料可燃成分燃烧反应式所需空气量

1 kg收到基燃料包括有 Car/100 kg的碳、Har/100 kg的氢、Sar/100 kg的硫及Oar/100 kg的氧气，故1 kg收到基燃料燃烧所需的理论空气量等于可燃元素完全燃烧所需的空气量之和减去燃料本身的含氧折算量。按空气中含氧的容积百分数21%计算，则有

考虑燃烧设备的空气过量系数 α，则实际的空气用量为α*V0。燃料燃烧后生成烟气，如供给燃料以理论空气量，燃料又达到了完全燃烧，烟气中只含有二氧化碳 CO2、二氧化硫 SO2、水蒸气H2O及氮气N2四种气体，这时烟气所具有的体积称为理论烟气量 VY0，单位为 Nm3/kg。由燃料中可燃元素完全燃烧化学方程式得到：

（1）二氧化碳和二氧化硫的容积VRO2

氮气来源于燃料及理论空气，即

水蒸气包括燃料中氢燃料生成的水蒸气容积，燃料中的水分蒸发形成的水蒸气容积及随同空气进入锅炉的水蒸气容积，即

式中 dk为 1 kg干空气的含湿量，通常取 dk=10 g/kg，1.293及0.804分别是标准状态下干空气和水蒸气的密度[5]。

锅炉的实际燃烧过程是在 α＞1,即有过量空气的情况下进行的。当α＞1且完全燃烧时，烟气中除了含有CO2、SO2、N2和H2O四种气体成分外，还有剩余O2。故实际烟气容积 VY为各种成分容积之和。过量空气中的氮气容积、氧气容积及带进的水蒸气容积为

3 烟气焓值分析

煤燃烧生成的烟气是典型的混合物，为了计算烟气利用过程中的放热量，需要知道烟气的比热容。物体温度升高1 K所需的热量称为热容，单位质量的热容称为比热容。实验表明：理想气体的比热容实际上并非定值，而是温度的函数，比热容与温度关系在C-T图上呈一条曲线[4,5]。为便于工程应用，通常气体的比热容可表示为温度的四次多项式

式(8)中R为常数，取值为8.314。不同的气体多项式的系数各不相同，应根据查表求的该温度下的比热容的表达式，再通过一定温度范围下比热容的积分式（9）求得该温度下的焓值。表3列出了一些计算中常用气体的无量纲真实摩尔定压热容与温度的四次方多项式的系数。利用式（9）分别计算烟气中每一种气体的进、排口焓值，温度范围依次取进口温度为：0～tin℃，排口温度为：0～tout℃。

表3 常见气体摩尔定压比热容计算系数

4 烟气余热发电量计算及实例

烟气余热发电量的计算首先需要计算烟气进排口的焓差，烟气的焓差是组成烟气各成分的焓差之和，如式（10）。式中ΔHi是指组成烟气成分的某种气体的焓差，ηi是对应气体在烟气中所占的体积分数。

从上式可以看出，总的焓差单位还是kJ/mol，因此要准确计算烟气在进排口温差这个过程中所放出的热量，就必须把第一步计算的气体体积单位转化为摩尔数，根据式（1）、（5）、（6）、（7），烟气的实际排放体积为：

上式计算出的体积为标准状况下的值，单位Nm3/kg，为了计算放热量，必须将其转换为摩尔体积，再通过摩尔体积乘以焓差来计算可利用余热量 Q：

烟气入口温度在 400℃以上且烟气量充足的工况，发电设备可以采用常规水蒸汽汽轮机发电，发电效率可以取 20%（温度越高则效率越高）；相反若烟气入口温度在400 ℃～140 ℃之间，即认为是低品位热源，高于245 ℃时效率取15%，低于245 ℃时效率取10%。根据此准则和可利用余热量即可计算出发电功率，再根据汽轮机系列功率输出表匹配得出最终系统的输出功率（汽轮机功率匹配原则是靠近并小于等于计算出的发电功率）。

按山东良庄II类烟煤进行计算，假定烟气入口温度 430 ℃，通过换热器排出的温度定义为170 ℃，设空气过量系数为1.3，按以上流程计算每小时燃烧 1吨煤产生的烟气余热利用发电功率。通过计算1 kg煤燃烧所需的理论空气量 V0为6.325 Nm3，排烟量为9.385 Nm3，1 kg煤燃烧在430℃降温到170 ℃放热为5648750 J。因此每小时燃烧一吨煤则放热5648750000 J，按发电效率20%则计算发电功率为313.8 kW。根据汽轮机系列功率表匹配取额定发电输出为300 kW。