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采用煤低位发热量计算烟气量方法的探讨

发布时间：2011/4/19 阅读次数：2794 字体大小: 【小】【中】【大】

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摘　要:收集了国内90种典型煤种的工业分析和元素分析资料,采用元素分析数据资料计算了各种煤质的理论烟气量,经过统计、归纳及分析,推导出采用煤低位发热量计算燃煤烟气量的简捷公式,该计算公式比以往的经验计算公式适用性强,计算无约束条件,不用计算理论空气量,准确度较好,相对误差较小,可供计算烟气污染物排放浓度和工业污染源管理及治理等工程设计借鉴。

关键词:燃煤;经验公式;烟气量;低位发热量

Abstract: Industrial analyses and elements analyses data of 90 kinds of domestic coal types are collected.Theoretical flue-gas amount of each coal type is calculated according to the element analyses data. A simplifiedformula for fuel gas calculating according to low heating value is conducted by statistic, concluding and analyzing.This formula shows better applicability compared with former empirical formula. This formula does not haverestrict condition for calculating, does not calculate theoretical air amount and shows better accuracy and lowerrelative error. It is suitable for flue gas emission concentration calculation, industrial pollution source managementand treatment.

Keywords:fuel coal;empirical formula;flue gas amount;low heating value　　

我国环境空气污染物排放采用排放量和排放浓度双重控制,而排放浓度计算的关键是废气量的核算,废气量准确与否会对环境管理、污染源治理产生较大影响,若废气量核算不准确,会导致污染物排放浓度估算出现偏高或代写论文偏低,将造成环境治理投资不合理,因此,废气量准确与否十分关键。

1　问题的提出目前,燃煤工业污染源废气量的计算主要有以下3种方法。1.1　现场实测法〔1-2〕烟气通过烟道输送至烟囱集中排放,其烟气量可采用流量计、烟气监测装置等仪器测定。此方法较准确、真实,但工作量较大,测试费用较高,且只适用于已建成项目,使其应用受到一定限制。1.2　煤质元素分析数据计算理论烟气量法〔3-4〕煤燃烧所需要的理论空气量可根据化学方程式、燃料分析数据计算。在标准状态下每千克煤完全燃烧所需要的理论空气量(氧体积分数按21%计算)的体积V°按下式计算:V°=0.088 9〔w(Car)+0.375 0w(Sar)〕+0.265 0w(Har)-0.033 3w(Oar) (1)煤燃烧生成的烟气量,在标准状态下按下述公式计算:Vg=Vdg+VH20(2)Vdg=VRo2+VN2+VO2(3)VRO2=1.866×w(Car)+0.375w(Sar)100(4)VN2=0.790αV°+0.008w(Nar) (5)VO2=0.210(α-1)V°(6)VH2O=0.012 4〔9w(Har)+w(Mar)〕+0.016 0αV°(7)上述各式中:w(Car)、w(Sar)、w(Har)、w(Oar)、w(Mar)分别为收到基碳、可燃硫、氢、氧、收到基全水分的质量分数,%;Vg为标准状态下每千克燃煤燃烧生成的实际烟气体积;Vdg为标准状态下每千克燃煤的干烟气体积;VH2O为标准状态下每千克燃煤的水蒸气体积;VRO2、VN2、VO2分别为组成干烟气的RO2(CO2、SO2体积之和)、N2、O2的体积;α为过剩空气系数。实际上,一般工业锅炉房没有燃料分析,且燃料来源也是不固定的,因此,用该方法计算烟气量是比较困难的,使其方法的应用也受到一定的限制。1.3　经验公式法〔2,4〕烟气量计算的经验公式有多种,但各经验公式均没有其适用条件,即没有说明适用干、湿状况下某种烟气量计算条件,故适用性不强,且误差较大。

2　采用煤低位发热量计算烟气量的方法探讨利用国内90种典型煤种工业及元素分析资料计算的各煤种烟气量,经统计、归纳、分析,推导出在标准状态下,不同α时的烟气量与燃煤低位发热量Qnet,ar之间的相关性。根据低位发热量推导的烟气量公式及误差分析如下。2.1　标准状态下理论空气量V°推导公式a.当Qnet,ar≤16 000 kJ/kg时:V°=Qnet,ar3 465(8)b.当Qnet,ar在16 000～30 000 kJ/kg范围时:V°=Qnet,ar3 704(9)2.2　标准状态下实际烟气量Vg推导公式a.当Qnet,ar≤16 000 kJ/kg时:Vg=α·Qnet,ar3 035(10)b.当Qnet,ar在16 000～27 500 kJ/kg范围时:Vg=α·Qnet,ar3 470(11)2.3　标准状态下干烟气量Vdg推导公式a.当Qnet,ar≤16 000 kJ/kg时:Vdg=α·Qnet,ar3 525(12)b.当Qnet,ar在16 000～27 500 kJ/kg范围时:Vdg=α·Qnet,ar3 781(13)2.4　误差分析采用推导的煤低位发热量计算烟气量的公式对90余种煤质烟气量的计算结果与用煤质元素分析数据计算的烟气量的相对误差分析见表1。表1　低位发热量法计算烟气量相对误差表应用公式煤样本数/个数据个相对误差范围/%符合数据/个占总数据的比例/%(8) 21 21≤ ±6.0 ≤ ±8.1 142166.7100.0(9) 70 70≤ ±4.0 ≥ ±10.0 55678.68.6(10) 21 63≤ ±8.0 ≥ ±10.0 45471.46.3(11) 68 204≤ ±5.0 > ±5.0 ≥ ±10.0 164402180.419.610.3(12) 21 63≤ ±5.0 ≥ ±8.0 32450.86.4(13) 68 204≤ ±5.0 ≥ ±8.0 1672081.99.8从表1可知:V°的相对误差大于等于 ±10.0 的数据仅有6个,约占样本数的8.6%;Vg的相对误差大于等于 ±10.0 的数据有25个,仅占样本数91个中267个数据的9.4%;Vdg的相对误差大于等于 ±8.0 的数据有24个,占267个数据的9.0%,说明烟气量与低位发热量有较好的正变相关性。

3　推导公式的验证及分析3.1　验证煤种的选择验证所选用典型煤种工业分析及元素分析数据资料见表2。3.2　煤理论空气量经验计算公式〔4〕a.对于w(Vdaf)<15%的贫煤:V°=0.239×Qnet,ar1 000+0.600 (14)b.对于w(Vdaf)>15%的烟煤:V°=0.251×Qnet,ar1 000+0.278 (15)c.对于Qnet,ar<12 540 kJ/kg的劣质煤:V°=0.239×Qnet,ar1 000+0.450 (16)式中:Vdaf为燃煤干燥无灰基挥发分。3.3　烟气量经验计算公式常用燃煤烟气量计算公式也有多种,但很少公式说明是计算实际(湿)烟气量或干烟气量值,使其实际应用受到限制。表4　不同公式烟气量计算结果比较煤种产地应用公式烟气量/(m3·kg-1)相对误差/%劣质煤淮北煤矸石(2) 2.448(10) 2.745 -12.1(17) 2.920 -19.3(18) 2.690 -9.9无烟煤京西安家滩(2) 6.287(17) 6.281 0.1(11) 6.282 0.1(18) 6.051 12.3烟气量计算公式中的V°取值按各经验公式V°误差最小值计算,从表4可知,对于劣质煤,烟气量经验公式(17)、(18)及本文推导的公式(10)的烟气量相对误差分别为-19.3%、-9.9%及-12.1%,经验公式(17)比推导公式(10)相对误差大7.2%,公式(10)与公式(18)相对误差接近。对于无烟煤,烟气量经验公式(17)、(18)及本文推导的公式(11)的烟气量相对误差分别为- 0. 1%、- 3. 8%及-0.08%,经验公式(18)比推导公式(11)相对误差大-3.7%。因此,本文推导的烟气量计算公式(10)、(11)优于经验公式(17)、(18)的计算结果,并相对误差较小。

4　影响烟气量因素分析a.烟气量与煤质的Qnet,ar呈正相关性,即烟气量随低位发热量增加而增高;随煤质的含碳量增高而增大。b.烟气量随挥发分的增高而降低,发热量Qnet,ar与干燥无灰基挥发分w(Vdaf)呈负相关性,无烟煤w(Vdaf)小于5%～10%,其Qnet,ar大于20.9 MJ/kg,烟煤w(Vdaf)大于20%,则Qnet,ar大于11.30～19.7 MJ/kg,而褐煤w(Vdaf)最高,大于40%,其Qnet,ar最低,一般为8.4～14.6 MJ/kg。c.煤质的烟气量随煤中全水分(Mad)的增高而降低。w(Mad)每增加1%,将使Qnet,ar降低250～335 J/g,因此,全水分越高的煤,Qnet,ar也越低。d.煤中w(Car)总的趋势是随着w(Vdaf)的增高而降低,尤其是w(Vdaf)在30%以下的高变质程度煤,其w(Car)随w(Vdaf)的降低而增高的趋势更为明显。e.煤中碳与氧呈负相关性,即煤中氧随着碳含量的增高而降低,特别是褐煤阶段较为明显,而对无烟煤而言,其相对缓慢些,如果w(Car)大于85%时,w(Oar)小于7%;w(Car)大于90时,w(Oar)小于4%。f.碳与氢是煤中主要的发热元素,它们之间有较好的负相关性,即煤中氢含量随碳含量的增加而降低,特别是在无烟煤阶段,这种降低趋势尤为明显。g.煤中发热量与氧的关系不呈有规律的线性变化,以w(Oar)在3%～5%的煤(以焦煤和肥煤为主)发热量最高,w(Oar)大于5%的煤,其Qner,ar随w(Oar)的降低也有缓慢降低的趋势。在无烟煤阶段,氧含量与发热量无明显的关系,但在w(Oar)大于10%的低阶煤中,如褐煤、长火舀煤、不粘煤和弱粘煤等煤种,则Qnet,ar常随氧含量的增高而有明显的降低,通常w(Oar)大于10%～15%的低阶煤中Qnet,ar普遍大于30 MJ/kg,w(Oar)大于20%的褐煤类,Qnet,ar可低至29.7 MJ/kg,w(Oar)大于25%的年轻褐煤,其Qnet,ar也均低于26.7 MJ/kg。h.发热量与氢的关系,从褐煤到无烟煤,其氢含量变化范围很小,一般都在小于5.0%范围变化,多数煤种的煤质w(Har)都在3%～4%范围内变化,因此,不同煤质氢含量对烟气量的计算不会有较大的影响。i.煤中w(Ndaf)变化很小,一般都在0.5%～3%范围内变化,煤中w(Ndaf)与挥发分成正比,即煤中w(Ndaf)随w(Vdaf)的增高而增加,如褐煤挥发分最高,故其氮含量也最高。无烟煤的挥发分最低,故其w(Ndaf)也最低;在烟煤阶段,氮含量不仅随w(Vdaf)的增加而增加,而在w(Vdaf)相同条件下,粘结性越高的煤,其w(Vdaf)往往也越高,无粘结性烟煤,其w(Ndaf)几乎都在1%以下。j.同一矿井的煤,普遍发热量随w(Aar)的增加而降低,二者相关性很好。

5　结论本文利用煤低位发热量Qnet,ar推导的烟气量计算公式简单,不需要计算理论空气量V°,不需要考虑煤种类别及挥发分大小等因素,无计算约束条件,易操作,计算结果较准确,并可计算不同工况时的过剩空气系数的燃煤质的烟气量,适用性较强,可供环境保护管理(燃煤中小型大气污染源污染物排放量、排放浓度等核算)及工业污染源治理工程设计借鉴。

参考文献:

〔1〕　环保工作者实用手册编写组.环保工作者实用手册〔M〕.北京:冶金工业出版社,1984.

〔2〕　方品贤,江　欣,奚元福.环境统计手册〔M〕.重庆:四川科学技术出版社,1985.

〔3〕　国家电力公司热工研究院,华东电力设计院. DL/T5145—2002《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》〔S〕.北京:中国电力出版社,2002.

〔4)　同济大学,湖南大学,重庆建筑工学院.锅炉及锅炉房设备(第2版)〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,1986.

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