CN104008297B - 煤粉与高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，主要针对现有技术的配置中储式制粉系统的锅炉在计算锅炉热效率时难以准确获取对应工况下的入炉煤量而设计。本发明热效率计算方法包括：相关参数的采集与测定、燃煤燃烧计算、煤气燃烧计算、入炉干煤气量计算、入炉煤量计算、输入热量计算、各项热损失计算以及锅炉的热效率计算。本发明能够通过准确计算入炉煤量来进行锅炉的热效率计算，能够通过分析锅炉热效率计算结果来找出影响锅炉热效率的主要不利因素，进而为锅炉的改造和优化运行提供指导，达到节能、降低损耗的目的。

Description

煤粉与高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法

技术领域

本发明涉及一种热能工程的锅炉领域，尤其涉及一种煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法。

背景技术

钢铁企业在冶炼过程中会产生大量的高炉煤气，高炉煤气具有热值低、含氮量高、燃烧稳定性较差等特点，然而目前许多钢铁厂对高炉煤气的利用不够充分，大量高炉煤气被放散，造成能源的浪费。如何利用好钢铁生产中副产的高炉煤气资源，是相关技术人员普遍关心的问题。

今年来，掺烧高炉煤气的煤粉锅炉在一些钢铁厂取得了成功应用并得到逐步推广。通过将高炉煤气引入煤粉锅炉，解决了高炉煤气单独燃烧较为困难的问题，有效的降低了高炉煤气的放散率。而从钢铁厂的角度来看，采用煤粉与煤气混烧的方式能够较好的利用煤气，有助于实现煤气管网的平衡。此外，与传统的煤粉锅炉相比，煤粉锅炉掺烧煤气后，SO₂、NOx和粉尘颗粒物的排放量均有较大幅度的降低。因此，煤粉锅炉掺烧高炉煤气的方式具有广阔的应用前景，尤其在当前资源日益紧张和环保要求越来越高的形势下，更能凸显其经济效益和社会效益。

锅炉的热效率反映了机组运行的热经济性，是机组性能考核的关键指标。对于煤粉与高炉煤气混烧锅炉，要准确计算锅炉的热效率，必须知道两种不同燃料的配比，即入炉煤量和入炉煤气量是必不可少的已知条件。其中，对于煤气流量计量技术已经较为成熟，但对于入炉煤量，尤其是对于配置中储式制粉系统的锅炉，很难准确获取对应工况下的入炉煤量，而目前大多数煤粉与高炉煤气混烧锅炉配置的都是中储式制粉系统，这就给锅炉热效率的测算带来了很大困难。

因此，构建一个适用于煤粉和高炉煤气混烧锅炉热效率计算方法，尤其是通过间接计算求解得到入炉煤量进而进行锅炉热效率计算，以克服入炉煤量难以计量的困难，是解决煤粉和高炉煤气混烧锅炉热效率计算难题的主要突破口，具有重要的实用意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种通过准确计算入炉煤量来计算锅炉热效率的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法。

为达到上述目的，本发明煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，所述的热效率计算方法包括：

根据仪表测量以及采样分析获取锅炉的输入参数；

根据所述输入参数进行燃煤的燃烧计算以得到燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及燃煤燃烧产生的烟气中的水蒸气量；

根据所述输入参数进行煤气的燃烧计算以得到煤气燃烧产生的实际干烟气量以及煤气燃烧产生的烟气中的水蒸气量；

根据所述输入参数中的入炉湿煤气量和煤气含湿量通过入炉干煤气量计算式计算得到入炉干煤气量；

根据燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及燃煤燃烧产生的烟气中的水蒸气量、煤气燃烧产生的实际干烟气量以及煤气燃烧产生的烟气中的水蒸气量、入炉干煤气量以及输入参数中的烟气流量通过入炉煤量计算式计算得到入炉煤量；

根据所述输入参数中的燃煤热值、煤气热值和煤气含湿量，以及所述入炉干煤气量和所述入炉煤量，通过锅炉输入热量计算式计算得到锅炉的输入热量；

根据所述输入参数以及上述计算结果进行锅炉的热损失计算分别得到锅炉的排烟热损失、可燃气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失以及灰渣物理热损失；

根据上述锅炉的各项热损失结果进行锅炉的热效率计算得到锅炉热效率；

具体地，所述入炉干煤气量计算公式为：

其中，B_g为所述入炉干煤气量，所述入炉干煤气量为标准状态下的入炉干煤气量，为所述输入参数中的入炉湿煤气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量；

具体地，所述入炉煤量计算公式为：

其中，B_c为所述入炉煤量，Q_v所述输入参数中的烟气流量，B_g为所述入炉干煤气量，(V_gy)_c为燃煤燃烧产生的实际干烟气量，为燃煤燃烧产生的水蒸气量，(V_gy)_g为煤气燃烧产生的实际干烟气量，为煤气燃烧产生的水蒸气量；

具体地，所述热量计算公式为：

Q_r＝B_c(Q_ar,net)_c+B_g[(Q_d,net)_g-2257d_g]

式中，Q_r为所述锅炉的输入热量，(Q_ar,net)_c为所述输入参数中的燃煤热值，所述燃煤热值为燃煤收到基低位发热量，(Q_d,net)_g为所述输入参数中的煤气热值，所述煤气热值为煤气干燥基低位发热量，B_c为所述入炉煤量，B_g为所述入炉干煤气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量；

进一步地，所述输入参数至少包括燃煤收到基中各元素及成分的质量含量百分率、炉渣和飞灰中的含碳量、排烟处干烟气含氧量，所述根据输入参数进行燃煤的燃烧计算以得到燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量的具体步骤包括：

1)根据第一计算式计算燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，所述第一计算式为：

式中，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，C_ar、A_ar分别为燃煤收到基碳元素和灰分的质量含量百分率，分别为炉渣和飞灰中的含碳量，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额；

2)根据第二计算式计算理论空气量，所述第二计算式为：

其中，为每千克煤燃烧所需的理论空气量，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，S_ar、H_ar、O_ar分别为燃煤收到基中硫元素、氢元素和氧元素的质量含量百分率；

3)根据第三计算式计算理论干烟气量，所述第三计算式为：

其中，为每千克煤燃烧产生的理论干烟气量，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，S_ar、N_ar分别为燃煤收到基中硫元素、氮元素的质量含量百分率，为每千克煤燃烧所需的理论空气量；

4)根据第四计算式计算过量空气系数，所述第四计算式为：

其中，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，φ′(O₂)为排烟处干烟气含氧量；

5)根据第五计算式计算所述实际干烟气量，所述第五计算式为：

其中，(V_gy)_c为每千克煤燃烧产生的实际干烟气量，为每千克煤燃烧产生的理论干烟气量，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，为每千克煤燃烧

所需的理论空气量；

6)根据第六计算式计算所述水蒸气量，所述第六计算式为：

其中，(V_H2O)_c为每千克煤燃烧产生的水蒸气量，M_ar为燃煤收到基水分质量含量百分率,H_ar为燃煤收到基中氢元素的质量含量百分率，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，为每千克煤燃烧所需的理论空气量，d_k为空气的绝对湿度。

进一步地，所述输入参数至少包括干煤气中各成分容积含量百分率和煤气含湿量，根据输入参数进行煤气的燃烧计算以得到煤气燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量的具体步骤包括：

1)根据第七计算式计算煤气特性系数，所述第七计算式为:

其中，β_g为煤气特性系数，φ_g(CO)、φ_g(H₂)、φ_g(C_mH_n)、φ_g(CO₂)、φ_g(N₂)、φ_g(O₂)分别为干煤气中一氧化碳、氢气、碳氢化物、二氧化碳、氮气以及氧气的容积含量百分率；

2)根据第八计算式计算理论空气量，所述第八计算式为：

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量；

3)根据第九计算式计算理论干烟气量，所述第九计算式为：

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量；

4)根据迭代法联合求解煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数和煤气燃烧产生的实际干烟气量；

5)根据第十计算式计算煤气燃烧产生的水蒸气量：

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的水蒸气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量，d_k为所述输入参数中的空气的绝对湿度，α_g为煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量。

进一步地，所述的根据迭代法联合求解煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数和煤气燃烧产生的实际干烟气量的具体步骤包括：

1)设定一个实际干烟气量的假定值

2)根据设定的所述实际干烟气量的假定值通过过量空气系数计算式计算得到过量空气系数α_g，所述过量空气系数计算式为：

其中，α_g为煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数，φ′(O₂)为排烟处干烟气含氧量，k为修正系数，所述修正系数k通过计算式：

计算得到，其中为所述实际干烟气量的假定值，β_g为煤气特性系数，φ′(O₂)为干烟气中氧气的容积含量百分率，φ_g(N₂)为干煤气氮气的容积含量百分率。

3)根据所述过量空气系数、所述理论空气量和所述理论干烟气量，通过实际干烟气量计算式计算得到实际干烟气量，所述实际干烟气量计算式为：

其中，(V_gy)_g为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量，α_g为过量空气系数；

4)将所述实际干烟气量的假定值与计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g作差，将得出的差值与预定的误差范围作比较；

若差值在预定的误差范围内，则计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g即为煤气燃烧产生的实际干烟气量，输出最终的过量空气系数α_g，输出最终的实际干烟气量(V_gy)_g；

若差值超出了预定的误差范围，则求出所述实际干烟气量的假定值与计算出的实际干烟气量(V_gy)_g的平均值，将所述平均值赋值给实际干烟气量的假定值，再重新进行上述1)～4)的计算。

具体地，所述锅炉的热效率通过公式：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

计算得到，其中η_b为所述锅炉热效率，q₂为所述排烟热损失，q₃为所述可燃气体未完全燃烧热损失，q₄为所述固体未完全燃烧热损失，q₅为所述散热损失，q₆为所述灰渣物理热损失。

具体地，所述输入参数至少包括排烟温度、环境温度、干烟气中各成分气体的容积百分率、飞灰含碳量和炉渣含碳量，所述锅炉的热损失计算的具体步骤包括：

1)计算所述排烟热损失，所述排烟热损失通过计算式：

计算得到，其中q₂为排烟热损失，Q_r为所述锅炉的输入热量，分别为干烟气和水蒸气带走的热量，所述干烟气和水蒸气带走的热量分别通过计算式：

计算得到，其中θ_py为所述排烟温度，t₀为所述环境温度，B_c为所述入炉煤量，B_g为所述入炉干煤气量，(V_gy)_c为所述煤燃烧产生的实际干烟气量，(V_gy)_g为所述煤气燃烧产生的实际干烟气量，为所述煤燃烧产生的水蒸气量，为所述煤气燃烧产生的水蒸气量，为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，c_p,gy为排烟处干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，所述的排烟处干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容c_p,gy通过计算式：

计算得到，其中φ′(O₂)、φ′(RO₂)、φ′(CO)、φ′(N₂)分别为干烟气中氧气、三原子气体、一氧化碳、氮气的容积含量百分率，分别为氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容；

2)计算所述可燃气体未完全燃烧热损失，所述可燃气体未完全燃烧热损失通过计算式：

计算得到，其中q₃为可燃气体未完全燃烧热损失，B_c为入炉煤量，Q_r为锅炉的输入热量，B_g为入炉干煤气量，(V_gy)_c为所述煤燃烧产生的实际干烟气量，(V_gy)_g为所述煤气燃烧产生的实际干烟气量，φ′(CO)干烟气中一氧化碳的容积含量百分率；

3)计算所述固体未完全燃烧热损失，所述固体未完全燃烧热损失通过计算式：

计算得到，其中q₄为固体未完全燃烧热损失，B_c为入炉煤量，A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率，Q_r为锅炉的输入热量，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额，分别为炉渣和飞灰中的含碳量；

4)计算所述散热损失，其中所述散热损失通过计算式：

计算得到，其中q₅为散热损失，D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，D为锅炉实际蒸发量，q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，其中所述锅炉额定负荷下的散热损失q_5e通过计算式：

q_5e＝5.82×(D_e)^-0.38

计算得到。

5)计算所述灰渣物理热损失，所述灰渣物理热损失通过计算式：

计算得到，其中q₆为灰渣物理热损失，B_c为所述入炉煤量，A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率，Q_r为锅炉的输入热量，c_lz为炉渣比热，c_fh为飞灰比热，t₀为所述环境温度，t_lz为炉膛排出的炉渣温度，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额，θ_py为所述排烟温度，分别为炉渣和飞灰中的含碳量。

本发明煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，通过计算得到的所述入炉煤量和所述入炉干煤气量来计算锅炉的热效率，具有以下优点：

1、克服了现有技术条件下配置中储式制粉系统的锅炉无法准确计量入炉煤量的困难，从而使得煤粉与高炉煤气混烧锅炉的热效率计算得以顺利进行；

2、针对高炉煤气含氮量较高的特点，构建了适于高含氮量高炉煤气的燃烧计算方法，避免了传统计算方法中忽略燃料含氮量带来的误差；

3、本发明的锅炉热效率计算方法，能够测算出锅炉的各项热损失，能够通过计算结果反映锅炉的运行情况，可用于分析影响锅炉热效率的主要不利因素，进而为锅炉的改造和优化运行提供指导，达到节能、降低损耗的目的。

附图说明

图1是本发明煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示为煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，所述计算具体如下：

首先进行相关参数的采集与测定，通过仪表测量和取样分析获取锅炉的各项输入参数，具体包括：

原煤及煤粉的取样分析：分别在给煤机和取粉管上进行原煤取样和煤粉取样，然后进行化验分析和计算处理，得到燃煤收到基低位发热量(Q_ar,net)_c、工业分析数据(包括燃煤收到基灰分A_ar、水分M_ar的质量含量百分率)、元素分析数据(包括燃煤收到基碳元素、氢元素、氧元素、氮元素、硫元素的质量含量百分率)。

煤气的取样分析：在炉前煤气管道上进行煤气取样，然后进行化验分析，得到干煤气低位发热量(Q_d,net)_g、干煤气成分(包括干煤气中CO、H₂、CO₂、N₂、O₂和各碳氢化合物C_mH_n的容积含量百分率)、煤气含湿量d_g。

灰渣的取样分析：在空气预热器出口烟道内进行飞灰取样，在除渣机出口处进行炉渣取样，取样结束后进行飞灰可燃物含量和炉渣可燃物含量分析，得到飞灰含碳量和炉渣含碳量

烟气参数测量：在空气预热器出口烟道内按等截面网格法的原则，测得烟气温度θ_py以及烟气流量Q_v。在空气预热器出口烟道内按等截面网格法的原则，对烟气取样并分析得到干烟气成分(包括干烟气中三原子气体RO₂、O₂、CO、和N₂的容积含量百分率)。

大气参数测量：在送风机入口处，采用大气压力计测得当地大气压力p_a，采用湿度计测得大气相对湿度φ，采用温度计测得环境温度t₀。

锅炉蒸发量测量：采用间接法进行锅炉蒸发量测量，通过测量给水流量和减温水流量并进行求和计算得到锅炉蒸发量D。

煤气流量测量：通过在炉前煤气总管上安装的流量计测量得到入炉煤气流量

根据所述输入参数进行燃煤的燃烧计算，得到每千克燃煤燃烧产生的实际干烟气量(V_gy)_c和烟气中的水蒸气量具体过程如下：

通过第一计算式计算燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，所述第一计算式：

其中，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，％；C_ar、A_ar分别为燃煤收到基碳元素和灰分的质量含量百分率，％；分别为炉渣和飞灰中的含碳量，％；r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额，％。

通过第二计算式计算理论空气量，所述第二计算式为：

其中，为每千克煤燃烧所需的理论空气量，m³/kg(煤)；S_ar、H_ar、O_ar分别为燃煤收到基中相应成分的质量含量百分率，％。

通过第三计算式计算理论干烟气量，所述第三计算式为：

其中，为每千克煤燃烧产生的理论干烟气量，N_ar为燃煤收到基中氮元素的质量含量百分率。

通过第四计算式计算过量空气系数，所述第四计算式为：

其中，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数；φ′(O₂)为排烟处干烟气含氧量，％。

通过第五计算式计算实际干烟气量，所述第五计算式为：

其中，(V_gy)_c为每千克煤燃烧产生的实际干烟气量，m³/kg(煤)。

通过第六计算式计算煤燃烧产生的水蒸气量，所述第六计算式为：

其中，为每千克煤燃烧产生的水蒸气量，m³/kg(煤)；M_ar为燃煤收到基水分质量含量百分率，％；d_k为空气的绝对湿度，kg/kg(干空气)，其中所述空气的绝对湿度d_k按下式得到：

其中，p_a为当地大气压力，Pa；φ为空气的相对湿度，％；p_s为环境温度下的水蒸气饱和压力，Pa，可查水蒸气表得到。

根据所述输入参数进行煤气的燃烧计算，得到每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量(V_gy)_g和水蒸气量具体过程如下：

通过第七计算式计算煤气特性系数，所述第七计算式为：

其中，β_g为煤气特性系数；φ_g(CO)、φ_g(H₂)、φ_g(C_mH_n)、φ_g(CO₂)、φ_g(N₂)、φ_g(O₂)分别为干煤气中相应组分的容积含量百分率，％。

通过第八计算式计算理论空气量，所述第八计算式为：

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量，m³/m³(干煤气)。

通过第九计算式计算理论干烟气量，所述第九计算式为：

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，m³/m³(干煤气)。

根据迭代法联合求解煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数α_g和煤气燃烧产生的实际干烟气量(V_gy)_g，具体步骤如下：

1)设定一个实际干烟气量的假定值

2)根据设定的所述实际干烟气量的假定值通过过量空气系数计算式计算得到过量空气系数α_g，所述过量空气系数计算式为：

其中，α_g为煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数，k为修正系数；

3)根据所述过量空气系数α_g、所述理论空气量和所述理论干烟气量通过实际干烟气量计算式计算得到实际干烟气量(V_gy)_g，所述实际干烟气量计算式为：

其中，(V_gy)_g为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量；

4)将所述实际干烟气量的假定值与计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g做差，得出二者的差值；

若差值在预定的误差范围内，则计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g即为煤气燃烧产生的实际干烟气量；

若差值超出了预定的误差范围，则将(V_gy)_g和的平均值作为新的重新执行上述1)～4)的计算，直到(V_gy)_g和的差值满足设定的误差范围；；

输出α_g作为最终的过量空气系数，输出(V_gy)_g作为最终的实际干烟气量。

通过第十计算式计算煤气燃烧产生的水蒸气量，所述第十计算式为：

其中，(V_H2O)_g为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的水蒸气量，m³/m³(干煤气)；d_g为煤气含湿量，kg/m³(干煤气)。

根据输入参数中的入炉湿煤气量和煤气含湿量d_g通过入炉干煤气量计算式计算得到入炉干煤气量，所述入炉干煤气量计算式为：

其中，B_g为标准状态下的入炉干煤气量，m³/h；d_g为所述煤气含湿量，m³/h；为标准状态下的入炉湿煤气量m³/h。

将入炉湿煤气量换算为入炉干煤气量的原因在于，工程上进行煤气的燃烧计算时一般以1Nm³干煤气为基准，即以含有1Nm³干煤气及d_g(kg)水蒸气的湿煤气为基准进行计算，这样做的好处在于计算中所用的干煤气成分不会随煤气含湿量的变化而变化。

根据燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量、煤气燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量、入炉干煤气量以及输入参数中的烟气流量通过入炉煤量计算式计算得到入炉煤量，所述入炉煤量计算式为：

其中，B_c为入炉煤量，kg/h；Q_v为所述输入参数中的烟气流量,为标准状态下的烟气流量，m³/h；B_g为所述入炉干煤气量，(V_gy)_c为燃煤燃烧产生的实际干烟气量，为燃煤燃烧产生的水蒸气量，(V_gy)_g为煤气燃烧产生的实际干烟气量，为煤气燃烧产生的水蒸气量。

根据所述输入参数中的燃煤热值、煤气热值和煤气含湿量，以及所述入炉干煤气量和所述入炉煤量，通过锅炉输入热量计算式计算得到锅炉的输入热量，所述锅炉输入热量计算式为：

Q_r＝B_c(Q_ar,net)_c+B_g[(Q_d,net)_g-2257d_g]

其中，Q_r为锅炉输入热量，kJ/h；(Q_ar,net)_c为燃煤热值，所述燃煤热值为燃煤收到基低位发热量，kJ/kg；(Q_d,net)_g为煤气热值，所述煤气热值为煤气干燥基低位发热量，kJ/m³。

锅炉的热损失计算：

根据所述输入参数以及上述计算结果进行锅炉的热损失计算分别得到锅炉的排烟热损失、可燃气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失以及灰渣物理热损失，具体过程如下：

计算排烟热损失q₂：

其中，q₂为排烟热损失，％；Q_r为所述锅炉的输入热量；分别为干烟气和水蒸气带走的热量，kJ/h，其中和的具体求解方法如下：

其中，θ_py为排烟温度，℃；t₀为基准温度，取环境温度，℃；为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容；c_p,gy为排烟处干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，根据实际测得的干烟气成分按加权平均计算求得：

其中，φ′(O₂)、φ′(RO₂)、φ′(CO)、φ′(N₂)分别为干烟气中相应组分的容积含量百分率；分别为O₂、CO₂、CO、N₂在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容。

计算可燃气体未完全燃烧热损失q₃：

其中：q₃为可燃气体未完全燃烧热损失，％；B_c为所述入炉煤量；Q_r为所述锅炉的输入热量；B_g为所述入炉干煤气量；(V_gy)_c为所述煤燃烧产生的实际干烟气量；(V_gy)_g为所述煤气燃烧产生的实际干烟气量；φ′(CO)干烟气中一氧化碳的容积含量百分率。

计算固体未完全燃烧热损失q₄：

其中，q₄为固体未完全燃烧热损失，％；B_c为所述入炉煤量；A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率；Q_r为所述锅炉的输入热量；r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额；分别为炉渣和飞灰中的含碳量。

计算散热损失q₅：

其中，q₅为散热损失，％；D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；D为锅炉实际蒸发量，t/h；q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，％，其中锅炉额定负荷下的散热损失q_5e按下式获得：

q_5e＝5.82×(D_e)^-0.38

计算灰渣物理热损失q₆：

其中，q₆为灰渣物理热损失，％；c_lz为炉渣比热，kJ/(kg·K)；c_fh为飞灰比热，kJ/(kg·K)；t₀为所述环境温度；t_lz为由炉膛排出的炉渣温度，固态排渣煤粉炉可取为800℃，液态排渣煤粉炉可取为煤灰的熔化温度+100℃；B_c为所述入炉煤量；A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率；Q_r为所述锅炉的输入热量；r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额；θ_py为所述排烟温度，分别为炉渣和飞灰中的含碳量。

根据上述锅炉的各项热损失结果进行锅炉的热效率计算得到锅炉热效率，所述锅炉热效率通过计算式：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

计算得到，其中η_b为锅炉热效率。q₂为所述排烟热损失，q₃为所述可燃气体未完全燃烧热损失，q₄为所述固体未完全燃烧热损失，q₅为所述散热损失，q₆为所述灰渣物理热损失。

本发明中所述的煤气含湿量d_g，表示煤气中对应于标准状态下每立方米干煤气中的水分含量，即每Nm³干煤气携带的水分。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述的热效率计算方法包括：

根据仪表测量以及采样分析获取锅炉的输入参数；

根据所述输入参数进行燃煤的燃烧计算以得到燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及燃煤燃烧产生的烟气中的水蒸气量；

根据所述输入参数进行煤气的燃烧计算以得到煤气燃烧产生的实际干烟气量以及煤气燃烧产生的烟气中的水蒸气量；

根据所述输入参数中的入炉湿煤气量和煤气含湿量通过入炉干煤气量计算式计算得到入炉干煤气量；

根据燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及燃煤燃烧产生的烟气中的水蒸气量、煤气燃烧产生的实际干烟气量以及煤气燃烧产生的烟气中的水蒸气量、入炉干煤气量以及输入参数中的烟气流量通过入炉煤量计算式计算得到入炉煤量；

根据所述输入参数中的燃煤热值、煤气热值和煤气含湿量，以及所述入炉干煤气量和所述入炉煤量，通过锅炉输入热量计算式计算得到锅炉的输入热量；

根据所述输入参数以及上述计算结果进行锅炉的热损失计算分别得到锅炉的排烟热损失、可燃气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失以及灰渣物理热损失；

根据上述锅炉的各项热损失结果进行锅炉的热效率计算得到锅炉热效率；

所述入炉干煤气量计算公式为：

$B_g=\frac{0.833}{0.833+d_g}{B}_g^w$

其中，B_g为所述入炉干煤气量，所述入炉干煤气量为标准状态下的入炉干煤气量，为所述输入参数中的入炉湿煤气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量；

所述入炉煤量计算公式为：

$B_c=\frac{Q_v-B_g\[{\left(V_{gy}\right)}_g+{\left(V_{H_{2}O}\right)}_g\]}{{\left(V_{gy}\right)}_c+{\left(V_{H_{2}O}\right)}_c}$

其中，B_c为所述入炉煤量，Q_v所述输入参数中的烟气流量，B_g为所述入炉干煤气量，(V_gy)_c为燃煤燃烧产生的实际干烟气量，为燃煤燃烧产生的水蒸气量，(V_gy)_g为煤气燃烧产生的实际干烟气量，为煤气燃烧产生的水蒸气量；

所述热量计算公式为：

Q_r＝B_c(Q_ar,net)_c+B_g[(Q_d,net)_g-2257d_g]

式中，Q_r为所述锅炉的输入热量，(Q_ar,net)_c为所述输入参数中的燃煤热值，所述燃煤热值为燃煤收到基低位发热量，(Q_d,net)_g为所述输入参数中的煤气热值，所述煤气热值为煤气干燥基低位发热量，B_c为所述入炉煤量，B_g为所述入炉干煤气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量。

2.根据权利要求1所述的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述输入参数至少包括燃煤收到基中各元素及成分的质量含量百分率、炉渣和飞灰中的含碳量、排烟处干烟气含氧量，所述根据输入参数进行燃煤的燃烧计算以得到燃煤燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量的具体步骤包括：

1)根据第一计算式计算燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，所述第一计算式为：

$C_{ar}^r=C_{ar}-\frac{A_{ar}}{100}\[\frac{r_{lz}{C}_{lz}^C}{100-C_{lz}^C}+\frac{r_{fh}{C}_{fh}^C}{100-C_{fh}^C}\]$

式中，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，C_ar、A_ar分别为燃煤收到基碳元素和灰分的质量含量百分率，分别为炉渣和飞灰中的含碳量，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额；

2)根据第二计算式计算理论空气量，所述第二计算式为：

${\left(V_{gk}^0\right)}_c=0.0889(C_{ar}^r+0.375S_{ar})+0.265H_{ar}-0.0333O_{ar}$

其中，为每千克煤燃烧所需的理论空气量，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，S_ar、H_ar、O_ar分别为燃煤收到基中硫元素、氢元素和氧元素的质量含量百分率；

3)根据第三计算式计算理论干烟气量，所述第三计算式为：

${\left(V_{gy}^0\right)}_c=1.866\×\frac{C_{ar}^r+0.375S_{ar}}{100}+0.79{\left(V_{gk}^0\right)}_c+0.8\frac{N_{ar}}{100}$

其中，为每千克煤燃烧产生的理论干烟气量，为燃煤收到基实际燃烧掉的碳元素的质量含量百分率，S_ar、N_ar分别为燃煤收到基中硫元素、氮元素的质量含量百分率，为每千克煤燃烧所需的理论空气量；

4)根据第四计算式计算过量空气系数，所述第四计算式为：

${\mathrm{\α}}_c=\frac{21}{21-{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(O_2\right)}$

其中，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，φ′(O₂)为排烟处干烟气含氧量；

5)根据第五计算式计算所述实际干烟气量，所述第五计算式为：

${\left(V_{gy}\right)}_c={\left(V_{gy}^0\right)}_c+({\mathrm{\α}}_c-1){\left(V_{gk}^0\right)}_c$

其中，(V_gy)_c为每千克煤燃烧产生的实际干烟气量，为每千克煤燃烧产生的理论干烟气量，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，为每千克煤燃烧所需的理论空气量；

6)根据第六计算式计算所述水蒸气量，所述第六计算式为：

${\left(V_{H_{2}O}\right)}_c=1.24\[\frac{9H_{ar}+M_{ar}}{100}+1.293{\mathrm{\α}}_c{\left(V_{gk}^0\right)}_c{d}_k\]$

其中，为每千克煤燃烧产生的水蒸气量，M_ar为燃煤收到基水分质量含量百分率,H_ar为燃煤收到基中氢元素的质量含量百分率，α_c为煤燃烧对应的排烟处过量空气系数，为每千克煤燃烧所需的理论空气量，d_k为空气的绝对湿度。

3.根据权利要求1所述的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述输入参数至少包括干煤气中各成分容积含量百分率和煤气含湿量，根据输入参数进行煤气的燃烧计算以得到煤气燃烧产生的实际干烟气量以及烟气中的水蒸气量的具体步骤包括：

1)根据第七计算式计算煤气特性系数，所述第七计算式为:

${\mathrm{\β}}_g=\frac{0.395\[{\mathrm{\φ}}_g\left(H_2\right)+{\mathrm{\φ}}_g\left({\mathrm{CO}}_2\right)\]+0.79\Σ\[(m+\frac{n}{4}){\mathrm{\φ}}_g\left(C_m{H}_n\right)\]-0.79{\mathrm{\φ}}_g\left(O_2\right)+0.21{\mathrm{\φ}}_g\left(N_2\right)}{{\mathrm{\φ}}_g\left(CO\right)+\Σm\mathrm{\φ}\left(C_m{H}_n\right)+{\mathrm{\φ}}_g\left({\mathrm{CO}}_2\right)}-0.79$

其中，β_g为煤气特性系数，φ_g(CO)、φ_g(H₂)、φ_g(C_mH_n)、φ_g(CO₂)、φ_g(N₂)、φ_g(O₂)分别为干煤气中一氧化碳、氢气、碳氢化物、二氧化碳、氮气以及氧气的容积含量百分率；

2)根据第八计算式计算理论空气量，所述第八计算式为：

${\left(V_{gk}^0\right)}_g=\frac{1}{21}\[0.5{\mathrm{\φ}}_g\left(H_2\right)+0.5{\mathrm{\φ}}_g\left(CO\right)+\Σ(m+\frac{n}{4}){\mathrm{\φ}}_g\left(C_m{H}_n\right)-{\mathrm{\φ}}_g\left(O_2\right)\]$

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量；

3)根据第九计算式计算理论干烟气量，所述第九计算式为：

${\left(V_{gy}^0\right)}_g=\frac{1}{100}\[{\mathrm{\φ}}_g\left({\mathrm{CO}}_2\right)+{\mathrm{\φ}}_g\left(CO\right)+\Σ{\mathrm{m\φ}}_g\left(C_m{H}_n\right)+{\mathrm{\φ}}_g\left(N_2\right)\]+0.79{\left(V_{gk}^0\right)}_g$

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量；

4)根据迭代计算法联合求解煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数和煤气燃烧产生的实际干烟气量；

5)根据第十计算式计算煤气燃烧产生的水蒸气量：

${\left(V_{H_{2}O}\right)}_g=\frac{1}{100}\[{\mathrm{\φ}}_g\left(H_2\right)+\Σ\frac{n}{2}{\mathrm{\φ}}_g\left(C_m{H}_n\right)\]+\frac{d_g}{0.804}+\frac{1.293{\mathrm{\α}}_g{\left(V_{gk}^0\right)}_g{d}_k}{0.804}$

其中，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的水蒸气量，d_g为所述输入参数中的煤气含湿量，d_k为所述输入参数中的空气的绝对湿度，α_g为煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量。

4.根据权利要求3所述的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述的根据迭代计算法联合求解煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数和煤气燃烧产生的实际干烟气量的具体步骤包括：

1)设定一个实际干烟气量的假定值

2)根据设定的所述实际干烟气量的假定值通过过量空气系数计算式计算得到过量空气系数α_g，所述过量空气系数计算式为：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{21}{21-{\mathrm{k\φ}}^{\′}\left(O_2\right)}$

其中，α_g为煤气燃烧对应的排烟处过量空气系数，φ′(O₂)为排烟处干烟气含氧量，k为修正系数，所述修正系数k通过计算式：

$k=\frac{79}{100-\frac{21+{\mathrm{\β}}_g{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(O_2\right)}{1+{\mathrm{\β}}_g}-\frac{{\mathrm{\φ}}_g\left(N_2\right)}{{\left(V_{gy}^{jd}\right)}_g}}$

计算得到，其中为所述实际干烟气量的假定值，β_g为煤气特性系数，φ′(O₂)为干烟气中氧气的容积含量百分率，φ_g(N₂)为干煤气氮气的容积含量百分率；

3)根据所述过量空气系数、所述理论空气量和所述理论干烟气量，通过实际干烟气量计算式计算得到实际干烟气量，所述实际干烟气量计算式为：

${\left(V_{gy}\right)}_g={\left(V_{gy}^0\right)}_g+({\mathrm{\α}}_g-1){\left(V_{gk}^0\right)}_g$

其中，(V_gy)_g为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，为标准状态下每立方米干煤气燃烧所需的理论空气量，α_g为过量空气系数；

4)将所述实际干烟气量的假定值与计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g作差，将得出的差值与预定的误差范围作比较；

若差值在预定的误差范围内，则计算出的所述实际干烟气量(V_gy)_g即为煤气燃烧产生的实际干烟气量，输出最终的过量空气系数α_g，输出最终的实际干烟气量(V_gy)_g；

若差值超出了预定的误差范围，则求出所述实际干烟气量的假定值与计算出的实际干烟气量(V_gy)_g的平均值，将所述平均值赋值给实际干烟气量的假定值，再重新进行上述1)～4)的计算。

5.根据权利要求1所述的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述锅炉的热效率通过公式：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

计算得到，其中η_b为所述锅炉热效率，q₂为所述排烟热损失，q₃为所述可燃气体未完全燃烧热损失，q₄为所述固体未完全燃烧热损失，q₅为所述散热损失，q₆为所述灰渣物理热损失。

6.根据权利要求1所述的煤粉和高炉煤气混烧锅炉的热效率计算方法，其特征在于：所述输入参数至少包括排烟温度、环境温度、干烟气中各成分气体的容积百分率、飞灰含碳量和炉渣含碳量，所述锅炉的热损失计算的具体步骤包括：

1)计算所述排烟热损失，所述排烟热损失通过计算式：

$q_2=\frac{Q_2^{gy}+Q_2^{H_{2}O}}{Q_r}\×100$

计算得到，其中q₂为排烟热损失，Q_r为所述锅炉的输入热量，分别为干烟气和水蒸气带走的热量，所述干烟气和水蒸气带走的热量和分别通过计算式：

$Q_2^{gy}=\[B_c{\left(V_{gy}\right)}_c+B_g{\left(V_{gy}\right)}_g\]c_{p,gy}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)$

$Q_2^{H_{2}O}=\[B_c{\left(V_{H_{2}O}\right)}_c+B_g{\left(V_{H_{2}O}\right)}_g\]c_{p,H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)$

计算得到，其中θ_py为所述排烟温度，t₀为所述环境温度，B_c为所述入炉煤量，B_g为所述入炉干煤气量，(V_gy)_c为所述煤燃烧产生的实际干烟气量，(V_gy)_g为所述煤气燃烧产生的实际干烟气量，为所述煤燃烧产生的水蒸气量，为所述煤气燃烧产生的水蒸气量，为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，c_p,gy为排烟处干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，所述的排烟处干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容c_p,gy通过计算式：

$c_{p,gy}=c_{p,O_2}\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(O_2\right)}{100}+c_{p,{\mathrm{CO}}_2}\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}\left({\mathrm{RO}}_2\right)}{100}+c_{p,CO}\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(CO\right)}{100}+c_{p,N_2}\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(N_2\right)}{100}$

计算得到，其中φ′(O₂)、φ′(RO₂)、φ′(CO)、φ′(N₂)分别为干烟气中氧气、三原子气体、一氧化碳、氮气的容积含量百分率，分别为氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容；

2)计算所述可燃气体未完全燃烧热损失，所述可燃气体未完全燃烧热损失通过计算式：

$q_3=12636\frac{B_c{\left(V_{gy}\right)}_c+B_g{\left(V_{gy}\right)}_g}{Q_r}{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(CO\right)$

计算得到，其中q₃为可燃气体未完全燃烧热损失，B_c为入炉煤量，Q_r为锅炉的输入热量，B_g为入炉干煤气量，(V_gy)_c为所述煤燃烧产生的实际干烟气量，(V_gy)_g为所述煤气燃烧产生的实际干烟气量，φ′(CO)干烟气中一氧化碳的容积含量百分率；

3)计算所述固体未完全燃烧热损失，所述固体未完全燃烧热损失通过计算式：

$q_4=\frac{337.27B_c{A}_{ar}}{Q_r}\[\frac{r_{lz}{C}_{lz}^C}{100-C_{lz}^C}+\frac{r_{fh}{C}_{fh}^C}{100-C_{fh}^C}\]$

计算得到，其中q₄为固体未完全燃烧热损失，B_c为入炉煤量，A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率，Q_r为锅炉的输入热量，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额，分别为炉渣和飞灰中的含碳量；

4)计算所述散热损失，其中所述散热损失通过计算式：

$q_5=\frac{D_e}{D}{q}_{5e}$

计算得到，其中q₅为散热损失，D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，D为锅炉实际蒸发量，q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，其中所述锅炉额定负荷下的散热损失q_5e通过计算式：

q_5e＝5.82×(D_e)^-0.38

计算得到；

5)计算所述灰渣物理热损失，所述灰渣物理热损失通过计算式：

$q_6=\frac{B_c{A}_{ar}}{Q_r}\[\frac{r_{lz}\left(t_{lz}-t_0\right)c_{lz}}{100-C_{lz}^C}+\frac{r_{fh}\left({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0\right)c_{fh}}{100-C_{fh}^C}\]$

计算得到，其中q₆为灰渣物理热损失，B_c为所述入炉煤量，A_ar为燃煤收到基灰分的质量含量百分率，Q_r为锅炉的输入热量，c_lz为炉渣比热，c_fh为飞灰比热，t₀为所述环境温度，t_lz为炉膛排出的炉渣温度，r_lz、r_fh分别为炉渣和飞灰中灰量占燃煤总灰量的份额，θ_py为所述排烟温度，分别为炉渣和飞灰中的含碳量。