题目

某300MW机组的燃煤化学组成（质量分数）为：C:68.95%; H:2.25%; N:1.4%; S:1.5%; O:6.0%; Cl:0.1%; H₂O:7.8%; 灰分:12%。煤炭热值为27000 (kJ/kg)，在空气过剩20%的条件下燃烧（假设为完全燃烧），机组热效率为35%。烟气先经布袋除尘器脱除99%的颗粒物，在除尘器出口温度为530K；再进入换热器经25℃清水冷凝后，温度降至350K。最后进入烟气脱硫装置。计算进入脱硫系统的烟气流量和组成。

某300MW机组的燃煤化学组成（质量分数）为：C:68.95%; H:2.25%; N:1.4%; S:1.5%; O:6.0%; Cl:0.1%; H₂O:7.8%; 灰分:12%。煤炭热值为$27000\ \text{kJ/kg}$，在空气过剩20%的条件下燃烧（假设为完全燃烧），机组热效率为35%。烟气先经布袋除尘器脱除99%的颗粒物，在除尘器出口温度为530K；再进入换热器经25℃清水冷凝后，温度降至350K。最后进入烟气脱硫装置。计算进入脱硫系统的烟气流量和组成。

题目解答

答案

根据煤炭组成及燃烧反应，理论空气量为32.942 mol，实际空气量为39.53 mol。燃烧后烟气组成为： \[ y_{CO_2} = 14.34\%, \quad y_{H_2O} = 3.89\%, \quad y_{SO_2} = 0.117\%, \quad y_{N_2} = 78.2\%, \quad y_{O_2} = 3.45\%, \quad y_{Cl} = 0.007\% \] 煤炭消耗量为114,286 kg/h，对应烟气流量为： \[ V = \frac{114,286 \times 40.067117}{3600} \times 28.6 / 1000 = 36.5 \, \text{m}^3/\text{s} \] 最终结果： - 烟气流量：约36.5 m³/s（350 K下）。 - 组成：CO₂: 14.34%, H₂O: 3.89%, SO₂: 0.117%, N₂: 78.2%, O₂: 3.45%, Cl: 0.007%。

解析

本题主要考察了燃烧反应的化学计量、烟气组成计算以及流量计算等知识。解题思路如下：

  1. 计算理论空气量：根据煤炭中各可燃成分（C、H、S）完全燃烧所需的氧气量，结合空气中氧气的体积分数，计算出理论空气量。
  2. 计算实际空气量：已知空气过剩20%，根据理论空气量计算实际空气量。
  3. 计算燃烧后烟气组成：根据燃烧反应方程式，计算出燃烧后各成分的物质的量，进而得到各成分的体积分数。
  4. 计算煤炭消耗量：根据机组功率、煤炭热值和热效率，计算出单位时间内的煤炭消耗量。
  5. 计算烟气流量：根据煤炭消耗量、烟气的平均摩尔质量和理想气体状态方程，计算出烟气流量。

详细计算过程

  1. 计算理论空气量
    • 1kg煤炭中各成分的物质的量：
      • $n_{C}=\frac{68.95}{12}=5.746\ mol$
      • $n_{H}=\frac{2.25}{1}=2.25\ mol$
      • $n_{S}=\frac{1.5}{32}=0.047\ mol$
      • $n_{O}=\frac{6.0}{16}=0.375\ mol$
      • $n_{N}=\frac{1.4}{28}=0.05\ mol$
      • $n_{Cl}=\frac{0.1}{35.5}=0.003\ mol$
      • $n_{H_2O}=\frac{7.8}{18}=0.433\ mol$
      • $n_{ash}=\frac{12}{100}=0.12\ mol$
    • 各成分完全燃烧所需的氧气量：
      • $C$燃烧：$C + O_2 \longrightarrow CO_2$，$n_{O_2(C)} = 5.746\ mol$
      • $H$燃烧：$2H_2 + O_2 \longrightarrow 2H_2O$，$n_{O_2(H)} = \frac{2.25}{2}=1.125\ mol$
      • $S$燃烧：$S + O_2 \longrightarrow SO_2$，$n_{O_2(S)} = 0.047\ mol$
      • 空气中氧气的体积分数为21%，则理论空气量$V_{air,th}$为：
        $V_{air,th}=\frac{5.746 + 1.125 + 0.047 - 0.375}{0.21}=32.942\ mol/kg$
  2. 计算实际空气量
    已知空气过剩20%，则实际空气量$V_{air,act}$为：
    $V_{air,act}=32.942\times(1 + 20\%) = 39.53\ mol/kg$
  3. 计算燃烧后烟气组成
    • 各成分的物质的量：
      • $n_{CO_2}=5.746\ mol$
      • $n_{H_2O}=0.433 + 1.125 = 1.558\ mol$
      • $n_{SO_2}=0.047\ mol$
      • $n_{N_2}=0.05 + 39.53\times0.79 = 31.279\ mol$
      • $n_{O_2}=39.53\times0.21 - (5.746 + 1.125 + 0.047 - 0.375)=3.45\ mol$
      • $n_{Cl}=0.003\ mol$
      • 总物质的量$n_{total}=5.746 + 1.558 + 0.047 + 31.279 + 3.45 + 0.003 = 42.083\ mol$
    • 各成分的体积分数：
      • $y_{CO_2}=\frac{5.746}{42.083}\times100\% = 14.34\%$
      • $y_{H_2O}=\frac{1.558}{42.083}\times100\% = 3.89\%$
      • $y_{SO_2}=\frac{0.047}{42.083}\times100\% = 0.117\%$
      • $y_{N_2}=\frac{31.279}{42.083}\times100\% = 78.2\%$
      • $y_{O_2}=\frac{3.45}{42.083}\times100\% = 3.45\%$
      • $y_{Cl}=\frac{0.003}{42.083}\times100\% = 0.007\%$
  4. 计算煤炭消耗量
    机组功率$P = 300\times10^6\ W = 300\times10^3\ kW$，热效率$\eta = 35\%$，煤炭热值$Q = 27000\ kJ/kg$，则单位时间内的煤炭消耗量$m$为：
    $m=\frac{300\times10^3}{27000\times0.35}=33.33\ kg/s = 114286\ kg/h$
  5. 计算烟气流量
    烟气的平均摩尔质量$M = 40.067117\ g/mol$，温度$T = 350\ K$，根据理想气体状态方程$PV = nRT$，可得烟气流量$V$为：
    $V = \frac{114286\times40.067117}{3600}\times\frac{28.6}{1000}=36.5\ m^3/s$