最佳过量空气系数的确定方法
高丽霞，袁隆基，陈志荣，丁艳，李聪
中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州（221008）
E-mail ：
摘 要：锅炉是工况企业大量使用的一种主要动力设备。但是由于设备和运行的原因，锅炉的实际热效率只能达到设计效率的80%左右，大大降低了能源的利用率。文章从运行方面入手，把影响锅炉热效率的一个重要指标—过量空气系数作为对象，分别分析了它与排烟热损失q 2、气体不完全热损失q 3和固体不完全热损失q 4的关系，可以看出存在一个最佳过量
最后文章利用数学上求极值的方法得出最佳过量空气系数的空气系数使得q 2+q 3+q 4最小，
计算公式。利用文章推导出的公式结合锅炉送风控制系统，可以在线准确的确定最佳过量空气系数并指导调风，从而可以修正了现在实际运行中使用它的经验值产生的误差。 关键词：锅炉；过量空气系数；热损失
1. 引言
锅炉是工矿企业大量使用的一种主要动力设备。但是目前大部分在用锅炉的热效率最高也只能达到设计效率的80%左右，影响锅炉热效率的因素很多，既有设备本身的问题，也有操作技术问题。其中过量空气系数α对锅炉热效率的影响是不可忽视的。
α的确定主要取决于锅炉燃烧的经济性，α过大会增加排烟热损失q 2，过小则会增加气体不完全燃烧热损失q 3，和固体不完全燃烧热损失q 4。所以需要确定一个最佳α使得q 2+q 3+q 4和最小。而现在大多电厂锅炉是根据经验确定最佳α，由于锅炉运行工况是不断变化的，因此仅仅靠经验判断准确度是比较差的。
2. 最佳过量空气系数α的确定
在锅炉的实际运行中，为了保证燃料能够尽可能地完全燃烧，以得到较高的燃烧温度，其空气供给量必须比理论计算空气供给量V 多一些，称实际空气供给量V k 。实际空气量与0
理论空气量的比值就称之为空气过剩系数α。即：α=V K
V 0
2.1 过量空气系数α与热损失的关系
2.1.1 α与排烟热损失q 4的关系
根据经验公式[1]：
q 2=(0. 5+3. 5α) ×(t py −t k ) (1)
t py — 排烟空气温度，℃；
t k —— 冷空气温度，℃；
可以看出在保证燃料完全燃烧的前提下，为了得到较低的排烟温度，应尽可能的减小α，以减少q 2的损失，提高锅炉的热效率。
2.1.2 α与化学不完全燃烧损失q 3的关系：
q 3=3. 2αCO % (2)
又 CO =21−(1+β) RO 2−O 2 (0. 605+β)
β—燃料特性系数，与燃料种类有关
RO 2—烟气中SO 2和CO 2的含量
所以在不考虑燃料变化的情况下,q 3与α也成线性关系，α增大时，在C0％ 变化不大时，q 3也增加。当α过小时，引起燃烧不完全，烟气中的可燃物α的含量急剧增加，引起q 3的增加。
2.1.3 α与固体不完全燃烧损失q 4的关系
根据经验公式[2]计算
q 4=100−(100q 2/(0. 5α+3. 5) (3) t py −t k
不难看出当α增加时，q 2增加的速率大于α增加速率，这时q 4反而减少。当α过大时，在排烟温度不高的情况下，q 2增加速率较小时，q 4也会增大。在锅炉的实际运行中，q 4的决定因素之一的灰渣含碳量与系数有着直接的关系。α过小空气供给量不足，燃料和空气不能充分均匀混合使燃料不能达到完全燃烧，造成燃烧温度降低，使炉渣含碳量急剧增加，因而也使得q 4急剧上升。而α过大，容易造成炉膛温度降低，使炉渣含碳量增加，引起q 4增大。
2.2 最佳过量空气系数α
从式(1)、(2)和(3)中可以看出α与反平衡热效率η的关系。由于q 2+q 3+q 4之和占全部热损失的80%左右，因此可以认为：当q 2+q 3+q 4最小时，即是锅炉运行中的最佳过量空气系数α，它们关系如图1所示。
αzj
图1 α与各热损失关系示意图
实际运行中，α越趋近于αzj ，锅炉的热效率越高，所以α
是锅炉运行的一个重要
经济指标。在现场中，把αzj 作为标准值，以检测烟气中氧的含量来监测α，使之与标准值比较，检查送风量是否合理。而αzj 根据试验和经验值确定，由于α随工况的变化而变，所以αzj 也是处于不断变化中的，仅仅只靠经验值，误差会很大，对锅炉的热效率的影响也是
不容忽视的。所以如果可以根据负荷和煤种的变化及时得出该负荷该煤种下的αzj 来修正经验值，就可以大大降低上述误差。
联合公式(1)、(2)和(3)得：
q 2+q 3+q 4
=(0. 5+3. 5α) ×(t py −t k ) +3. 2αCO %+100−(
=100q 2/(0. 5α+3. 5) t py −t k 1{[1. 75(t py −t k ) +1. 6CO %]α2−[12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300]α+0. 5α+3. 5
[1. 75(t py −t k ) +300]}
1{[3. 5(t py −t k ) +1. 6CO %]α−[12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300]} 4
当 (q2+q 3+q 4) ′=0， 所以：(q2+q 3+q 4) ′=
即 α=12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300
3. 5(t py −t k ) +1. 6CO % （4）
时，q 2+q 3+q 4和达到极小值，那么式（4）所求出的α就是αzj 。
在计算过程中，因为α≥1, 把1中的α取1，一方面可以简化计算，另外一0. 5α+3. 5
方面使分母最小，这样求出的最小值更具可信度。
又 CO =21−(1+β) RO 2−O 2 (0. 605+β)
锅炉运行中，冷空气温度t k 一般是固定的，所以只需知道排烟温度t py 和烟气中CO 2、SO 2和O 2的含量，就可计算出此时所需的αzj 。
3. 结语
合理选用控制过量空气系数对提高燃烧效率，节能降耗，减低排放污染，保证设备安全具有重要意义。根据上述确定αzj 的方法，和锅炉控制系统结合，可以在线求出当前工况的αzj ，以此来修正经验值，指导风量调节，降低由于经验值的不足产生的误差对锅炉热效率的影响。
参考文献
[1] 施益昌. 通过控制过量空气系数提高注汽锅炉热效率[J]. 管道技术及设备,2004年第1期
[2] 韩秀丽. 空气过剩系数对锅炉热效率的影响[J]. 陕西工学院学报, 2002年18卷第4期
[3] 高峰. 锅炉热经济性燃烧调整分析[J].锅炉技术,2007年第38卷第4期 [4] 叶江明. 电厂锅炉原理及设备[M]. 中国电力出版社,2004.8
[5] 张春发, 曹洪涛, 李晓金. 锅炉机械不完全燃烧损失q 4解析评估模型研究[J]. 锅炉技术 ,2003年34卷第4期
[6] 牛天况. 富氧燃烧锅炉初探[J]. 锅炉技术,2008年39卷第1期
The way to ascertain the optimal excess air coefficient
Gao Lixia, Yuan Longji, Chen Zhirong, Ding yan, Li cong
College of Electromechanical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu
Xuzhou （221008)
Abstract
Boiler is used widely as power equipment. But, because of the equipments and operation, the boiler’s thermal efficiency is only 80% of design value. According to the importance of the excess air coefficient to the thermal efficiency, the paper analyzes the relation of the excess air coefficient and waste heat loss q2, gas incomplete combustion heat loss q3，solid incomplete combustion heat loss q4，from which we can see there is an optimal excess air coefficient can make the least of q 2+q 3+q 4, at last, the paper gets the formula of optimal excess air coefficient by using the way of ascertain extreme value. With this formula, the boiler’s air flow system can ascertain the optimal excess air coefficient online, so it can modify the error of empirical value .
Key words: Boiler; Excess air coefficient; Heat loss
作者简介：高丽霞（1983-），女，陕西定边，中国矿业大学（徐州）机电工程学院2007级在读研硕士究生，研究方向：流体机械及工程。
最佳过量空气系数的确定方法
高丽霞，袁隆基，陈志荣，丁艳，李聪
中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州（221008）
E-mail ：
摘 要：锅炉是工况企业大量使用的一种主要动力设备。但是由于设备和运行的原因，锅炉的实际热效率只能达到设计效率的80%左右，大大降低了能源的利用率。文章从运行方面入手，把影响锅炉热效率的一个重要指标—过量空气系数作为对象，分别分析了它与排烟热损失q 2、气体不完全热损失q 3和固体不完全热损失q 4的关系，可以看出存在一个最佳过量
最后文章利用数学上求极值的方法得出最佳过量空气系数的空气系数使得q 2+q 3+q 4最小，
计算公式。利用文章推导出的公式结合锅炉送风控制系统，可以在线准确的确定最佳过量空气系数并指导调风，从而可以修正了现在实际运行中使用它的经验值产生的误差。 关键词：锅炉；过量空气系数；热损失
1. 引言
锅炉是工矿企业大量使用的一种主要动力设备。但是目前大部分在用锅炉的热效率最高也只能达到设计效率的80%左右，影响锅炉热效率的因素很多，既有设备本身的问题，也有操作技术问题。其中过量空气系数α对锅炉热效率的影响是不可忽视的。
α的确定主要取决于锅炉燃烧的经济性，α过大会增加排烟热损失q 2，过小则会增加气体不完全燃烧热损失q 3，和固体不完全燃烧热损失q 4。所以需要确定一个最佳α使得q 2+q 3+q 4和最小。而现在大多电厂锅炉是根据经验确定最佳α，由于锅炉运行工况是不断变化的，因此仅仅靠经验判断准确度是比较差的。
2. 最佳过量空气系数α的确定
在锅炉的实际运行中，为了保证燃料能够尽可能地完全燃烧，以得到较高的燃烧温度，其空气供给量必须比理论计算空气供给量V 多一些，称实际空气供给量V k 。实际空气量与0
理论空气量的比值就称之为空气过剩系数α。即：α=V K
V 0
2.1 过量空气系数α与热损失的关系
2.1.1 α与排烟热损失q 4的关系
根据经验公式[1]：
q 2=(0. 5+3. 5α) ×(t py −t k ) (1)
t py — 排烟空气温度，℃；
t k —— 冷空气温度，℃；
可以看出在保证燃料完全燃烧的前提下，为了得到较低的排烟温度，应尽可能的减小α，以减少q 2的损失，提高锅炉的热效率。
2.1.2 α与化学不完全燃烧损失q 3的关系：
q 3=3. 2αCO % (2)
又 CO =21−(1+β) RO 2−O 2 (0. 605+β)
β—燃料特性系数，与燃料种类有关
RO 2—烟气中SO 2和CO 2的含量
所以在不考虑燃料变化的情况下,q 3与α也成线性关系，α增大时，在C0％ 变化不大时，q 3也增加。当α过小时，引起燃烧不完全，烟气中的可燃物α的含量急剧增加，引起q 3的增加。
2.1.3 α与固体不完全燃烧损失q 4的关系
根据经验公式[2]计算
q 4=100−(100q 2/(0. 5α+3. 5) (3) t py −t k
不难看出当α增加时，q 2增加的速率大于α增加速率，这时q 4反而减少。当α过大时，在排烟温度不高的情况下，q 2增加速率较小时，q 4也会增大。在锅炉的实际运行中，q 4的决定因素之一的灰渣含碳量与系数有着直接的关系。α过小空气供给量不足，燃料和空气不能充分均匀混合使燃料不能达到完全燃烧，造成燃烧温度降低，使炉渣含碳量急剧增加，因而也使得q 4急剧上升。而α过大，容易造成炉膛温度降低，使炉渣含碳量增加，引起q 4增大。
2.2 最佳过量空气系数α
从式(1)、(2)和(3)中可以看出α与反平衡热效率η的关系。由于q 2+q 3+q 4之和占全部热损失的80%左右，因此可以认为：当q 2+q 3+q 4最小时，即是锅炉运行中的最佳过量空气系数α，它们关系如图1所示。
αzj
图1 α与各热损失关系示意图
实际运行中，α越趋近于αzj ，锅炉的热效率越高，所以α
是锅炉运行的一个重要
经济指标。在现场中，把αzj 作为标准值，以检测烟气中氧的含量来监测α，使之与标准值比较，检查送风量是否合理。而αzj 根据试验和经验值确定，由于α随工况的变化而变，所以αzj 也是处于不断变化中的，仅仅只靠经验值，误差会很大，对锅炉的热效率的影响也是
不容忽视的。所以如果可以根据负荷和煤种的变化及时得出该负荷该煤种下的αzj 来修正经验值，就可以大大降低上述误差。
联合公式(1)、(2)和(3)得：
q 2+q 3+q 4
=(0. 5+3. 5α) ×(t py −t k ) +3. 2αCO %+100−(
=100q 2/(0. 5α+3. 5) t py −t k 1{[1. 75(t py −t k ) +1. 6CO %]α2−[12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300]α+0. 5α+3. 5
[1. 75(t py −t k ) +300]}
1{[3. 5(t py −t k ) +1. 6CO %]α−[12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300]} 4
当 (q2+q 3+q 4) ′=0， 所以：(q2+q 3+q 4) ′=
即 α=12. 5(t py −t k ) +12. 2CO %−300
3. 5(t py −t k ) +1. 6CO % （4）
时，q 2+q 3+q 4和达到极小值，那么式（4）所求出的α就是αzj 。
在计算过程中，因为α≥1, 把1中的α取1，一方面可以简化计算，另外一0. 5α+3. 5
方面使分母最小，这样求出的最小值更具可信度。
又 CO =21−(1+β) RO 2−O 2 (0. 605+β)
锅炉运行中，冷空气温度t k 一般是固定的，所以只需知道排烟温度t py 和烟气中CO 2、SO 2和O 2的含量，就可计算出此时所需的αzj 。
3. 结语
合理选用控制过量空气系数对提高燃烧效率，节能降耗，减低排放污染，保证设备安全具有重要意义。根据上述确定αzj 的方法，和锅炉控制系统结合，可以在线求出当前工况的αzj ，以此来修正经验值，指导风量调节，降低由于经验值的不足产生的误差对锅炉热效率的影响。
参考文献
[1] 施益昌. 通过控制过量空气系数提高注汽锅炉热效率[J]. 管道技术及设备,2004年第1期
[2] 韩秀丽. 空气过剩系数对锅炉热效率的影响[J]. 陕西工学院学报, 2002年18卷第4期
[3] 高峰. 锅炉热经济性燃烧调整分析[J].锅炉技术,2007年第38卷第4期 [4] 叶江明. 电厂锅炉原理及设备[M]. 中国电力出版社,2004.8
[5] 张春发, 曹洪涛, 李晓金. 锅炉机械不完全燃烧损失q 4解析评估模型研究[J]. 锅炉技术 ,2003年34卷第4期
[6] 牛天况. 富氧燃烧锅炉初探[J]. 锅炉技术,2008年39卷第1期
The way to ascertain the optimal excess air coefficient
Gao Lixia, Yuan Longji, Chen Zhirong, Ding yan, Li cong
College of Electromechanical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu
Xuzhou （221008)
Abstract
Boiler is used widely as power equipment. But, because of the equipments and operation, the boiler’s thermal efficiency is only 80% of design value. According to the importance of the excess air coefficient to the thermal efficiency, the paper analyzes the relation of the excess air coefficient and waste heat loss q2, gas incomplete combustion heat loss q3，solid incomplete combustion heat loss q4，from which we can see there is an optimal excess air coefficient can make the least of q 2+q 3+q 4, at last, the paper gets the formula of optimal excess air coefficient by using the way of ascertain extreme value. With this formula, the boiler’s air flow system can ascertain the optimal excess air coefficient online, so it can modify the error of empirical value .
Key words: Boiler; Excess air coefficient; Heat loss
作者简介：高丽霞（1983-），女，陕西定边，中国矿业大学（徐州）机电工程学院2007级在读研硕士究生，研究方向：流体机械及工程。