3吉大燃烧学工程燃烧计算

第3章工程燃烧计算学习目的：•掌握燃烧空气量的计算•掌握烟气量的计算•掌握燃烧温度的计算3.1燃烧过程的化学反应•如果燃料中所有的碳都氧化为CO2、所有的氢都氧化为H2O、所有的硫都氧化为SO2，则这种燃烧称为完全燃烧，否则称为不完全燃烧。•在工程燃烧计算中，一般按单位数量的燃料来考虑。单位数量的燃料是指每千克或每标准立方米计量的燃料量，即固体和液体燃料用1kg燃料计算，气体燃料用1m3（标况下）燃料计算。•工程燃烧计算所关心的是燃烧的宏观结果，不探索反应的内部过程。3.1燃烧过程的化学反应（1）碳在氧气中的燃烧反应计算式完全燃烧时：•C+O2→CO2+393546kJ/kmolc•(12kg)C+(22.4m3)O2→(22.4m3)CO2•(1kg)C+(1.866m3)O2→(1.866m3)CO2(3-1)•不完全燃烧时：•2C+O2→2CO+2110541kJ/kmolc•(24kg)C+(22.4m3)O2→(44.8m3)CO•(1kg)C+(0.933m3)O2→(1.866m3)CO(3-2)燃料中可燃成分C、H、S与氧的化学反应与质量平衡是进行工程燃烧计算的基础。3.1燃烧过程的化学反应（2）氢在氧气中的完全燃烧反应2H2+O2→2H2O+2241845kJ/kmolH2(4kg)H2+(22.4m3)O2→(44.8m3)H2O(1kg)H2+(5.56m3)O2→(11.1m3)H2O(3-3)（3）硫在氧气中的完全燃烧反应S+O2→SO2+294750kJ/kmols(32kg)S+(22.4m3)O2→(22.4m3)SO2(1kg)S+(0.7m3)O2→(0.7m3)SO2(3-4)3.1燃烧过程的化学反应（4）碳氢化合物CnHm在氧气中完全燃烧反应•CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+(m/2)H2O+Q(3-5)（5）若用空气作为氧化剂，则1mol的O2必然附带加入0.79/0.21=3.76(mol)的N2（其它惰性气体忽略不计）。•C+O2+3.76N2→CO2+3.76N2(3-6)低温时，N2不参与反应，在高温情况下，一部分N2会分解，生成N原子，继而与O2或O原子反应生成NO和NO2,但在工程计算时这部分影响不予考虑。3.2燃烧空气量的计算3.2.1理论空气量•1kg（或1m3）燃料完全燃烧时所需的最小空气量（燃烧产物烟气中氧气为零）称为理论空气需要量，简称理论空气量。•理论空气量也就是从燃烧化学反应式出发，计算出的1kg（或1m3）燃料所含可燃元素完全燃烧所需的空气量。用容积V0表示，用质量L0表示。•通常先求出1kg燃料完全燃烧所需的O2量，然后再折算成空气量。3.2燃烧空气量的计算•则1kg燃料完全燃烧所需的O2的体积量（m3）为：VO2=(1.866Car＋5.56Har＋0.7Sar－0.7Oar)/100•1kg燃料燃烧所需的理论空气量体积数和质量数可按下式计算：•V0=VO2/0.21=0.0889Car＋0.265Har＋0.0333Sar－0.0333Oar[m3空气/kg燃料]L0=1.293V0=0.115Car＋0.343Har＋0.043Sar－0.043Oar[kg空气/kg燃料]式中，1.293——干空气在标准状态（0℃,101.3kPa）下的密度，kg/m3.如1kg燃料中收到基碳含量为Car/100（kg），氢含量为Har/100（kg），硫含量为Sar/100（kg），Oar/100（kg）3.2燃烧空气量的计算•烟气分析中常将碳和硫的燃烧产物CO2和SO2的容积一起测定，记为RO2，•可将碳和硫的完全燃烧反应式写成通式R＋O2→RO2，•其中Rar＝Car＋0.375Sar，相当于1kg燃料中的当量碳量：V0=0.0889Rar＋0.265Har-0.0333Oar(3-9)L0=0.115Rar＋0.343Har-0.043Oar(3-10)•对于气体燃料（设含H2、CO、H2S、CnHm、O2），应按其收到基湿成分为基准进行计算：V0=4.76[0.5H2s+0.5COs+1.5H2Ss+∑(n+m/4)CnHms-O2s]/100(3-11)式中H2s、COs、H2Ss、CnHms、O2s为气体燃料中各组分的湿成分体积百分数，%。式（3-11）中V0是指不含水蒸气的干空气。理论空气量仅取决于燃料成分，当燃料确定后其V0为常数。3.2燃烧空气量的计算3.2.2实际空气量和过量空气系数•为了使燃料尽可能的完全燃烧，实际供给的空气量必然要多于理论空气量，而超过理论空气量的那部分称为过量空气量。•实际空气量Vk与理论空气量V0之比称为过量空气系数：Vk/V0=或β(3-12)•实际空气量和过量空气量可用下两式计算：Vk=V0(3-13)Vg=Vk－V0=V0(－1)(3-14)3.2燃烧空气量的计算•在燃烧设备中，对燃烧有重大影响的是炉膛出口处的过量空气系数1“；•1“的大小直接影响燃烧效率和热效率；•1“过大会造成大的排烟热损失，使炉温降低，不利于燃烧；•1“过小会造成固体及气体不完全燃烧损失过大，且污染物排放浓度高；•对于气化炉，实际空气量小于理论空气量，用空气消耗系数N表示实际空气量与理论空气量之比，即N=Vk/V0。3.2燃烧空气量的计算3.2.3漏风系数和空气平衡对于负压运行的锅炉等热能设备，环境空气会通过不严密处漏入炉内及烟道内，致使烟气中过量空气系数增加。•相对于1kg燃料，漏入的空气量V与理论空气量V0之比，称为漏风系数，用表示：=V/V0(3-15)•漏风使烟道内的过量空气系数沿烟气流程逐渐增大。从炉膛出口开始，烟道内任意截面处的过量空气系数为：i=1+∑ii(3-16)•在空气预热器中的空气平衡式为：β'ky=βky+ky(3-17)•考虑到炉膛及制粉系统的负压漏风，则有：βky=1－1－zf(3-18)3.3燃烧烟气量的计算3.3.1理论烟气量的计算•1kg固体或液体燃料在＝1的情况下完全燃烧，所生成的烟气量称为理论烟气量（m3/kg）：Vy0=VRO2+VH2O0+VN20(3-19)•根据燃烧反应式，式（3-19）右边各项可按下列各式计算：VRO2=0.01866Car＋0.007Sar=0.01866(Car＋0.375Sar)(3-20)VH2O0=0.111Har＋0.0124Mar+0.0161V0(3-21)VN20=0.008Nar+0.79V0(3-22)•1m3（标况下）气体燃料在＝1的情况下完全燃烧，所生成的理论烟气量，可由气体燃料的湿成分按式（3-23）计算：Vy0=[CO2s+COs+2H2Ss+∑(n+m/2)CnHms+H2s+H2Os+N2s]/100+0.806V0(3-23)22.4/28/100标况下干空气的密度：1.293kg／Nm3(=28.96/22.4)，标况下水蒸气的密度：18／22.4＝0.804kg／Nm3所以单位体积空气中的水蒸气量为：dk为空气中所含的水蒸气量（克／千克空气）习惯上，空气中所含的水蒸气量（含湿量）用“克／千克空气”表示，其值一般取为dk＝10g/kg，或根据温度查数据表得到含湿量。由理论空气量V0带入的水分为0.0161V0(Nm3／kgf)。V0的单位：NmK3／kgf3.3燃烧烟气量的计算3.3.2完全燃烧时的实际烟气量计算•如果1，则1kg燃料在实际空气量Vk下完全燃烧所产生的烟气量称为实际烟气量。•与理论烟气量相比，在烟气组分上多了一项O2；•在烟气总量上，多了过量空气(－1)V0以及随过量空气带入烟气内的水蒸气。•实际烟气量可用式（3-24）计算：Vy=VCO2+VSO2+VN2+VO2+VH2O=VRO2+VN2+VO2+VH2O(3-24)VN2=VN20+0.79(－1)V0=0.008Nar+0.79V0(3-25)VO2=0.21(－1)V0(3-26)VH2O=VH2O0+0.0161(-1)V0=0.111Har＋0.0124Mar+0.0161V0(3-27)3.3燃烧烟气量的计算1时1m3（标况下）气体燃料完全燃烧的实际烟气量，可由气体燃料的湿成分按式（3-28）计算：Vy=Vy0+1.0161(－1)V0(3-28)3.3.3不完全燃烧时烟气量的计算当燃料不完全燃烧时，可以认为烟气中不完全燃烧产物只有CO。此时实际烟气量可表示为：Vy=VCO2+VSO2+VN2+VO2+VH2O+VCO=Vgy+VH2O(3-29)Vgy为不完全燃烧时的干烟气量；Vgy=VCO2+VSO2+VN2+VO2+VCO=VRO2+VN2+VO2+VCO(3-30)3.3燃烧烟气量的计算（1）不完全燃烧时烟气中CO2和CO的体积计算设不完全燃烧时生成CO2的碳量为Car,CO2，生成CO的碳量为Car,CO，则有Car＝Car,CO2+Car,COVCO2=0.01866Car,CO2VCO=0.01866Car,COVCO2+VCO=0.01866Car(3-31)（2）不完全燃烧时烟气中O2和N2的体积计算VO2=0.21(-1)V0+0.50.01866Car,CO=0.21(-1)V0+0.5VCO(3-32)VN2=VN20+0.79(VO2-0.5VCO)/0.21(3-33)3.3燃烧烟气量的计算3.3.4烟气中三原子气体容积分数和飞灰浓度计算烟气中的三原子气体和水蒸气容积分数及分压力计算：rRO2=VRO2/Vgy(3-34)rH2O=VH2O/Vgy(3-35)pRO2=rRO2p(3-36)pH2O=rH2Op(3-37)烟气中的飞灰浓度计算：100arfhyAammy=1－Aar+(1+dk)1.293V0dk为干空气的含湿量(3-38)Aar为燃料中的灰分质量分数；afh为烟气携带出炉膛的飞灰占总灰分的质量分数；my为每公斤燃料的烟气量，kg/kg，包括1kg燃料燃烧所需空气量及由空气所含水分转入烟气的质量：产物成分计算•为与燃料成分相区别，上标’（体积百分数）%100%%%%%22222ONOHOSOC按前公式（固液or气）求→→各产物成分yV%100%%100%%100%%100%%100%2222222222yOyNyOHySOyCOVVOVVNVVOHVVOSVVOC%100产物密度有两种方法计算1．按燃料量算（按参加反应物质重量）(1kg燃料应除去灰分，1.293空气标态下密度，)固、液体燃料kg/m3气体燃料yyVmmVm空燃产物ykVVA293.11001ykVVHCO293.11004.2221004.22282kg/m32．按产物量计算%100%22222OOSNOHOC32222222kg/m10022.4O32N28O64SO18HO44C100OH22.418100OC22.444•例题5：已知某烟煤%32.76%arC%08.4%arH%0.3%%,55.7%%,80.3%%,61.1%%,64.3%arararararMASNO求：理论空气量,理论燃烧产物,生成物成分,密度？作业3•已知某厂用焦炉煤气做工业炉燃料，煤气t=28℃（h=31.1g/m3干气体）,化验出煤气成分为：H2CH4COC2H4CO2O2N257.925.49.02.93.10.41.3%求：一、①燃烧计算时的湿成分；②发热量二、若该炉热负荷q=335×105KJ/h，且α=1.05①每小时应供多少立方煤气？②每小时应供多少立方空气？③废气量有多少？作业4某一工业炉采用重油作燃料，已知重油的收到成分α=1.15,空气水蒸汽饱和温度20℃，对于的含湿量为18.9g/m3干气体。求：实际空气量，产物生成量，产物成分,