第二章燃烧计算

◆考虑到空气和烟气的所有组成成分所处的状态,都可以相当准确地把它们当作理想气体来处理,这在工程上进行燃烧计算是足够准确的。◆在讨论燃烧计算时,仅考虑单位燃料的情况,单位燃料就是指每kmol、每kg或每m3的燃料。◆在计算过程中,涉及到的所有空气和气体容积的单位都是标准立方米用Nm3表示:即以标准状态(0℃,1atm)下的立方米为单位.因此,1kmol气体在标准状况下的容积都是22.4Nm3。Thatis1.理想气体(air、smoke)2.单位燃料(kg、kmol、m3)3.标准状况(0℃,1atm)第一节燃烧过程的物质平衡计算一.燃烧反应方程式:燃烧是燃料中的可燃元素成分C、H、S与空气中的氧在适当条件下(温度和时间)所产生的一种强烈的化学反应,因此,各元素与氧反应的方程式即燃烧反应方程式,即C+O2→CO22H2+O2→2H2OS+O2→SO2对燃料中的碳氢化合物CnHm来说,燃烧反应方程式可由待定系数法写出:设CnHm+xO2→yCO2+zH2O列出平衡方程:2x=2y+zy=n2z=m可得通式为:CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+(m/2)H2O二.燃烧用空气量计算:1.理论空气量计算:人们在进行燃烧计算时,都把燃烧产物中不再有可燃物质的燃烧过程称为完全燃烧。否则就叫不完全燃烧。理论空气量就是从理论上分析，燃料完全燃烧时所需的空气量。理论空气量可以根据燃料中各可燃成分在燃烧时所需的理论空气量相加而计算出。在1Kg燃料中,包含的可燃物质:碳为Car/100Kg,氢为Har/100Kg,硫为Sar/100Kg.碳燃烧反应方程式为:C+O2→CO212Kg22.4Nm322.4Nm3Car/100Kg碳燃烧所需的理论氧量为Vo2C=22.4/12×Car/100=1.866×Car/100m3/kg燃料同理,氢燃烧方程式为:2H2+O2→2H2O4×1.008Kg22.4Nm32×22.4Nm3Har/100Kg的氢完全燃烧所需氧量为:Vo2H=22.4/4×1.008×Har/100=5.55×Har/100Nm3/Kg燃料硫燃烧反应式是:S+O2→SO232Kg22.4m322.4Nm3Sar/100Kg硫完全燃烧所需氧量为Vo2S=22.4/32×Sar/100=0.7×Sar/100Nm3/Kg燃料另外,每Kg燃料中本身还含有Oar/100Kg的氧,这些氧的体积为:Vo2inh=22.4/32×Oar/100=0.7×Oar/100Nm3/Kg燃料所以可见:1Kg燃料完全燃烧所需的氧,就等于上述各可燃物质完全燃烧所需氧量之和再扣除燃料本身的含氧量,即:Vo20=Vo2C+Vo2H+Vo2S-Vo2inh代入各式得:Vo20==1.866×Car/100+5.55×Har/100+0.7×Sar/100－0.7×Oar/100Nm3/Kg燃料空气中氧的容积百分比是21％,所以1Kg燃料燃烧所需的理论空气量为Vo=1/0.21·Vo20=0.0889Car+0.265Har+0.0333Sar－0.0333Oar=0.0889Kar+0.265Har－0.0333OarNm3/Kg燃料式中:Kar=Car+0.375Sar,引入这一系数Kar的理由是因为烟气分析时CO2和SO2通常是一起测定的,统称为RO2(三原子气体),因此,这里也把Car和Sar合并一起。因空气的密度为γ=1.293Kg/Nm3(标况下：0℃、1atm)也可得到按质量计的理论空气量为:Lo=1.293Vo=0.115Kar+0.342Har－0.043OarKg空气/Kg燃料从理论空气量公式可看出,每1Kg氢所需的理论空气量是26.5Nm3(22.4/4×1.008×0.21),1Kg碳所需的理论空气量为8.89Nm3,氢需的理论空气量等于碳的三倍左右。另一方面:氢的热值是120370KJ/Kg,碳的热值是32866KJ/Kg氢热值也等于碳热值的三倍左右。所以对这两种可燃元素来说,理论空气量大致和发热量成正比。因固体燃料和液体燃料中含有大量的碳和氢,粗略地说,这两类燃料的热值大致等于所含元素成分的发热量之和(由于化合物的结构不同,这种说法是不十分准确的)。而燃料燃烧时所需的理论空气量则无疑地等于各元素成分的理论空气量之和,这样,虽然各种燃料所含碳和氢的百分比相差甚大,但由于碳和氢的理论空气量与发热量(Vo/Qnet)的比值几乎相同,所以各种燃料的理论空气量与发热量之比也大致是一个常数。从这个观点出发,就出现了一些计算理论空气量的经验公式,这个大家请参看表2-4,表2-5两个表中所列公式。这两个表都是录自外国文献,在使用上有一定的局限性,我国近年来也出现了一些经验公式,例如中国煤炭科学研究总院提出的:◆对贫煤及无烟煤(Vdaf15％)Vo=0.264×10-6Qnet,ar+0.158Nm3/Kg◆对Vdaf15％的烟煤Vo=250×10-6Qnet,ar+0.278Nm3/Kg◆对劣质煤(Qnet,ar12500KJ/Kg)Vo=240×10-6Qnet,ar+0.108Nm3/Kg2.实际空气需要量及过量空气系数在各种燃烧设备的实际运行中,由于现有的燃烧设备难于保证燃料和空气的彻底混合,因此,为了使燃料尽可能地完全燃烧,就必须供应比理论空气量更多的空气,这样才能保证燃料有充分接触空气的机会,实际供给燃烧室燃烧的空气量就称为实际空气量(V或L),实际空气量总是大于理论空气量,两者的比值称过量空气系数：α=L/Lo或α=V/Vo实际空气量与理论空气量之差称为过量空气量(△L或△V)△V=V-Vo=(α-1)Vo这部分空气并不参加反应,但它吸收炉内热量后随烟气将热量排放到大气中,造成排烟热损失,所以说,α过大,过剩空气量△V过大,就会增加排烟热损失,对热能利用不利。但α值过小时,又会增加不完全燃烧的程度,也对燃烧不利,使燃料的化学热不能充分发挥。由此可见,α过大或过小都将使燃烧设备的热效率下降,这就要求我们要正确选择和控制燃烧过程中的α值,尽可能使α值处于一个较为合理的范围内。当然,对于不同的燃料,不同的燃烧室,α值的最佳范围值是不一样。但是,先进的燃烧设备总是应该在保证燃烧完全的前提下，尽量使过量空气系数趋近于1。如何选取α呢?α主要取决于下面几个因素:(1)燃料的种类:◆对气体燃料:因它易与空气混合,α可小些,工业设备一般控制在α=1.05～1.20民用燃具一般控制在α=1.3～1.8◆对液体燃料:α值比气体燃料的α较大些,工业设备一般控制在α=1.10～1.30◆对固体燃料:因它与空气的接触最差,α最大链条锅炉一般控制在α=1.3～1.4农用柴炉柴灶一般控制在α=1.4～2.0(2)燃料的粒度燃料的粒度越小,愈易和空气混合α值就可愈小。(3)燃烧设备的构造和操作方法这个因素也对α值选取有很大影响,例如:同样使用烟煤时:◆人工操作燃烧室α=1.50～1.70(手烧炉窑)◆机械燃烧室α=1.20～1.40◆悬燃炉α=1.15～1.20◆链条炉α=1.3～1.40此外,对正在运行的设备进行热平衡测算中,常常根据烟气分析来计算出α值,进而控制燃烧过程总处于最佳的α范围内,以实现节能。这在烟气计算中详细讲述。三.烟气量计算燃烧产物的计算,一般包括下列内容:(1)烟气组成(2)烟气量计算(3)燃烧前后工质的摩尔数变化课上仅讲烟气量计算方法对固体或液体燃料完全燃烧时,燃料中的各元素成分C.H.O.N.S便形成了各种烟气.燃料中:C→CO2S→SO2H→H2ON2→N2O2消耗于各反应中；过量空气中:O2,N2,H2O即燃烧所用的实际空气中还有过量的氧(O2)以及惰性气体N2和少量H2O也都混入烟气之中。下面我们来分析各项的数值1.二氧化碳和二氧化硫体积VRO2C+O2→CO2S+O2→SO2VRO2=VCO2+VSO2=1.866Car/100+0.7Sar/100=1.866Kar/100Nm3/Kg燃料其中Kar=Car+0.375Sar2.理论氮气体积VN20VN20有两个来源(1)燃料中的氮气成分(2)理论空气量V0中的氮VN20=22.4/28×Nar/100+0.79V0=0.8Nar/100+0.79V0Nm3/Kg燃料式中0.79是干空气中氮气的容积组成。3.过量空气中的氮及氧气体积过量空气的体积为△V=(α-1)V0Nm3干空气/Kg燃料,其中氮气体积为:△VN2=VN2-VN20=0.79(α-1)Vo=0.79△VNm3/Kg氧气体积为:VO2=0.21△V=0.21(α-1)V0Nm3/Kg4.理论水蒸汽体积VH2O0VH2O0有四个来源:(1)燃料中水分带来的水蒸汽体积为22.4/18×Mar/100=0.0124Mar/100(2)燃料中氢燃烧生成的水蒸汽体积H2+1/2·O2→H2OHar/100Kg氢产生的水蒸汽为:22.4/2×Har/100=0.112HarNm3/Kg(3)理论空气量带入的水蒸汽体积:设空气中相对于1Kg干空气中含有的水蒸汽量为d(g/Kg干空气),1Kg干空气─指1Kg纯干空气和d克水汽的湿蒸汽,干空气的密度为1.293Kg/Nm3,水蒸汽的密度为:18/22.4=0.804Kg/Nm3则得每Nm3空气中所含水蒸汽的体积应为平均含湿量×干空气的密度d/1000×1.293─────────────=────────水汽密度0.804=0.00161dNm3/Nm3干空气理论空气量Vo带入的水蒸汽体积为0.00161dVoNm3/Kg燃料,一般取d=10g/Kg,因此,理论空气量Vo带入的水汽体积为0.00161VoNm3/Kg燃料(4)在采用蒸汽雾化的工业炉窑中,随同燃料一同喷入的水蒸汽体积为22.4/18×1*Wwh=1.24WwhNm3/Kg燃料Wwh─雾化用的蒸汽消耗率Kg/Kg燃料这样就得到理论水汽体积为:VH2Oo=0.0124Mar+0.112Har+0.0161Vo+1.24WwhNm3/Kg燃料5.过量空气中的水蒸汽体积△VH2O=VH2O-VH2Oo=0.00161d(α-1)VoNm3/Kg有时并入过量空气体积(α-1)Vo,而得到(1+0.00161d)(α-1)VoNm3湿空气。如取d=10,则得到1.016(α-1)VoNm3/Kg.另得水蒸汽体积为:VH2O=VH2Oo+0.0161(α-1)VoNm3/Kg现在,关于完全燃烧情况下,烟气量的计算已经基本讲完,而不完全燃烧情况下的烟气量计算十分复杂,完全依靠理论计算在目前是无法进行的,目前进行的都是在一些近似处理后的计算,准确确定主要靠实验,所以我们在这里就不讲了,请大家看一下。同时，烟气地量也可按另一种方式整理为:Vy=Vgy+VH2OVgy─干烟气体积Vgy=VRO2+VN2+VO2=VRO2+VN2o+(α-1)VoNm3/Kg这是对固体和液体燃料情况。而对气体燃料燃烧，其烟气量计算原理类同，我们不再详细推导，记住公式会用就行了。第二节烟气分析及应用计算一.烟气分析烟气分析的任务就是：确定燃烧设备实际运行中的(1)烟气成分(2)过量空气系数,其分析论据是:当α改变时,烟气各成分也将产生不同的变化,例如:当增加α时：(1)空气的氧VO2及VN2(大幅度增加),而VRO2不变;(2)干烟气量Vgy=VRO2+VN20+(α-1)V0也增加。因此,RO2占干烟气(VO2/Vgy×100)的百分比就减少,而O2及N2占干烟气的百分比就增加。所以说,我们只要测量出烟气中的RO2及O2等百分比,就可以间接地推算出α值。以便于较好地控制和改善燃烧过程。烟气分析实际上就是气体分析，最常用的奥氏分析仪，气相色谱仪和红外线气体分析仪等，这与沼气实验中所用仪器相同，分析原理也一样。烟气分析方法:◆化学式:测定准确,不能连续自动监测.◆物理式:可自动连续工作.(1)奥氏(Orsat)分析仪工作原理:利用某种化学药品与烟气接触,有选择性地吸收烟气中某一组分,而不能吸收其它成分,经过选择性吸收后,烟气的容积减少了,则烟气容